Diagramas de Fases P-T en Sistemas Multicomponentes de Hidrocarburos: Puntos Clave y Comportamientos

Comportamiento General de Fases en Sistemas Multicomponentes de Hidrocarburos

Los sistemas multicomponentes de hidrocarburos, que pueden incluir componentes de otras series, exhiben un comportamiento de fases en la región vapor-líquido que es, en muchos aspectos, similar al de los sistemas binarios. Sin embargo, la complejidad aumenta con el número de componentes. El comportamiento de fases específico de una mezcla de hidrocarburos depende crucialmente de su composición y de las propiedades termodinámicas de sus componentes individuales. Las características generales de sus diagramas Presión-Volumen (P-V) y Presión-Temperatura (P-T) recuerdan a las de los sistemas de dos componentes, pero con particularidades importantes.

Análisis Detallado del Diagrama de Fases Presión-Temperatura (P-T)

Los diagramas P-T para un sistema binario y para un sistema multicomponente son conceptualmente similares. La Figura 4 (no provista en este extracto, pero referenciada en el texto original) ilustra un diagrama P-T típico para una mezcla hipotética de hidrocarburos. Al igual que en un sistema binario, la región de dos fases (vapor-líquido) está delimitada por una curva envolvente, denominada LP_mCT_mV. Esta envolvente está formada por:

• La curva de puntos de burbujeo (LP_mC)
• La curva de puntos de rocío (VT_mC)

Ambas curvas se unen en el punto crítico (C) de la mezcla. Para comprender el comportamiento dentro de esta región, se suelen considerar trayectorias a presión constante (isobáricas) o a temperatura constante (isotérmicas) que cruzan la envolvente de fases.

Procesos Típicos de Vaporización y Condensación en la Envolvente de Fases

Caso I: Vaporización o Condensación Isobárica (Presión Constante)

Consideremos una línea isobárica (presión constante) que atraviesa la envolvente de fases, como la trayectoria entre los puntos 1 y 2 en la Figura 4 (Caso I). Esta línea cruza la curva de puntos de burbujeo en A y la curva de puntos de rocío en B, ilustrando la vaporización o condensación a presión constante:

• Tramo 1-A (Líquido Subenfriado): La mezcla es líquida y no cambia de estado; solo su densidad disminuye al aumentar la temperatura.
• Punto A (Punto de Burbujeo): Comienza la vaporización. Al seguir aumentando la temperatura, la fracción de líquido disminuye y la de vapor aumenta.
• Punto B (Punto de Rocío - Vaporización Completa): Todo el sistema se convierte en vapor.
• Tramo B-2 (Vapor Sobrecalentado): El vapor se sobrecalienta al aumentar más la temperatura.

Si se considera el proceso inverso (enfriamiento desde el punto 2 hacia el 1):

• Tramo 2-B (Vapor Sobrecalentado): El vapor se enfría, aumentando su densidad, pero permanece como fase única.
• Punto B (Punto de Rocío - Inicio Condensación): Comienza la condensación.
• Tramo B-A (Región Bifásica): A medida que disminuye la temperatura, la cantidad de líquido condensado aumenta.
• Punto A (Punto de Burbujeo - Condensación Completa): Todo el sistema vuelve a ser líquido.

Caso II: Vaporización o Condensación Isotérmica (Temperatura Constante)

Consideremos ahora una línea isotérmica (temperatura constante) que atraviesa la envolvente, como la trayectoria entre los puntos 3 y 4 (Caso II). Esta línea ilustra la vaporización o condensación a temperatura constante:

• Tramo 3-D (Vapor): El sistema es vapor homogéneo. Al aumentar la presión, solo aumenta su densidad.
• Punto D (Punto de Rocío - Inicio Condensación): Con un aumento posterior de la presión, comienza la condensación.
• Tramo D-E (Región Bifásica): Ocurre la condensación progresiva del sistema al aumentar la presión.
• Punto E (Punto de Burbujeo - Condensación Completa): Todo el sistema se convierte en líquido.
• Tramo E-4 (Líquido Comprimido): El sistema es líquido homogéneo, y su densidad aumenta ligeramente con la presión.

Características Especiales de los Diagramas P-T de Mezclas: Cricondembárico y Cricondentérmico

Una característica distintiva de los diagramas P-T de mezclas multicomponentes es que la curva envolvente de la región de dos fases presenta puntos de máxima presión y máxima temperatura que no coinciden con el punto crítico (C) de la mezcla. Estos puntos son:

• P_m (Cricondembárico): Es el punto de máxima presión en la curva envolvente. Su nombre es una abreviatura del término inglés critical condensation pressure (presión de condensación crítica).
• T_m (Cricondentérmico): Es el punto de máxima temperatura en la curva envolvente. Su nombre deriva de critical condensation temperature (temperatura de condensación crítica).

La existencia de estos puntos (P_m > P_c y T_m > T_c) da lugar a fenómenos de cambio de fase complejos, como la condensación retrógrada, que no se observan en sustancias puras.

Caso III: Comportamiento Isobárico Peculiar (P_c < P < P_m)

La existencia del cricondembárico (P_m) permite definir trayectorias isobáricas a presiones superiores a la presión crítica (P_c) pero inferiores a P_m. Un ejemplo es el Caso III (línea entre los puntos 5 y 6 en la Figura 4). Esta línea isobárica cruza la curva de puntos de burbujeo dos veces (en los puntos F y G), pero no cruza la curva de puntos de rocío. En el Caso III, la línea isobárica 5-6 se encuentra a una presión intermedia entre P_c (asociada al punto crítico C) y P_m.

• Al alcanzar los puntos F o G (intersecciones con la curva de puntos de burbujeo), ya sea aumentando o disminuyendo la temperatura desde un estado líquido monofásico dentro de la envolvente, el sistema es un líquido homogéneo y se inicia la vaporización. Esto es independiente del sentido del cambio de temperatura en esta región.
• Tan pronto como la temperatura aumente o disminuya... (Nota: El texto original proporcionado se interrumpe en este punto.)

Caso IV: Comportamiento Isotérmico Peculiar (T_c < T < T_m)

De manera análoga, la existencia del cricondentérmico (T_m) permite definir trayectorias isotérmicas a temperaturas superiores a la temperatura crítica (T_c) pero inferiores a T_m. Este es el Caso IV (línea entre los puntos 7 y 8 en la Figura 4). Esta línea isotérmica cruza la curva de puntos de rocío dos veces, sin interceptar la curva de puntos de burbujeo.

Los comportamientos descritos en el Caso III y el Caso IV ilustran procesos de vaporización y condensación (a menudo denominados retrógrados) que difieren significativamente de los observados en los Casos I y II, los cuales ocurren a presiones y temperaturas por debajo de las coordenadas críticas de la mezcla.