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¡Presentando al gas hidrocarburo!

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Fragmento del Manual de Seguridad del IMAAC, capítulo dos: propiedades del propelente
hidrocarburo (PHC).

La industria del aerosol emplea el gas hidrocarburo como propelente en la mayoría de sus productos. Para obtener los mejores resultados en su uso y evitar posibles accidentes es necesario conocer sus propiedades.

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Los hidrocarburos son compuestos naturales que se obtienen del petróleo y están constituidos por átomos de hidrógeno y de carbono. El propano, isobutano y el n-butano son los hidrocarburos empleados como propelentes en la industria del aerosol (PHC).

Se encuentran en estado gaseoso, pero se comprimen hasta su estado líquido para facilitar su almacenamiento y transporte. También se conocen como gases licuados del petróleo (gas LP). El almacenamiento, transporte y manejo del gas LP se realiza en recipientes sujetos a presión.

En la figura se muestra la fórmula química del propano (condensada C3H8, desarrollada y geometría de la molécula).

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TABLA DE PROPIEDADES FÍSICAS Y FÓRMULAS DE LOS PROPELENTES MÁS USUALES EN LA INDUSTRIA DEL AEROSOL

Propelente n-Butano Iso-Butano Propano DME 152a
Fórmula química C4H10 C4H10 C3H8 CH3-O-CH3 CH3-CHF2
Peso molecular 58.123 58.123 44.096 46.069 66.051
Presión de vapor @ 21.1°C psig. 16.9 31.1 109.3 61.3 63.9
Presión de vapor @ 54.4°C psig. 66.1 95.2 259.1 174 177
Punto de ebullición @ 1 atm., °C -0.5 -11.7 -42.1 -24.8 -25
Temperatura de autoignición °C 405 543 450 350 454
Densidad relativa del gas @ 15.5°C (aire = 1) 2.006 2.006 1.522 1.590 2.280
Densidad del líquido g/cm3 a 21.1°C 0.578 0.557 0.500 0.66 0.91
Relación de expansión (líquido a gas) @ 1 ATM., 21.1°C 240.11 231.3 273.8 345.6 330.49
Flash Point °C -74 -83 -104 -41 -50
Calor de vaporización KJ/g @ P.eb. 385.7 365.7 425.7 467.5 327.7
Calor neto de combustión de líquido @ 25°C, KJ/g 45.7 45.6 45.3 28.8 11.5
Viscocidad de líquido, centipoise @ 37.8°C 0.258 0.277 0.186 N/A 0.247
Coeficiente de dilatación de líquido @ 21.1°C 0.002 0.0022 0.0031 0.0055 0.0014
Solubilidad en agua, % en peso, @ 21.1°C 0.008 0.008 0.007 35 1.7
Valor de Kauri-butanol 20 18 15 60 11
Límites de inflamabilidad, gas en aire, % en volumen 1.9-8.5 1.8-8.4 2.2-9.5 3.3-18 3.9-16.9

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PRODUCCIÓN Y PURIFICACIÓN DELPROPELENTE HIDROCARBURO

En México el gas LP es producido y comercializado por Petróleos Mexicanos (PEMEX). En forma comercial no puede ni debe ser usado como propelente para aerosol, debido al alto contenido de mercaptanos y de otras impurezas que imparten el típico olor a gas.

Antes de emplearse como propelente, el gas LP debe ser fraccionado en sus componentes y purificado de toda impureza que pueda reaccionar o causar mal olor al producto o que pueda ser perjudicial para la salud y el ambiente.

Un estricto control de calidad, la selección del Centro Procesador de Gas y los procesos de purificación, son elementos clave para cumplir con las especificaciones establecidas para el hidrocarburo grado aerosol.1
A continuación se describen las características organolépticas designadas para el PHC grado aerosol:

  1. La fase líquida es incolora como el agua, presenta un suave olor a solvente y es insoluble en el agua. El propano pesa la mitad del agua (densidad relativa = 0.5).
  2. La fase vapor es incolora como el aire, su suave olor se diluye y desaparece en el mismo. El butano es dos veces más pesado que el aire (densidad relativa = 2.0). Al ser más pesados que el aire, los gases licuados pueden desplazar el oxígeno y crear una atmósfera que resulta asfixiante, cuando se respira prolongadamente.
  3. El propano líquido tiene un punto de ebullición de -42.1°C (ver tabla de propiedades físicas). Al contacto de la piel los gases licuados pueden producir quemaduras causadas por frío.

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Antes de emplearse como propelente, el gas LP debe ser fraccionado en sus componentes y purificado de toda impureza

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PRESIÓN DE VAPOR

La presión requerida para mantener en estado líquido a un gas, a una temperatura de referencia, se conoce como presión de vapor. En la industria mexicana del aerosol y en muchos países2, la presión de vapor manométrica para el propelente se especifica a 21 °C y se mide en psi (libras por pulgada cuadrada). La presión se determina siguiendo el método ASTM-D-12673 y se conoce como presión de vapor ASTM a 21°C. En la tabla de propiedades físicas aparecen las presiones de vapor (a 21 y 54.4 °C) para los propelentes más usuales en la industria del aerosol.

Los gases licuados mantienen su presión de vapor constante. Esta propiedad garantiza su buen desempeño como propelente para aerosol, pues mantienen su presión de vapor mientras exista una gota de líquido en el envase.4

El n-butano (conocido como A-17) tiene una presión de vapor de 16.9 psi, a 21°C y es insuficiente para el buen desempeño de los aerosoles. El isobutano (A-31) tiene una presión de 31.1 psi, aceptable para algunos aerosoles. La presión del propano es de 109.3 psi, que resulta excesiva y peligros para los envases y aerosoles más usuales.

Al usar PHC con altas presiones, asegúrese de usar el envase adecuado.5 La experiencia adquirida en la industria del aerosol, indica que los propelentes más satisfactorios tienen una presión de vapor entre 31 y 70 psi.

Estos se forman mediante la mezcla apropiada de los hidrocarburos puros. Por ejemplo, si mezclamos 50% de n-butano (19.6 psig.) con 50% de propano (109.3 psig.), obtenemos una mezcla con una presión de 63 psig. @ 21°C. Si deseamos un A-46, se aumenta la proporción de n-butano a 70% y se disminuye el contenido de propano a 30%.

En México, cuando se antepone la “A” a la presión de vapor del PHC, es suficiente para especificar que cumple con los requisitos de calidad establecidos para el grado aerosol. Ejemplo: propelente hidrocarburo A-31, A-46, etc.

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Presión de vapor y su desempeño en un aerosol

La presión de un gas propelente proporciona la fuerza sobre la superficie líquida de un aerosol, para realizar el trabajo de extracción de un determinado volumen de producto cuando se activa la válvula.6

Un gas licuado conserva su presión de vapor mientras haya una gota de propelente en el envase. Esta es una gran ventaja sobre los gases comprimidos (nitrógeno o dióxido de carbono), los cuales pierden su presión en la medida que se descarga el producto.

Otra gran ventaja del gas licuado se presenta cuando se acciona la válvula del aerosol. El propelente líquido arrastrará el producto envasado, a través del tubo de la válvula y al ser disparado al ambiente (por la acción del pulsador de la válvula) pasará súbitamente a su estado natural gaseoso.

La vaporización súbita del gas licuado, provocará la pulverización del producto en finas partículas (spray en inglés).7 El tamaño de las partículas resultantes del spray dependerá de la presión de vapor del propelente, del diámetro del orificio de la válvula y del pulsador.8
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REFERENCIAS

  1. J. Guomin, M.A. Johnsen and B.V. Braune, “Aerosol Propellant Handbook”. Jing Tai Printing Ltd., Hong Kong. (1998) p. 170.
  2. Ibid, p. 172.
  3. ASTM D-1267-12 Standard Test Method for Gage Vapor Pressure of Liquefied Petroleum (LP) Gases. (LP-Gas Method).
  4. CSMA, Aerosol Propellants Safety Manual.
  5. Aerosol La Revista. Envases para alta presión. FLADA, Año VI, Junio 2011. p. 5.
  6. Juan Nolasco. El alma de aerosol. Aerosol La Revista. FLADA. Año VII, octubre 2011. pp. 15-20.
  7. Héctor Gómez. La pulverización del aerosol. Aerosol La Revista. FLADA. Año IX, julio 2013. pp. 20-26.
  8. G. Arias. El Tamaño de partículas en el aerosol. Aerosol La Revista. FLADA. Año VI, enero 2010.
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