Fluido supercrítico

Un fluido supercrítico (FSC) es cualquier sustancia que se encuentre en condiciones de presión y temperatura superiores a su punto crítico que se comporta como “un híbrido entre un líquido y un gas”, es decir, puede difundir como un gas ( efusión), y disolver sustancias como un líquido ( disolvente). Los FSC se caracterizan por el amplio rango de densidades que pueden adoptar. Por encima de las condiciones críticas, pequeños cambios en la presión y la temperatura producen grandes cambios en la densidad.

En un diagrama de fases clásico, las curvas de fusión, sublimación y vaporización muestran las zonas de coexistencia de dos fases. Tan solo hay un punto de coexistencia de tres fases, el llamado punto triple (PT). El cambio de fase se asocia a un cambio brusco de entalpía y densidad. Pero por encima del punto crítico (PC) este cambio no se produce, por tanto, podríamos definir este punto como aquel por encima del cual no se produce licuefacción al presurizar, ni gasificación al calentar; y por ende un fluido supercrítico es aquel que se encuentra por encima de dicho punto.

Diagrama de fases. En la parte superior derecha se ve el fluido supercrítico. Como se puede apreciar, acostumbra a obtenerse a altas presiones y temperaturas.

Propiedades

En términos generales y científicos, un fluido supercrítico posee propiedades entre las de un gas y las de un líquido. En la Tabla 1 se muestran las propiedades de algunos compuestos usados comúnmente como fluidos supercríticos.

Tabla 1. Propiedades críticas de varios solventes (Reid et al, 1987)
Solvente Peso molecular Tº crítica Presión crítica Densidad crítica
g/mol K MPa ( atm) g/cm³
Dióxido de carbono (CO2) 44,01 304,1 7,38 (72,8) 0,469
Agua (H2O) 18,02 647,3 22,12 (218,3) 0,348
Metano (CH4) 16,04 190,4 4,60 (45,4) 0,162
Etano (C2H6) 30,07 305,3 4,87 (48,1) 0,203
Propano (C3H8) 44,09 369,8 4,25 (41,9) 0,217
Etileno (C2H4) 28,05 282,4 5,04 (49,7) 0,215
Propileno (C3H6) 42,08 364,9 4,60 (45,4) 0,232
Metanol (CH3OH) 32,04 512,6 8,09 (79,8) 0,272
Etanol (C2H5OH) 46,07 513,9 6,14 (60,6) 0,276
Acetona (C3H6O) 58,08 508,1 4,70 (46,4) 0,278

La tabla 2 muestra densidad, difusividad y viscosidad de líquidos típicos, gases y fluidos supercríticos.

Tabla 2. Comparación de Gases, Fluidos Supercríticos y Líquidos[1]
Densidad (kg/m³) Viscosidad ( µPa∙s) Difusividad (mm²/s)
Gases 1 10 1-10
Fluidos Supercríticos 100-1000 50-100 0,01-0,1
Líquidos 1000 500-1000 0,001

Las propiedades de que se muestran en las tablas anteriores derivan en las siguientes características comunes a los fluidos supercríticos:

  • No existe interfase gas-líquido
  • La compresibilidad isotérmica se hace infinitamente positiva
  • El coeficiente de expansión térmica es infinito y positivo
  • La entalpía de vaporización es cero
  • Si la densidad se mantiene constante e igual a la densidad crítica la capacidad calorífica a volumen constante tiende al infinito
  • La densidad por encima del punto crítico depende básicamente de la presión y la temperatura, pero en cualquier caso está más cercana a la de los líquidos que a la de los gases. La densidad aumenta si lo hace la presión a temperatura constante y si disminuye la temperatura a presión constante.
  • La viscosidad es mucho más baja que la de los líquidos, lo que le confiere propiedades hidrodinámicas muy favorables
  • La bajísima tensión superficial permite una alta penetrabilidad a través de sólidos porosos y lechos empaquetados.
  • Mayores coeficientes de difusión (difusividad) que en líquidos por lo que la transferencia de materia es más favorable
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