Uso de un diagrama de fase para curvas de presión de vapor

Uso de un diagrama de fase para curvas de presión de vapor

Karim Mahraz, Director de productos Swagelok, Instrumentación analítica

Si bien los diagramas de fase son utilizados principalmente por químicos en entornos de laboratorio, estas herramientas pueden ser asombrosamente útiles para ingenieros mecánicos y gerentes de planta encargados del análisis de muestras. En algunos sistemas analíticos, una muestra líquida debe convertirse en gas mediante vaporización antes de que pueda analizarse. La vaporización es esencialmente un acto de equilibrio entre las variables de temperatura, presión y flujo, y las curvas de presión de vapor de un diagrama de fase permiten a los ingenieros identificar cambios de fase para distintos materiales y compuestos químicos.

Mientras sigue leyendo, se aplicará una mezcla gaseosa hipotética de 20% de hexano en pentano como un diagrama de fase completo (vea el diagrama a continuación). Cuando la muestra está por encima del punto de burbuja (línea azul), estará completamente en fase líquida. Una muestra debe permanecer en su estado líquido cuando ingresa al vaporizador. Cuando una muestra está por debajo del punto de rocío (línea dorada), todo es vapor. La muestra debe ser todo vapor cuando sale del vaporizador.

Entre las líneas del punto de burbuja y del punto de rocío se encuentra la “zona prohibida”. Esta zona representa el intervalo de ebullición de la muestra. Aquí, la mezcla está en dos fases:parte líquida y parte vapor. Una vez que una muestra cae en la zona prohibida, se fracciona y ya no es adecuada para el análisis. El objetivo de la vaporización es establecer la temperatura, el flujo y la presión para que la muestra salte instantáneamente del lado líquido de la zona de exclusión al lado del vapor. Con muestras puras y casi puras, hay poco o ningún rango de ebullición o zona prohibida. Las líneas del punto de burbuja y del punto de rocío simplemente están una encima de la otra o casi.

Las muestras puras y casi puras se convertirán en vapor de la misma composición, ya sea por evaporación o vaporización. Algunas muestras industriales se acercan a este nivel de pureza y se convierten con bastante facilidad. Por otro lado, algunas muestras tienen un rango de ebullición tan amplio o una zona prohibida que no se pueden vaporizar con éxito. No hay forma de que tales muestras salten del lado líquido de la zona de exclusión al lado del vapor. En este caso, las variables no se pueden manipular para evitar el fraccionamiento.

En el diagrama que se muestra arriba, la banda entre el punto de burbujeo y el punto de rocío es lo suficientemente estrecha como para que, con la configuración adecuada, la muestra pueda pasar del lado líquido de la zona de exclusión al lado del vapor. Al mismo tiempo, la banda en el diagrama es lo suficientemente ancha como para que uno no pueda darse el lujo de ser descuidado.

Configuración de temperatura, presión y caudal

Continuando con el trabajo con la muestra en el diagrama (20 por ciento de hexano en pentano), las entradas deben configurarse hábilmente para garantizar una vaporización exitosa. En general, se necesita alta presión y baja temperatura en la entrada. Por el contrario, en la salida es necesaria alta temperatura y baja presión. Hay límites en cuanto a cuán altos y bajos pueden ser estos parámetros, y no se pueden controlar todas las restricciones.

1. Determine la presión de entrada en su vaporizador

La presión de entrada, que es fija, es la presión del proceso, siempre que el vaporizador esté ubicado cerca del grifo de muestra. En el diagrama de ejemplo, esa presión es de 4 bar. Una presión más alta es mejor porque permite que el vaporizador mantenga la temperatura más alta sin hervir el líquido entrante.

2. Establecer la temperatura de entrada

Al establecer la temperatura de entrada, hay dos objetivos. Primero, la temperatura debe ser lo suficientemente baja para que cuando la muestra ingrese al vaporizador, sea completamente líquida. En el diagrama de ejemplo, el punto de burbuja a 4 bar es 88°C. Para protegerse del fraccionamiento, lo mejor es elegir un número redondo lo suficientemente alejado de los 88 °C para evitar la zona prohibida. Un ejemplo de temperatura segura podría ser 80°C.

El segundo objetivo es mantener la temperatura lo suficientemente alta para contribuir a la evaporación completa de la muestra, asegurando que solo el vapor salga del vaporizador. Al vaporizar una muestra, la temperatura desciende de acuerdo con las leyes de conservación de la energía. La temperatura de la muestra debe ser lo suficientemente alta desde el principio para que, después de la caída de presión, la muestra no caiga en la zona prohibida. En el diagrama de ejemplo, la temperatura del vapor después de la caída de presión es de 60 °C, justo en el lado del vapor de la línea del punto de rocío.

3. Establecer la presión de salida

Al establecer la presión de salida, el objetivo es hacer caer la presión por debajo de la línea del punto de rocío. En el diagrama de ejemplo, la presión de salida se establece en 1,5 bar. Si la presión de salida fuera más alta, la muestra no se vaporizaría por completo y se fraccionaría.

4. Establecer el flujo

El flujo se establece aguas abajo en una válvula y un rotámetro, no en el vaporizador. En un sistema de muestreo, es deseable un alto flujo de vapor porque mueve la muestra al analizador más rápido. Sin embargo, el alto flujo puede ser problemático porque se requiere más calor para vaporizar la muestra. En otras palabras, un alto flujo da como resultado una mayor caída de temperatura en el momento de la vaporización. En el diagrama de ejemplo, la línea morada ilustra la caída de temperatura. A medida que aumenta el caudal, la temperatura desciende bruscamente.

Otra variable que influye en la caída de temperatura es la capacidad de transferencia de calor del vaporizador. Algunos vaporizadores están construidos de tal manera que el calor se transfiere más eficientemente a la muestra. Cuando la muestra líquida se convierte en vapor y su temperatura desciende, extrae calor del acero inoxidable que la rodea. La pregunta crítica es qué tan eficientemente el vaporizador puede reemplazar el calor y mantenerlo fluyendo hacia la muestra. Cuanto más calor pueda extraer la muestra, menos caerá su temperatura durante la vaporización. En algunos casos, es posible que el vaporizador esté caliente al tacto por fuera pero frío por dentro. Esto se debe a que la muestra vaporizada consume una gran cantidad de calor y el vaporizador no puede transferir suficiente energía para mantenerse al día. La mejor solución es reducir el caudal.

En suma, la caída de temperatura visualizada en el diagrama es el producto del caudal y la capacidad de transferencia de calor del vaporizador. Con un vaporizador de buena calidad y un caudal bajo, la línea del diagrama se volverá más vertical. Desafortunadamente, no existe una manera fácil de calcular la ubicación precisa de la caída de temperatura dentro de un diagrama de fase, y ningún programa de software conocido puede generarla. Como resultado, la vaporización implica cierta aproximación. Como regla general, mantenga el caudal lo más bajo posible sin causar un retraso inaceptable en el tiempo de viaje de la muestra al analizador. Es mejor comenzar con un caudal bajo y experimentar aumentándolo que comenzar con un caudal inicialmente más alto.

Para obtener ayuda adicional con las mejores prácticas de instrumentación analítica y sistemas de muestreo utilizando curvas de presión de vapor de diagrama de fase, comuníquese con su centro local de ventas y servicio Swagelok.