Aprovechar los diagramas de fase para predecir con precisión las curvas de presión de vapor

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

Karim Mahraz, Swagelok Product Manager, Analytical Instrumentation

Si bien los diagramas de fase se utilizan 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 a gas mediante vaporización antes de poder ser analizada. La vaporización es esencialmente un acto de equilibrio entre 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 materiales y compuestos químicos distintos.

A medida que continúe leyendo, se aplicará una mezcla de gas hipotética de 20% hexano en pentano como un diagrama de fase completo (ver 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 al entrar al vaporizador. Cuando una muestra está por debajo del punto de rocío (línea dorada), es todo vapor. La muestra debe ser todo vapor cuando salga del vaporizador.

Entre las líneas del punto de burbuja y punto de rocío está la "zona de no-go". Esta zona representa el rango 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 de no-go, se fracciona y ya no es adecuada para análisis. El objetivo de la vaporización es establecer la temperatura, flujo y presión para que la muestra salte instantáneamente desde el lado líquido de la zona de no-go al lado de vapor. Con muestras puras y casi puras, hay poco o ningún rango de ebullición o zona de no-go. Las líneas del punto de burbuja y 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 bastante fácilmente. Por otro lado, algunas muestras tienen un rango de ebullición o zona de no-go tan amplio que no pueden vaporizarse con éxito. No hay forma de que tales muestras salten del lado líquido de la zona de no-go al lado de vapor. En este caso, las variables no pueden manipularse para evitar la fraccionación.

En el diagrama mostrado arriba, la banda entre el punto de burbuja y punto de rocío es lo suficientemente estrecha para que, con la configuración adecuada, la muestra pueda saltar efectivamente del lado líquido de la zona de no-go al lado de vapor. Al mismo tiempo, la banda en el diagrama es lo suficientemente ancha como para que no se pueda ser descuidado.

Configuración de temperatura, presión y flujo

Continuando trabajando con la muestra en el diagrama (20 por ciento hexano en pentano), las entradas deben establecerse hábilmente para asegurar una vaporización exitosa. En general, se necesita alta presión y baja temperatura en la entrada. Por el contrario, en la salida, se necesita alta temperatura y baja presión. Hay límites en cuanto a qué tan altos y bajos pueden ser estos parámetros, y no todas las restricciones pueden controlarse.

1. Determinar la presión de entrada en su vaporizador

La presión de entrada, que es fija, es la presión de proceso —siempre que el vaporizador esté ubicado cerca de la toma 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 entre al vaporizador, sea completamente un líquido. En el diagrama de ejemplo, el punto de burbuja a 4 bar es 88°C. Para proteger contra la fraccionación, es mejor elegir un número redondo lo suficientemente lejos de 88°C para evitar la zona de no-go. Una temperatura segura de ejemplo podría ser 80°C.

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

3. Establecer la presión de salida

Al establecer la presión de salida, el objetivo es bajar la presión por debajo de la línea de 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 completamente y se fraccionaría.

4. Establecer el flujo

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

Otra variable que influye en la caída de temperatura es la capacidad de transferencia de calor del vaporizador. Algunos vaporizadores están construidos de manera que el calor se transfiere más eficientemente a la muestra. Cuando la muestra líquida se convierte en vapor y su temperatura cae, 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 cae su temperatura durante la vaporización. En algunos casos, es posible que el vaporizador esté caliente al tacto por fuera pero frío en el núcleo interior. Eso es porque la muestra vaporizada está extrayendo una gran cantidad de calor y el vaporizador no puede transferir suficiente energía para mantenerse al día. La mejor solución es reducir el flujo.

En resumen, la caída de temperatura visualizada en el diagrama es un producto de la tasa de flujo y la capacidad de transferencia de calor del vaporizador. Con un vaporizador de buena calidad y una tasa de flujo baja, la línea en el diagrama se volverá más vertical. Desafortunadamente, no hay una forma fácil de calcular la ubicación precisa de la caída de temperatura dentro de un diagrama de fase, y no puede ser generada por ningún programa de software conocido. Como resultado, la vaporización implica cierta aproximación. Como regla general, mantenga la tasa de flujo lo más baja posible sin causar un retraso inaceptable en el tiempo de viaje de la muestra al analizador. Es mejor comenzar con una tasa de flujo baja y experimentar aumentándola que comenzar con una tasa de flujo inicialmente más alta.

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