Usando um diagrama de fases para curvas de pressão de vapor

Usando um diagrama de fases para curvas de pressão de vapor

Karim Mahraz, Gerente de Produto Swagelok, Instrumentação Analítica

Embora os diagramas de fase sejam usados ​​principalmente por químicos em ambientes de laboratório, essas ferramentas podem ser surpreendentemente úteis para engenheiros mecânicos e gerentes de fábrica encarregados da análise de amostras. Em alguns sistemas analíticos, uma amostra líquida deve ser convertida em gás por meio de vaporização antes de poder ser analisada. A vaporização é essencialmente um ato de equilíbrio entre as variáveis ​​de temperatura, pressão e fluxo – e as curvas de pressão de vapor de um diagrama de fase permitem que os engenheiros identifiquem mudanças de fase para materiais e compostos químicos distintos.

Enquanto você lê, uma mistura gasosa hipotética de 20% de hexano em pentano será aplicada como um diagrama de fase completo (veja o diagrama abaixo). Quando a amostra estiver acima do ponto de bolha (linha azul), estará inteiramente na fase líquida. Uma amostra deve permanecer em seu estado líquido ao entrar no vaporizador. Quando uma amostra está abaixo do ponto de orvalho (linha dourada), é tudo vapor. A amostra deve ser toda vapor quando sair do vaporizador.

Entre as linhas do ponto de bolha e do ponto de orvalho está a “zona proibida”. Esta zona representa a faixa de ebulição da amostra. Aqui, a mistura está em duas fases:parte líquida e parte vapor. Uma vez que uma amostra cai na zona proibida, ela é fracionada e não é mais adequada para análise. O objetivo da vaporização é definir a temperatura, vazão e pressão para que a amostra salte instantaneamente do lado líquido da zona proibida para o lado do vapor. Com amostras puras e quase puras, há pouca ou nenhuma faixa de ebulição ou zona proibida. As linhas do ponto de bolha e do ponto de orvalho estão simplesmente uma em cima da outra ou quase isso.

Amostras puras e quase puras serão convertidas em vapor da mesma composição, seja por evaporação ou vaporização. Algumas amostras industriais se aproximam desse nível de pureza e convertem com bastante facilidade. Por outro lado, algumas amostras têm uma faixa de ebulição tão ampla ou zona proibida que não podem ser vaporizadas com sucesso. Não há como essas amostras pularem do lado líquido da zona proibida para o lado do vapor. Neste caso, as variáveis ​​não podem ser manipuladas para evitar o fracionamento.

No diagrama mostrado acima, a faixa entre o ponto de bolha e o ponto de orvalho é estreita o suficiente para que, com as configurações adequadas, a amostra possa efetivamente pular do lado líquido da zona proibida para o lado do vapor. Ao mesmo tempo, a faixa no diagrama é ampla o suficiente para que não se possa ser descuidado.

Configuração de temperatura, pressão e fluxo

Continuando a trabalhar com a amostra no diagrama (20% de hexano em pentano), as entradas precisam ser habilmente definidas para garantir uma vaporização bem-sucedida. Em geral, alta pressão e baixa temperatura são necessárias na entrada. Por outro lado, na saída, alta temperatura e baixa pressão são necessárias. Existem limites de quão altos e baixos esses parâmetros podem ser, e nem todas as restrições podem ser controladas.

1. Determine a pressão de entrada em seu vaporizador

A pressão de entrada, que é fixa, é a pressão do processo – desde que o vaporizador esteja localizado próximo à torneira da amostra. No diagrama de exemplo, essa pressão é de 4 bar. Uma pressão mais alta é melhor porque permite que o vaporizador mantenha a temperatura mais alta sem ferver o líquido que entra.

2. Defina a temperatura de entrada

Ao definir a temperatura de entrada, existem dois objetivos. Primeiro, a temperatura deve ser baixa o suficiente para que, quando a amostra entrar no vaporizador, seja inteiramente líquida. No diagrama de exemplo, o ponto de bolha a 4 bar é 88°C. Para evitar o fracionamento, é melhor escolher um número redondo longe o suficiente de 88°C para evitar a zona proibida. Uma temperatura de exemplo segura pode ser 80°C.

O segundo objetivo é manter a temperatura alta o suficiente para contribuir para o flashing completo da amostra – garantindo que apenas o vapor saia do vaporizador. Ao vaporizar uma amostra, a temperatura cai de acordo com as leis de conservação de energia. A temperatura da amostra deve ser alta o suficiente no início para que, após a queda de pressão, a amostra não caia na zona proibida. No diagrama de exemplo, a temperatura do vapor após a queda de pressão é de 60°C - apenas no lado do vapor da linha do ponto de orvalho.

3. Defina a pressão de saída

Ao definir a pressão de saída, o objetivo é diminuir a pressão abaixo da linha do ponto de orvalho. No diagrama de exemplo, a pressão de saída é definida para 1,5 bar. Se a pressão de saída fosse maior, a amostra não vaporizaria completamente e fracionaria.

4. Defina o fluxo

O fluxo é ajustado a jusante em uma válvula e rotâmetro, não no vaporizador. Em um sistema de amostragem, um alto fluxo de vapor é desejável porque move a amostra para o analisador mais rapidamente. No entanto, o alto fluxo pode ser problemático porque mais calor é necessário para vaporizar a amostra. Em outras palavras, alto fluxo resulta em maior queda de temperatura no momento da vaporização. No diagrama de exemplo, a linha roxa ilustra a queda de temperatura. À medida que o fluxo aumenta, a temperatura cai drasticamente.

Outra variável que influencia a queda de temperatura é a capacidade de transferência de calor do vaporizador. Alguns vaporizadores são construídos de tal forma que o calor é transferido de forma mais eficiente para a amostra. Quando a amostra líquida se converte em vapor e sua temperatura cai, ela extrai calor do aço inoxidável ao seu redor. A questão crítica é a eficiência com que o vaporizador pode substituir o calor e mantê-lo fluindo para a amostra. Quanto mais calor a amostra puder extrair, menos sua temperatura cairá durante a vaporização. Em alguns casos, é possível que o vaporizador esteja quente ao toque por fora, mas frio por dentro. Isso ocorre porque a amostra vaporizada está consumindo uma grande quantidade de calor e o vaporizador não pode transferir energia suficiente para acompanhar. A melhor solução é reduzir o fluxo.

Em suma, a queda de temperatura visualizada no diagrama é um produto da vazão e da capacidade de transferência de calor do vaporizador. Com um vaporizador de boa qualidade e baixa vazão, a linha do diagrama ficará mais vertical. Infelizmente, não há uma maneira fácil de calcular a localização precisa da queda de temperatura dentro de um diagrama de fases, e ela não pode ser gerada por nenhum programa de software conhecido. Como resultado, a vaporização envolve alguma aproximação. Como regra geral, mantenha a taxa de fluxo o mais baixa possível sem causar um atraso inaceitável no tempo de viagem da amostra para o analisador. É melhor começar com uma vazão baixa e experimentar aumentando-a do que começar com uma vazão inicialmente mais alta.

Para obter ajuda adicional com as melhores práticas de instrumentação analítica e sistema de amostragem usando curvas de pressão de vapor de diagrama de fase, entre em contato com o centro de vendas e serviço local da Swagelok.