Aproveitando Diagramas de Fase para Prever Curvas de Pressão de Vapor com Precisão

Usando um Diagrama de Fase para Curvas de Pressão de Vapor

Karim Mahraz, Gerente de Produto Swagelok, Instrumentação Analítica

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

Conforme você lê adiante, 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 está acima do ponto de bolha (linha azul), ela 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), ela é toda vapor. A amostra deve ser todo vapor quando sai do vaporizador.

Entre as linhas do ponto de bolha e 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 pule instantaneamente do lado líquido da zona proibida para o lado de vapor. Com amostras puras e quase puras, há pouca ou nenhuma faixa de ebulição ou zona proibida. As linhas do ponto de bolha e ponto de orvalho estão simplesmente uma sobre a outra ou quase isso.

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

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

Definindo Temperatura, Pressão e Vazão

Continuando a trabalhar com a amostra no diagrama (20% de hexano em pentano), as entradas precisam ser habilmente definidas para garantir 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 para o quão alto e baixo esses parâmetros podem ser, e nem toda restrição pode ser controlada.

1. Determine a Pressão de Entrada no Seu Vaporizador

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

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, ela seja inteiramente líquida. No diagrama de exemplo, o ponto de bolha a 4 bar é 88°C. Para evitar fracionamento, é melhor escolher um número arredondado suficientemente longe de 88°C para evitar a zona proibida. Uma temperatura segura de exemplo poderia ser 80°C.

O segundo objetivo é manter a temperatura alta o suficiente para contribuir para o flash completo da amostra – garantindo que apenas 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 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 reduzir 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 mais alta, a amostra não vaporizaria completamente e fracionaria.

4. Defina a Vazão

A vazão é definida a jusante em uma válvula e rotâmetro, não no vaporizador. Em um sistema de amostragem, alta vazão de vapor é desejável porque move a amostra para o analisador mais rápido. No entanto, alta vazão pode ser problemática porque mais calor é necessário para vaporizar a amostra. Em outras palavras, alta vazão resulta em uma maior queda de temperatura no momento da vaporização. No diagrama de exemplo, a linha roxa ilustra a queda de temperatura. À medida que a vazão aumenta, a temperatura cai acentuadamente.

Outra variável que influencia a queda de temperatura é a capacidade de transferência de calor do vaporizador. Alguns vaporizadores são construídos de forma que o calor é transferido mais eficientemente para a amostra. Quando a amostra líquida se converte em vapor e sua temperatura cai, ela extrai calor do aço inoxidável ao redor. A questão crítica é quão eficientemente o vaporizador pode repor o calor e mantê-lo fluindo para a amostra. Quanto mais calor a amostra pode extrair, menos sua temperatura cai durante a vaporização. Em alguns casos, é possível que o vaporizador esteja quente ao toque por fora, mas frio no núcleo interno. Isso ocorre porque a amostra vaporizada está extraindo uma grande quantidade de calor e o vaporizador não consegue transferir energia suficiente para acompanhar. A melhor solução é reduzir a vazão.

Em suma, a queda de temperatura visualizada no diagrama é um produto da taxa de vazão e da capacidade de transferência de calor do vaporizador. Com um vaporizador de boa qualidade e baixa vazão, a linha no diagrama se tornará mais vertical. Infelizmente, não há maneira fácil de calcular a localização precisa da queda de temperatura dentro de um diagrama de fase, e não pode ser gerada por nenhum programa de software conhecido. Como resultado, a vaporização envolve alguma aproximação. Como regra prática, mantenha a vazão 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 ajuda adicional com instrumentação analítica e melhores práticas de sistemas de amostragem usando curvas de pressão de vapor de diagramas de fase, entre em contato com seu centro local de vendas e serviços Swagelok.