Como gerenciar a vaporização em sistemas de amostragem

Como gerenciar a vaporização em sistemas de amostragem

Jon Kestner

Não é fácil vaporizar uma amostra, nem sempre é possível. No entanto, se o analisador em seu sistema de amostragem analítica exigir gás, mas a amostra for líquida, a única opção é converter o líquido em gás. Este processo é chamado de vaporização ou vaporização flash. O objetivo é converter uma amostra de todo líquido em vapor instantaneamente sem alterar a composição.

Se você prosseguir com a vaporização, é importante entender a diferença entre evaporação e vaporização. A evaporação ocorre gradualmente com o aumento da temperatura. A vaporização ocorre instantaneamente com uma queda de pressão.

Não é possível vaporizar uma amostra aumentando a temperatura. O calor causa a evaporação, e adicionar mais calor simplesmente faz a evaporação acontecer mais rapidamente. Em uma amostra mista, a evaporação permitirá que alguns compostos evaporem antes de outros, resultando em fracionamento. A vaporização, quando feita corretamente, garante que todos os compostos vaporizem ao mesmo tempo, preservando a composição da amostra.

As coisas podem dar errado ao vaporizar. Em vez de transformar toda a amostra em vapor, você pode causar involuntariamente uma combinação de vaporização e evaporação, resultando em fracionamento. Uma vez fracionada uma amostra de compostos mistos, ela não é mais adequada para análise.

Com o fracionamento, um cenário comum é que as moléculas mais leves evaporem primeiro e sigam em direção ao analisador, enquanto as moléculas mais pesadas permanecem na fase líquida. Mesmo que em algum ponto posterior do processo uma amostra fracionada pareça ser toda gasosa, a mistura não terá as mesmas proporções moleculares que tinha antes do fracionamento. Ele não representará mais com precisão o produto retirado da linha de processo. Ajustar as variáveis ​​do processo – temperatura, pressão e vazão – pode ajudar a garantir a vaporização adequada e um resultado analítico preciso.

Compreendendo a vaporização

Para vaporizar uma amostra, normalmente usa-se um regulador de vaporização, também chamado de vaporizador. Um vaporizador é um regulador de redução de pressão com capacidade de transferir calor para a amostra no local certo. A vaporização consiste em um processo de três etapas, como pode ser visto no diagrama abaixo. Primeiro, a amostra entra no regulador de vaporização como um líquido. Neste ponto, o líquido não deve estar fervendo.



Em segundo lugar, o líquido passa pela cavidade reguladora no regulador de vaporização, resultando em uma queda de pressão severa e repentina vaporizando o líquido. Ao mesmo tempo, o calor é aplicado, permitindo que o líquido vaporizado permaneça um vapor.

Terceiro, a amostra, agora um gás, sai do regulador de vaporização e viaja para o analisador para ser lida. Devido à transição imediata para a fase de vapor, a composição do gás é inalterada em relação à do líquido, garantindo uma leitura precisa.

Nesse processo delicado, são muitas as variáveis ​​ou insumos que determinam o sucesso ou o fracasso. Para os propósitos desta discussão, vamos nos concentrar em dois conjuntos principais de entradas.

O primeiro conjunto de entradas diz respeito à composição da amostra. Dependendo de sua composição, a amostra começará a borbulhar e terminará de vaporizar em diferentes pressões e temperaturas. Precisamos saber quais são essas pressões e temperaturas para gerenciar com sucesso o processo.

O segundo conjunto de entradas diz respeito às configurações que você controla em seu sistema de amostragem:pressão, temperatura e vazão. A pressão e a temperatura são controladas no vaporizador, enquanto o fluxo é controlado a jusante em um rotâmetro (fluxômetro de área variável) e válvula de agulha. Essas entradas são definidas com base no que sabemos sobre o primeiro conjunto de entradas. A vaporização adequada requer um equilíbrio delicado de cada entrada. Mesmo ao abordar a vaporização de maneira sistemática como essa, o processo requer algumas tentativas e erros.

Compreendendo a Amostra

A melhor maneira de entender o primeiro conjunto de entradas é com um diagrama de fases. Um diagrama de fase traça a pressão e a temperatura, mostrando em qualquer par de condições se uma substância será vapor, líquida ou sólida. As linhas indicam as interfaces entre duas fases.

O gráfico abaixo representa um diagrama de fases para 20 por cento de hexano em pentano. Quando a amostra está acima do ponto de bolha (linha azul), é toda líquida. A amostra deve estar toda líquida quando entrar no vaporizador. Quando a mistura está abaixo do ponto de orvalho (linha dourada), é tudo vapor. A amostra deve ser toda vapor quando sair do vaporizador.

Diagrama de fases mostrando 20% de hexano em pentano, com configurações de temperatura


Entre as linhas do ponto de bolha e do ponto de orvalho está a faixa de ebulição, ou “zona proibida” da amostra. Aqui, a mistura está em duas fases - parte líquida e parte vapor. Uma vez que uma amostra cai nessa faixa, ela é fracionada e não é mais adequada para análise.

Com amostras puras e quase puras, há pouca ou nenhuma faixa de ebulição. As linhas do ponto de bolha e do ponto de orvalho são quase sobrepostas umas sobre as outras. Amostras puras e quase puras serão convertidas em vapor da mesma composição, seja por evaporação ou vaporização. Algumas amostras industriais aproximam-se deste nível de pureza e convertem-se facilmente.

Por outro lado, algumas amostras têm uma faixa de ebulição tão ampla que não podem ser vaporizadas com sucesso. Não há como passar do lado do líquido para o lado do vapor da faixa de ebulição. As variáveis ​​– temperatura, vazão e pressão – não podem ser alteradas para evitar o fracionamento.

A maioria das amostras cai entre esses dois extremos. Por exemplo, no diagrama de fase da amostra, 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 passar efetivamente do lado do líquido para o lado do vapor da faixa de ebulição. Ao mesmo tempo, a banda é ampla o suficiente para que as variáveis ​​sejam cuidadosamente alteradas para evitar ter uma amostra na faixa de ebulição.

Configuração de temperatura, pressão e fluxo

A vaporização é um ato de equilíbrio entre as variáveis. O seguinte é um processo de quatro etapas para definir entradas para sua temperatura, pressão e vazão.

1. Determine a pressão de entrada no vaporizador. Essa pressão, que é fixa, é a pressão do processo, desde que o vaporizador esteja localizado próximo à torneira da amostra. Uma pressão mais alta é melhor porque permite uma temperatura mais alta do vaporizador, sem ferver o líquido que entra.
2. 
   Defina a temperatura de entrada. Existem dois objetivos ao definir a temperatura. Primeiro, a temperatura deve ser baixa o suficiente para que, quando a amostra entrar no vaporizador, seja inteiramente líquida e não borbulhe. No diagrama de fase de 20 por cento de hexano em pentano, o ponto de bolha a 4 bar é 88°C. Para permitir uma margem de erro na manutenção do estado líquido, escolha 80°C.
   
   O segundo objetivo é que a temperatura deve ser alta o suficiente para contribuir para a vaporização da amostra. Quando você vaporiza a 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 esteja na faixa de ebulição.
   
3. Defina a pressão de saída no vaporizador. O objetivo é diminuir a pressão abaixo da linha do ponto de orvalho do ouro. No diagrama de fases de exemplo, a pressão de saída é definida para 1,5 bar. Se a pressão de saída fosse maior neste exemplo, a amostra não se vaporizaria totalmente e não 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 também pode ser problemático, porque é necessário mais calor para vaporizar a amostra. Em outras palavras, alto fluxo resulta em maior queda de temperatura no momento da vaporização. No diagrama de fases de exemplo, a linha roxa ilustra a queda de temperatura. À medida que o fluxo aumenta, a linha roxa se inclina mais para a esquerda.

Outra variável que influencia a queda de temperatura é a capacidade de transferência de calor do vaporizador. Alguns vaporizadores são construídos para que o calor seja 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 com que eficiência o vaporizador pode substituir esse 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 muito calor e o vaporizador não pode transferir calor suficiente para acompanhar. A melhor solução é reduzir o fluxo.

A vaporização envolve alguma aproximação. Os engenheiros de serviço de campo da Swagelok podem ajudar sua equipe a determinar os vaporizadores adequados para seu sistema de amostragem específico. 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 aumentá-la do que começar com uma vazão mais alta.

Solução de problemas

Os diagramas de fase ajudam a aproximar as configurações de temperatura, pressão e vazão, mas ainda serão necessárias algumas soluções de problemas. Uma indicação segura de um problema é a baixa repetibilidade nos resultados do analisador. Abaixo, trazemos duas possibilidades quando a amostra está fracionada em vez de vaporizar, sendo o problema nº 1 o mais comum:

Problema nº 1

Apenas parte da amostra está sendo vaporizada. O líquido está passando pelo vaporizador e permanece na tubulação no lado a jusante. Eventualmente, ele evapora e extrai calor da tubulação circundante, tornando a tubulação fria ao toque ou causando a formação de geada ou gelo. O líquido no lado a jusante do vaporizador pode passar além da área do regulador e entrar em outros componentes, como medidores de vazão e filtros, onde pode causar danos consideráveis.

Solução nº 1

Para resolver esse problema, a melhor opção seria reduzir a vazão. Outra opção seria diminuir a pressão de saída do vaporizador, se possível. Uma terceira opção seria aumentar o calor do regulador, mas com o risco adicional de reduzir a vida útil do vaporizador e potencialmente causar o problema nº 2 (veja abaixo).

Problema nº 2

A amostra está fervendo na entrada do vaporizador. Está fracionando antes que possa ser vaporizado. Um indicador desse problema é que o tubo de entrada do vaporizador se contorce, às vezes violentamente, e os valores de medição oscilam. Moléculas mais leves evaporam e produzem uma grande nuvem de moléculas de vapor. Algumas dessas moléculas mais leves passam para o analisador, dando uma análise imprecisa. O restante cria uma “parede de vapor”, que empurra o líquido de volta ao processo. Uma parte dessa parede de vapor esfria e condensa. Finalmente, a amostra líquida se move novamente em direção ao vaporizador, onde as moléculas mais leves evaporam, iniciando o ciclo novamente. Eventualmente, as moléculas mais pesadas chegam ao vaporizador e seguem em direção ao analisador, dando uma análise totalmente diferente.

Solução nº 2

Para resolver esse problema, diminua a temperatura do vaporizador.

Conclusão

A vaporização de uma amostra líquida é um desafio. Em muitos sistemas de amostragem em todo o mundo, os vaporizadores estão constantemente fracionando amostras e enviando amostras não representativas para o analisador. Você pode aumentar drasticamente suas chances de sucesso usando um diagrama de fases da mistura específica de compostos do seu sistema. Você pode aumentar ainda mais sua taxa de sucesso entendendo o que está ocorrendo no processo – especificamente, sabendo quais são as variáveis ​​(temperatura, pressão e fluxo) e entendendo seu papel na influência do resultado do processo. Com esta estrutura em vigor, você pode alcançar as configurações certas, ajustando de acordo com os sinais e sintomas observados.