El analizador en un sistema analítico requiere gas pero la
muestra es líquida. Este proceso se denomina vaporización o vaporización flash.
El objetivo es convertir una muestra de todos los líquidos en vapor
instantáneamente, sin cambiar la composición.
No es fácil vaporizar una muestra, ni es siempre posible,
así que estaremos seguros que es realmente necesario y posible antes de
intentarlo. Siempre analizaremos un líquido en una fase líquida a menos que
haya fuertes motivos para analizarlo en una fase de vapor.
En una muestra mixta, la evaporación permitirá que algunos
componentes se evaporen antes que otros, dando como resultado el
fraccionamiento. La vaporización, hecha apropiadamente, asegura que todos los
compuestos vaporizan al mismo tiempo, preservando la composición de la muestra.
Sin embargo, es posible hacer cosas equivocadas con la
vaporización. En vez de flashing toda la muestra en vapor, podemos sin
intención causar una combinación de vaporización y evaporación. El resultado
será el fraccionamiento. Una vez que una
muestra de compuestos mixtos se fracciona, no son convenientes para el
análisis. Con el fraccionamiento, un escenario común es que las moléculas más
ligeras se evaporan primero y se desplazan hacia el analizador, mientras que
las moléculas más ligeras quedan detrás de la fase líquida.
Incluso si algún punto posterior en el proceso aparece una
muestra fraccionada, la mezcla no tendrá la misma proporción molecular que
antes del fraccionamiento. Por lo tanto no representará exactamente el producto
tomado de la línea de proceso.
En este artículo vamos a hablar del proceso de vaporización
y cómo podemos manipular las variables (temperatura, presión y caudal, para
asegurar que podemos manipular las variables (temperatura, presión y caudal)
para asegurar una vaporización más apropiada y unos resultados analíticos
exactos.
El proceso de
vaporización
Para vaporizar una muestra, típicamente se usa un regulador
de vaporización, también llamado vaporizador, que es un regulador reductor de
presión con la capacidad para transferir el calor a la muestra en la
localización correcta.
La vaporización consiste en un proceso en tres etapas.
Primero la muestra entra al vaporizador como líquido. En este punto, el líquido
no burbujea o se vaporiza.
En segundo lugar, el líquido pasa a través del orificio de
regulación en el vaporizador, dando como resultado una severa y repentina caída
de presión, que vaporiza el líquido. Al mismo tiempo, se aplica calor, lo que
permite al líquido vaporizado quedar como vapor.
En tercer lugar, la muestra, ahora como gas, existe en el
vaporizador y se desplaza al analizador para ser leída. Debido a la transición
inmediata a la fase de vapor, la composición del gas queda sin cambio desde el
líquido, asegurando una lectura exacta.
En este proceso delicado, hay muchas variables o entradas
que determinan éxito o fallo.
La primera de estas preocupaciones de entrada es la
composición de la muestra. Dependiendo de la composición de la muestra,
comenzará a burbujear y acabará vaporizando a diferentes presiones y
temperaturas. Necesitamos saber que estas presiones y temperaturas gestionarán
el proceso con éxito.
La segunda serie de preocupaciones sobre las variables de
entrada que debemos controlar en el sistema de muestreo son: presión,
temperatura y caudal. La presión y temperatura son controladas en el
vaporizador, mientras que el caudal es controlado aguas abajo en un rotámetro
(medidor de caudal de flujo de área variable) y válvula de aguja. Normalmente
configuraremos estas entradas basándonos en lo que conocemos de la primera
serie de variables. La vaporización apropiada requiere un equilibrio delicado
de todas las entradas.
Incluso cuando la aproximación de vaporización se realiza de
una forma sistemática como ésta, el proceso requiere ensayo y error.
Entendiendo la
muestra
La mejor forma de comprender una serie de variables de
entrada es con un diagrama de fase. Un diagrama de fase representa presión y
temperatura, mostrando cualquier paraje de condiciones si una sustancia se
transforma en vapor, líquido o sólido. Las líneas indican las interfaces entre
las dos fases.
La mayoría de los diagramas de fase para la mayoría de los
gases puros están disponibles en internet (por ejemplo
enciclopedia.airliquide.com). Pero los diagramas para mezclas de gases son muy
difíciles de crear sin software comercial.
En un diagrama para una mezcla de gases, cuando la muestra
está por encima del burbujeo, todo es líquido. Desearemos que la muestra sea
toda líquida cuando entra en el vaporizador. Cuando la mezcla está por debajo
del punto del punto de rocío, todo es vapor. La muestra debe ser todo vapor
cuando deja el vaporizador.
Entre las líneas del burbujeo y el punto de rocío está la
denominada zona no-go. Este zona es el rango de vaporización de la muestra.
Aquí, la mezcla está en dos fases, parte líquida y parte vapor. Una vez que una
mezcla cae en la zona no-go, es fraccionada y no es conveniente para el
análisis. El objetivo en la vaporización es disponer de una temperatura, caudal
y presión de forma que la mezcla salte instantáneamente del lado del líquido de
la zona no-go al lado de vapor de la zona no-go.
Con muestras puras y casi puras, hay poco o ningún rango de
vaporización o zona no-go. Las líneas del punto de burbujeo y punto de rocío
están en la parte superior cada una de la otra o próximas. En realidad, las
muestras puras y casi puras convertirán a vapor de la misma composición, ya sea
a través de la evaporación o vaporización. Algunas muestras industriales se
aproximan a este nivel de pureza y las convierten fácilmente.
Por otra parte, algunas muestras tienen tal amplio rango de
vaporización o no tienen zona no-go que no pueden vaporizarse con éxito. No hay
forma de saltar del lado del líquido de la zona no-go al lado de vapor de la
zona no-go. Somos incapaces de manipular las variables (temperatura, caudal y
presión) de tal forma que eludamos el fraccionamiento. La mayoría de las
muestras caen entre estos dos extremos.
Configurando
temperatura, presión y caudal
En general, en la entrada, desearemos alta presión y baja
temperatura. En la salida, deseamos alta temperatura y baja presión. Pero hay
límites sobre cómo pueden ser estos parámetros altos y bajos. Pero hay límites
sobre como de altos y bajos estos parámetros pueden ser, y no todos ellos están
bajo nuestro control completamente.
La vaporización es básicamente un acto de equilibrio entre
las variables.
A continuación indicamos un proceso en cuatro pasos:
- Determinar la presión de entrada en el vaporizador: Esta presión, que es fija, es la presión del proceso, probado que el vaporizador está localizado cerca del tap de la muestra. Una alta presión es mejor debido a que permite mantener la temperatura del vaporizador más alta sin vaporizar el líquido de entrada.Configurar la temperatura de entrada, o la temperatura del vaporizador. Hay dos objetivos. Primero, la temperatura debe ser lo suficientemente baja como para que la muestra entre en el vaporizador. El segundo objetivo es que la temperatura debe ser lo bastante alta como para contribuir al flashing completo de la muestra, asegurando que sólo vapor deja el vaporizador. Cuando vaporizamos la muestra la temperatura cae, en conformidad con las leyes de conservación de la energía. La temperatura de la muestra debe ser bastante alta en el comienzo de forma que después de la caída de presión, la muestra no está en el rango de vaporización o en la zona no-go.
- Configurar la presión de salida en el vaporizador: El objetivo es dejar caer la presión por debajo de la línea de punto de rocío. Si la presión de salida es más alta, la muestra no vaporizaría completamente. Se fraccionaría.
- Configurar el caudal: El caudal se configura aguas abajo en una válvula y rotámetro, no en el vaporizador. En un sistema de muestreo, alto caudal de vapor es deseable debido a que mueve la muestra al analizador más rápidamente. Sin embargo, puede ser problemático, debido a que con un alto caudal se requiere más calor para vaporizar la muestra. Cuanto más calor se extrae de la muestra, menos temperatura cae durante la vaporización.
Bibliografía:
How to manage vaporization in an analytical system. Hidrocarbon processing.
January 2012
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