CAPITULO 1 ANALISIS ORSAT En este capitulo se describe el funcionamiento y detalles generales del estudio ORSAT, sus partes constitutivas y el proceso de operación dentro de los humerales de la caldera. Resaltando que este método de inspección requiere, un manejo muy profesional y responsable, ya que de este dependerá el correcto funcionamiento de nuestra caldera, y la eficiencia de trabajo de la misma. 1.1 DEFINICION ANALISIS ORSAT 1.1.1 Análisis de gases El control de los gases de combustión, tanto de consumo en fábrica, cuanto de los humos producto que se han de emitir a la atmósfera, es una operación importante de la ingeniería química. Las posibilidades de análisis de gases son muy amplias de manera que son muy útiles los aparatos para análisis de humos fundados en fenómenos puramente físicos, y especialmente los de lectura continua en instalaciones fijas. Para medidas de control discontinuas se dispone actualmente de instrumental muy útil y preciso, específico para el gas a medir, que por medio de una jeringa de reacción proporciona la lectura inmediata sin ninguna complicación analítica. De otro lado el mercado suministra equipos analíticos electrónicos, que proporcionan de manera continua, con presentación digital o gráfica el contenido concreto de interés. Con todo, el aparato clásico de Orsat sigue siendo el analizador tipo incluso para contrastar los métodos que no utilizan líquidos de absorción.
Es importante en las grandes industrias para la verificación de los aparatos físicos de análisis de humos, y en una industria pequeña que tenga planteados problemas de control o de emisiones, es el único aparato que interesa, aunque solo sea por su bajo precio y costo de mantenimiento. Muchos de los dispositivos utilizados para producir potencia mecánica parten del calor para lograr tal fin. Ejemplos son los motores de combustión interna, las plantas de vapor y las turbinas de gas. Una de las formas más económicas de generar este calor es a través de un proceso de combustión. Por supuesto que la cantidad de calor obtenida durante la combustión depende, entre otros factores, de la eficiencia con que se realice este proceso, por lo cual es conveniente hacerle seguimiento para poder corregir posibles problemas. Una forma es hallando la composición de los gases que se producen en el proceso, lo cual permite determinar si la combustión es completa o no, la cantidad de aire utilizada e, incluso, la composición aproximada del combustible que se está quemando. Un importante grupo de combustibles es aquél que está formado principalmente por carbono (C) e hidrógeno (H2), usualmente conocidos como hidrocarburos y denotados a través de la fórmula química CnHm.
1.1.2 La combustión
La combustión es la oxidación de todos aquellos componentes de un combustible capaces de ser oxidados y se representa por una ecuación química donde la masa de cada elemento permanece inalterable. La mayoría de los procesos de combustión se realizan con aire (oxígeno+nitrógeno+argón), ya que de esta forma el oxígeno no implica costo alguno. La composición del aire es 70.1% de nitrógeno, 20.9% de oxígeno, 0.9% de argón y 0.1% de otros gases. Normalmente el argón es considerado como nitrógeno y se desprecia la cantidad de otros gases, por lo cual la composición del aire puede simplificarse como 79% de nitrógeno y 21% de oxígeno. Esto quiere decir que cada kmol de oxígeno estará acompañado de 3.76 kmol de nitrógeno en el proceso de combustión. Una combustión es completa cuando todos los componentes del combustible capaces de ser oxidados, se oxidan por completo; y es incompleta cuando aparecen en
los productos trazas o restos de combustible, en forma del propio combustible (CnHm) o sus componentes oxidados parcialmente (CO, OH).
1.1.3 El aire teórico
El aire teórico es la mínima cantidad de aire capaz de suministrar el oxígeno suficiente para lograr la combustión completa de todos los componentes del combustible susceptibles de ser oxidados. En una combustión con el aire teórico no se obtiene oxígeno en los productos. Sin embargo en la realidad, debido a los problemas técnicos que implica conseguir una mezcla aire-combustible homogénea, suele usarse más aire del teórico, para así tratar de acercarse lo más posible a una combustión completa. La relación entre el aire real y el aire teórico es conocida como el porcentaje de aire teórico y la diferencia entre el aire real y el teórico como exceso o déficit de aire, según sea el caso.
1.1.4 Relación aire-combustible
Es la relación entre la masa o moles de aire y la masa o moles de combustible, y es lo que nos garantiza una buena combustión. 1.2 APARATO DE ORSAT El primer equipo de sus características se debe a Regnault y Reiset que lo presentaron a la J. Ch. Soc. De Londres en 1853, si bien su modificación por Fisher sirvió de base a Orsat en 1875 para su perfeccionamiento; y aunque a sufrido continuas y constantes modificaciones que mejoran la apreciación de los resultados, a mantenido el nombre de ese último investigador. Su uso se destina al análisis de componentes de una mezcla de gases de diversa naturaleza, aunque la aplicación más característica es la determinación de dióxido de carbono, oxígeno, hidrogeno, hidrocarburos pesados, metano, monóxido de carbono y nitrógeno. 1
1"ORSAT ", .wikibooks.org.
El Químico JUSTUS VON BARON, LIEBIG. Químico Alemán perfecciona el método de análisis orgánico, el elaboró un proceso de análisis cuantitativo orgánico de la combustión que fundamento las bases para que el químico M. ORSAT a finales del siglo XIX elaborara un dispositivo para el análisis de los productos de la combustión. Sin embargo antes del Aparato de Orsat existió (L’eudiometre) poseía fallas y errores tales como
el aparato de M. Regnault no poder controlar eficazmente
cambios de temperatura y presión, así dio paso al aparato de M. Orsat. Las muestras analizadas inicialmente eran productos de la combustión generados por chimeneas industriales, este aparato se prestaba mas para los laboratorios por su fácil manejo y control sobre determinadas condiciones. A través de los años el Aparato de Orsat fue de gran utilidad en la industria hasta que en la década de los sesenta se detiene la fabricación por parte de la casa FISHER. Entidad que desde entonces comienza a ofertar el Cromatógrafo de gases en sus catálogos. 1.2.1 Principio del analizador de gases Se trata de un análisis volumétrico restringido a la medición de volúmenes de gases. Un volumen medido de una mezcla de gases, a presión y temperatura conocidas, se somete a la acción de reactivos químicos selectivos absorbentes (para separar en procesos sucesivos los distintos constituyentes, cuyas cantidades se determinan al ser eliminados de la mezcla, por la disminución de volumen). Si no se dispone de un absorbente adecuado, (el metano), se puede mezclar con un exceso de otro gas (oxígeno), con el que reaccione químicamente, permitiendo determinar así el volumen que se produce. 1.2.2 Descripción del equipo El aparato se compone de una bureta con camisa de agua de 100 mL. de capacidad, conectada, mediante un tubo capilar múltiple a varios recipientes de absorción, que contienen sucesivamente diferentes soluciones absorbentes, y un horno de combustión que contiene un tubo de cuarzo, una resistencia eléctrica y un reóstato de
regulación. La bureta y el frasco del nivel con el cual esta unido, contienen agua débilmente acidulada y coloreada con un indicador (naranja de metilo). La muestra de gas se lleva al aparto pasando por una llave de tres vías.
1.2.3 Descripción de componentes a) Accesorios: Terminal de la rampa por donde entra el gas. Llave de paso con una salida posterior auxiliar utilizada para el purgado de las tuberías y del aparato. Bureta de 100mL. Graduada en 1/5. b) Cámaras. De borboteo, para absorber el anhídrido carbónico con solución de potasa cáustica al 30%. De contacto, para absorción de hidrocarburos pesados con agua de Bromo. De contacto, para la absorción de oxígeno con solución de pirogalato potásico. De borboteo, para la absorción del monóxido de carbono con solución de cloruro cuproso en ácido clorhídrico. Otra cámara de borboteo se utiliza para la solución agotada y otra para la solución reciente. c) Horno de combustión. Compuesto de un tubo de cuarzo, la resistencia eléctrica, el reóstato de regulación y la toma de corriente situada la derecha de la cámara. El conjunto tubo de cuarzo-resistencia va envuelto en un refrigerante de circulación de gas. d) Bureta.
Unida en su parte inferior, por medio de un tubo de goma a un frasco en el que se colocan aproximadamente 200 mL. De agua destilada ligeramente acidulada con sulfúrico y unas gotas de anaranjado de metilo para que el nivel sea mas visible. 1.2.4. Equipos y reactivos. El único equipo que se necesita es un frasco toma muestras, si la muestra no se ha de tomar directamente del foco emisor. Solución acuosa de potasa cáustica al 30% (para la absorción de dióxido de carbono). Agua de bromo. Preparar una solución de bromo en una solución de bromuro de potasico al 10%(para absorción de hidrocarburos saturados). Solución de pirogalato potásico. Solución de ácido pirogalico en potasa cáustica al 30% (para absorción del oxígeno). Solución de hiposulfito sódico (Opcional. Si no se dispone de la solución de pirogalato, y en sustitución de aquella). Disolver 125g. de hiposulfito sódico en una solución del 10% de hidróxido de sodio. No es estable. Solución de cloruro cuproso amoniacal. Disolver 75 g. de cloruro cuproso y 50g de cloruro de amonio en amoniaco. Completar hasta 1L. Se conserva con hilos de cobre en el interior. (Para determinación del monóxido de carbono). 1.2.5. Funcionamiento Dicho aparato consiste en una bureta graduada de cincuenta mililitros o cien ml, con escala de cero a cien, conectada por su parte inferior por medio de un tubo de goma a un frasco nivelador, y en su parte superior a tres (3) recipientes dobles que contienen sustancias apropiadas para absorber los tres gases objeto de la medición. Cada uno de los tres recipientes consisten en dos tubos anchos unidos por un tubo pequeño en forma de U, todos con una válvula que permite el paso y la salida del gas que es objeto de análisis; la bureta esta rodeada por un cilindro lleno de agua con el objeto de mantener la temperatura del gas.
FIGURA 1.1. Aparato Orsat En el primer recipiente se coloca una solución de hidróxido de sodio (33 gramos en 100 centímetros cúbicos de agua) esta absorbe el dioxido de carbono, en el segundo recipiente se coloca una mezcla de dos soluciones, (10 gramos de ácido pirogalico en 25
centímetros cúbicos de agua y potasa cáustica en la misma proporción que en el envase numero 1), esta mezcla absorbe el O2 (oxigeno); en el tercer recipiente se coloca cloruro cuproso (250 gramos de cloruro amonico en 750 centímetros cúbicos de agua y se agregan 250 gramos de cloruro cuproso); conviene colocar en el frasco que contiene los reactivos algunos tejidos de cobre para que haya mayor absorción. Los motores de combustión interna poseen varios cilindros en los motores equipados con carburador, solo una pequeña porción de combustible vaporizado se separan en el múltiple de admisión las gotas y se dirigen a los distintos cilindros, lo que se traduce en una variación de la relación aire- combustible, a su vez se origina en la entrada de cada uno de los cilindros una variación sustancial de la composición de los gases de escape, por esto es necesario realizar el análisis con diferentes muestras y luego promediar los resultados. Se puede observar en el manual de la casa FISHER, un aparato que posee dos pipetas de absorción mas una contiene un reactivo, ácido sulfúrico que se encarga de absorber CO, O, CO2 en caso de que reste algo en la muestra la otra pipeta se denomina pipeta de absorción de baja combustión, consiste en una resistencia graduada con un reóstato para que la luz sea de un amarillo brillante, esta pipeta se encarga de quemar los hidrocarburos no saturados al exponer la muestra
a la resistencia por un tiempo
determinado. 1.2.6. Precauciones en el uso del Orsat El aparato de Orsat no es un instrumento de precisión. En efecto, hay que tomar muchas precauciones para obtener resultados satisfactorios para fines de ingeniería. Un posible error en el análisis Orsat, es aquel ocurrido debido a las fugas en las líneas de transferencia y en el Orsat mismo, es necesario el uso de válvulas de vidrio esmerilado, aunque estos son difíciles de mantener herméticos. Para minimizar las fugas en los grifos deben cubrirse de una ligera capa de grasa especial y apretar fuertemente contra sus asientos al moverlos. Estas conexiones deben examinarse frecuentemente para comprobar si están bien ajustadas y no tienen ralladuras. El Orsat puede probarse admitiendo y midiendo cierta cantidad de aire, por ejemplo, de 90 a 100 ml se eleva la botella de nivelación para someter el aire a presión y
se le mantiene en esta posición elevada durante unos 10 minutos o más, se vuelve a medir la cantidad de aire en la bureta, comparándola con la medición original de admisión; si ha habido una disminución es que hay una fuga y habrá que investigar sus orígenes. Este método no pone en evidencia las fugas que se producen en el lado de los reactivos de los grifos de las pipetas, normalmente hay un pequeño grado de vacío en las pipetas de los reactivos. También hay que tener especial cuidado con los reactivos por cuanto su capacidad de absorción disminuye con el tiempo. 1.2.7. Cálculos fundamentados en el análisis Orsat Los componentes son removidos por absorción directa en el siguiente orden: dioxido de carbono, hidrocarburos no saturados, oxígeno y monóxido de carbono. Lo que resta en la muestra es hidrogeno e hidrocarburos saturados, por lo tanto el cálculo del porcentaje absorbido se determina en la siguiente ecuación según el catalogo de la casa FISHER:
%componente
( decremento..en..el..volumen) * 100 ( muestra..de..volumen)
1.2.8. Cromatografía “Técnica de separación e identificación utilizada en el análisis químico, tanto cualitativo como cuantitativo” 2 La cromatografía permite en efecto, separar y reconocer los diversos componentes de soluciones y mezclas gaseosas. El cromatógrafo de gases es la herramienta técnica empleada para estos fines. 1.2.9 Empresa fabricante
2 Enciclopedia de la Técnica y de la Mecánica. Tomo 3, 1981, Pág. 137.
La
“FICHER
SCIENTIFIC
COMPANY”
PITTSBURGH,
PENNSYLVANIA en su división para construcción de instrumentos, es la encargada del diseño y ensamble de estos equipos, el Aparato Orsat en todas sus variedades, aunque en una revisión de un catalogo de ventas del año 1992 ya no aparece oferta de este aparato, esta casa matriz ahora se encarga de la fabricación de los cromatógrafos de gases instrumento mucho mas sofisticado que el ORSAT. Se encontró en una reseña bibliográfica que esta casa había dejado de fabricar el aparato de Orsat a finales de la década de los 60. 1.2.9.1 Modelos de aparato Orsat: Los modelos de aparato Orsat tienen en común la mayoría de sus componentes conformado por: a) Manifold. b) Pipetas de gas o pipetas capilares. c) Camisa de agua. d) Botella niveladora. e) Bolsas de gas. f) Tubería de goma. Varían es en el numero de pipetas a usar y en los reactivos contenidos en estas pipetas, es decir aparte de medir CO2, CO, O
hay modelos que miden
los
hidrocarburos no saturados con una pipeta extra cuyo contenido es ácido sulfúrico, el APARATO ORSAT también mide a través de la pipeta de combustión lenta CO2,
O,
HIDROCARBUROS
NO
SATURADOS,
Y
OTROS
(CO,
GASES
COMBUSTIBLES NO QUEMADOS). La pipeta de combustión lenta es una ampolla con una resistencia que posee un reóstato para regular la temperatura de esta. 1.3. PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO Los productos a analizar corresponden a los gases producidos por un motor de combustión interna. Los pasos a seguir para el manejo del Orsat son los siguientes:
a) Llevar el nivel de los reactivos en las distintas pipetas hasta las marcas grabadas en los cuellos, lo cual se hace abriendo el grifo de cada pipeta con la botella de nivelación en una posición elevada y bajando luego lentamente la botella hasta que el reactivo alcance el nivel correcto. b) Purgar la manguera de recoger la muestra, el múltiple y la bureta medidora con el gas objeto de análisis. Para ello conectar la manguera al tubo de escape del motor, abrir la válvula V-1, succionar gases bajando la botella niveladora, cerrar la válvula V-1 y abrir la V-5 y expulsar los gases subiendo la botella niveladora. Repetir esta operación cinco veces. c) Tomar la muestra definitiva (algo más de 100 ml) abriendo la válvula V-1 y bajando la botella niveladora. Cerrar la válvula. d) Elevar la botella niveladora hasta que el menisco se nivele con la lectura de 100 ml. En este momento estrangular la manguera de la botella niveladora con una pinza, abrir y cerrar la válvula V-5, quitar la pinza, igualar los niveles de líquido en la bureta y la botella y verificar que la lectura sea 100 ml. En este momento se tienen 100 ml de gases a temperatura ambiente y presión atmosférica, lo cual permitirá leer directamente porcentajes. e) Absorber los componentes de la muestra en este orden: CO2, O2 y CO. Para ello, elevar la botella niveladora para ejercer una ligera presión sobre la muestra, abrir la válvula correspondiente (V-4, V-3 o V-2) para comunicar los gases con el reactivo, subir la botella para forzar los gases a entrar en la pipeta del reactivo, regresar la muestra a la bureta bajando la botella, llevar el reactivo al nivel de referencia y cerrar la válvula de acceso. f) Igualar los niveles del líquido en la bureta y la botella y tomar la lectura. Repetir el procedimiento anterior con cada reactivo hasta que no se detecte cambie de volumen. Esto indica que se absorbió todo el gas, ya sea CO2, O2 o CO.
FIGURA 1.2 Variación del rendimiento en función de la temperatura de humos a diferentes excesos de aire, combustible Fuel oil
FIGURA 1.3 Análisis orsat en combustión Fuel-Oil
FIGURA 1.4 Ahorro de combustible por disminución de exceso de aire
