IDEAS PARA INCORPORAR UN MECANISMO DE PISTON

CONDICIONES LÌQUIDO VAPOR.

Se presentan los bosquejos de propuestas y su respectivo análisis. • Primera Propuesta

Ilustración 5 Primera Propuesta

Esta propuesta estaba totalmente basada en lograr la operación isotérmica del sistema, manipulando la presión con el cilindro, a través de un sistema eléctrico,

neumático o mecánico. La concepción es similar a la que se encuentra actualmente en la Universidad Nacional23, con la diferencia que en lugar de que el desplazamiento del pistón fuera libre, para determinar el equilibrio variando la temperatura, como se hace con ese equipo, se concibió la idea de poder manipular el pistón, para no variar la temperatura.

Esta idea, era de complicada implementación, debido a la dificultad de operar el pistón cilindro en esa posición, si no fuera a través de un sistema de motor, que probablemente resultaría más caro, por la potencia para poder generar vacío, o sobre presionar el sistema. Bajo este esquema, la seguridad del equipo era complicada, puesto lo más seguro es que el sistema necesitara de agitación, a la vez de calentamiento. La posibilidad de trabajar con baño termostatado, hacía mas complejo su funcionamiento, siendo igual de sensible a las fugas que el equipo realizado en la Universidad Nacional7.

• Segunda Propuesta

Esta propuesta se basó en la idea de acoplar el sistema dinámico de reflujo de la fase vapor, al sistema pistón cilindro de forma directa. Dentro de las ventajas de este acople, se tuvieron en cuenta aquellas relacionadas con poder recircular el condensado sin que esta se evapore por acción de contacto con el vapor saliente. Este proceso de acuerdo a Othmer (1946) permite que el líquido no pierda buena parte de la sustancia más volátil manteniendo la concentración del líquido lo más constante posible hasta mantener las condiciones necesarias para que se genere el equilibrio con la fase vapor, la cual también debe tener una composición cercana a la constante, despreciando la cantidad recogida para muestra.

Dentro de los problemas que se identificaron para este equipo fueron, el tamaño de más de 500ml que implicaba el uso de una buena parte de reactivos, la cantidad de muestra de condensado era grande comparada con lo que se necesitaba lo cuál podría generar desviaciones apreciables, el cilindro tendría que ser lo suficientemente grande puesto que el total de aire en el sistema era apreciable, por último el sistema no mostraba ser lo suficientemente flexible por su tamaño y sus conexiones que debían ser en vidrio.

• Tercera Propuesta

Después de las distintas propuestas como solución a este reto se presento un prototipo compuesto por un sistema dinámico de equilibrio líquido vapor, acoplado a un sistema pistón cilindro de forma independiente. El esquema se presenta en la Ilustración 7.

El sistema dinámico se decidió en vidrio con el fin de tratar todo tipo sistemas de distinta naturaleza, y su diseño correspondió íntegramente a la asimilación del sistema PYREX que se usa actualmente para la práctica de equilibrio líquido- vapor que se realiza en el laboratorio de termodinámica. La principal ventaja encontrada en este equipo era su tamaño reducido. Por otra parte tenía una sola vía corta para el flujo de vapor al condensador, y el reflujo de condensado, lo cual en teoría no era una buena idea, puesto que tan pronto como el condensado

tuviera contacto con el vapor saliente, habría una evaporación flash, sin embargo esto no parecía que sucediera durante las prácticas en el laboratorio. A la conclusión que se llegó, es que si bien puede que haya evaporación flash, la acumulación de vapor en el condensador produce un flujo de condensado suficiente como para que este fenómeno no se realice al cabo de unos minutos, pues se supone que las primeras gotas de condensado en reflujo son más factibles de evaporación y acumulan el vapor de la sustancia más volátil en el hasta que el contenido es suficiente para producir un flujo en masa que no es susceptible a la evaporación flash.

Ilustración 7 Esquema general del diseño.

El acople del pistón-cilindro al final del condensador, luego de una trampa de vapor y una válvula de corte, se pensó con el fin de generar el vacío a través de la expansión del aire contenido dentro del sistema dinámico, antes de aislarlo del ambiente completamente. La trampa de vapor ha de asegurar que no se traslade de un lado a otro parte de la solución, en vapor o en líquido, sin embargo aunque

esto pase, no habrá problema si llega al cilindro pues todo este sistema se encuentra aislado del exterior.

La idea del procedimiento de compresión o expansión volumétrica del gas se basó en dos procesos que en serie, deben llevar a una caída o subida de presión sin otro efecto en el sistema. El primer proceso para el caso de provocar vacío, sería llevar el gas a una pequeña expansión volumétrica, con el efecto de una caída neta en presión y en temperatura, en seguida, se llevaría a cabo un calentamiento espontáneo hasta la restitución de la temperatura inicial y un pequeño ascenso de la presión, el resultado neto de ambos procesos debe ser una caída neta en la presión, una expansión volumétrica y ningún cambio neto en temperatura. El proceso para la compresión del gas para generar mayor presión en el sistema debe ser el inverso al descrito aquí, es decir una compresión del gas que lleva consigo un aumento en temperatura y presión, un enfriamiento espontáneo con una leve caída en presión, pero al final, una caída neta en presión, una compresión del gas y un cambio no apreciable en la temperatura.

El tamaño de la cámara de toma de muestras del equipo PYREX original fue otro factor positivo acerca de la escogencia de este como el diseño para la parte dinámica, debido a que su reducido tamaño genera pocas desviaciones en los datos al no retirar una fracción apreciable del sistema. Por otra parte dado que la determinación de concentraciones es física, mediante el índice de refracción, no se necesita un tamaño de muestra más allá de un milímetro.

El tamaño reducido del balón de destilación, incide de forma positiva en la eliminación de un gradiente de temperaturas en la cámara, lo cuál posibilita que todo el líquido y gas se encuentren lo mejor posible en las mismas condiciones de temperatura y presión. El tamaño permite que se formen las primeras burbujas de vapor de forma homogénea, haciendo que la relación líquido en ebullición – condensado sea mejor para un volumen de muestra más rápido. Otra ventaja en el tamaño del balón es que es menos factible la presencia de un gradiente de concentraciones, que incidan sobre el tiempo para que el sistema alcance el equilibrio, o para al final recoger muestras del balón.

5.3 CÁLCULOS DE DISEÑO, ESPECIFICACIONES DE

CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO POR COMPONENTES

5.3.1 SISTEMA DINÁMICO

El proceso para la definición de las características del sistema dinámico se produjo bajo la observación de otros equipos tal como se explicó en la sección anterior, hasta finalmente llegar a la decisión de reproducir el equipo PYREX existente en el laboratorio.

Para este proceso se contacto con el encargado de soplado en vidrio de la empresa NOC de Colombia LTDA quien tomo las medidas y se encargo de la construcción.

Nombre Equipo de Equilibrio en Vidrio

Constructor Noc de Colombia LTDA

Material Vidrio en Boro Silicato

Presión de Operación 0 -1,2 Bar

Temperatura - 200 hasta 200ºC (Recomendado)

Partes Balón de 100ml.

Cámara de condensado con válvula. Condensador de 50cm.

Trampa de Vapor. Pinzas de seguridad.

Tabla 1 Especificaciones del Equipo en Vidrio