Menggunakan Diagram Fasa untuk Kurva Tekanan Uap

Menggunakan Diagram Fasa untuk Kurva Tekanan Uap

Karim Mahraz, Manajer Produk Swagelok, Instrumentasi Analitik

Sementara diagram fase terutama digunakan oleh ahli kimia di lingkungan laboratorium, alat ini dapat sangat berguna bagi insinyur mesin dan manajer pabrik yang ditugaskan untuk analisis sampel. Dalam beberapa sistem analitik, sampel cair harus diubah menjadi gas melalui penguapan sebelum dapat dianalisis. Penguapan pada dasarnya adalah tindakan penyeimbangan antara variabel suhu, tekanan dan aliran - dan kurva tekanan uap diagram fase memungkinkan para insinyur untuk mengidentifikasi perubahan fase untuk bahan dan senyawa kimia yang berbeda.

Saat Anda membaca, campuran gas hipotetis dari 20% heksana dalam pentana akan diterapkan sebagai diagram fase lengkap (lihat diagram di bawah). Ketika sampel berada di atas titik gelembung (garis biru), itu akan sepenuhnya dalam fase cair. Sampel harus tetap dalam keadaan cair saat memasuki alat penguap. Ketika sampel berada di bawah titik embun (garis emas), semuanya berupa uap. Sampel harus semua uap saat meninggalkan alat penguap.

Di antara garis titik gelembung dan titik embun adalah "zona larangan bepergian". Zona ini mewakili rentang didih sampel. Di sini, campuran berada dalam dua fase:sebagian cair dan sebagian uap. Setelah sampel jatuh ke zona larangan, sampel difraksinasi dan tidak lagi cocok untuk analisis. Tujuan dari penguapan adalah untuk mengatur suhu, aliran dan tekanan sehingga sampel melompat secara instan dari sisi cair zona larangan ke sisi uap. Dengan sampel murni dan hampir murni, ada sedikit atau tidak ada rentang didih atau zona larangan pergi. Titik gelembung dan garis titik embun hanya berada di atas satu sama lain atau hampir sama.

Sampel murni dan hampir murni akan berubah menjadi uap dengan komposisi yang sama, baik melalui penguapan atau penguapan. Beberapa sampel industri mendekati tingkat kemurnian ini dan mengubahnya dengan cukup mudah. Di sisi lain, beberapa sampel memiliki rentang didih yang luas atau zona larangan pergi sehingga tidak dapat berhasil diuapkan. Tidak ada cara bagi sampel tersebut untuk melompat dari sisi cair zona larangan pergi ke sisi uap. Dalam hal ini, variabel tidak dapat dimanipulasi untuk menghindari fraksinasi.

Dalam diagram yang ditunjukkan di atas, pita antara titik gelembung dan titik embun cukup sempit sehingga dengan pengaturan yang tepat, sampel dapat secara efektif melompat dari sisi cair zona larangan pergi ke sisi uap. Pada saat yang sama, pita dalam diagram cukup lebar sehingga seseorang tidak boleh ceroboh.

Mengatur Suhu, Tekanan, dan Aliran

Melanjutkan bekerja dengan sampel dalam diagram (20 persen heksana dalam pentana), input perlu diatur dengan terampil untuk memastikan penguapan yang berhasil. Secara umum, tekanan tinggi dan suhu rendah diperlukan di saluran masuk. Sebaliknya, di outlet, suhu tinggi dan tekanan rendah diperlukan. Ada batasan seberapa tinggi dan rendah parameter ini, dan tidak semua batasan dapat dikontrol.

1. Tentukan Tekanan Masuk pada Vaporizer Anda

Tekanan masuk, yang tetap, adalah tekanan proses—asalkan alat penguap terletak di dekat keran sampel. Dalam contoh diagram, tekanan itu adalah 4 bar. Tekanan yang lebih tinggi lebih baik karena memungkinkan vaporizer untuk menjaga suhu lebih tinggi tanpa mendidihkan cairan yang masuk.

2. Atur Suhu Masuk

Saat mengatur suhu saluran masuk, ada dua tujuan. Pertama, suhu harus cukup rendah sehingga ketika sampel memasuki alat penguap, itu sepenuhnya cair. Dalam contoh diagram, titik gelembung pada 4 bar adalah 88°C. Untuk menjaga dari fraksinasi, yang terbaik adalah memilih angka bulat yang cukup jauh dari 88°C untuk menghindari zona larangan. Contoh suhu yang aman bisa menjadi 80 ° C.

Tujuan kedua adalah menjaga suhu cukup tinggi untuk berkontribusi pada flashing sampel yang lengkap—memastikan hanya uap yang keluar dari alat penguap. Saat menguapkan sampel, suhu turun sesuai dengan hukum kekekalan energi. Suhu sampel harus cukup tinggi di awal sehingga setelah penurunan tekanan sampel tidak jatuh di zona larangan. Dalam diagram contoh, suhu uap setelah penurunan tekanan adalah 60°C—tepat di sisi uap dari garis titik embun.

3. Atur Tekanan Outlet

Saat mengatur tekanan keluar, tujuannya adalah untuk menurunkan tekanan di bawah garis titik embun. Dalam contoh diagram, tekanan keluar diatur ke 1,5 bar. Jika tekanan keluar lebih tinggi, sampel tidak akan menguap seluruhnya dan akan terfraksinasi.

4. Atur Alur

Aliran diatur ke hilir pada katup dan rotameter, bukan pada alat penguap. Dalam sistem pengambilan sampel, aliran uap yang tinggi diinginkan karena memindahkan sampel ke penganalisis lebih cepat. Namun, aliran tinggi dapat menjadi masalah karena lebih banyak panas diperlukan untuk menguapkan sampel. Dengan kata lain, aliran tinggi menghasilkan penurunan suhu yang lebih besar pada saat penguapan. Dalam contoh diagram, garis ungu menggambarkan penurunan suhu. Saat aliran meningkat, suhu turun tajam.

Variabel lain yang mempengaruhi penurunan suhu adalah kemampuan perpindahan panas dari alat penguap. Beberapa alat penguap dibangun sedemikian rupa sehingga perpindahan panas lebih efisien ke sampel. Ketika sampel cair berubah menjadi uap dan suhunya turun, ia menarik panas dari baja tahan karat yang mengelilinginya. Pertanyaan kritisnya adalah seberapa efisien alat penguap dapat menggantikan panas dan menjaganya tetap mengalir ke sampel. Semakin banyak panas yang dapat diambil sampel, semakin sedikit suhunya turun selama penguapan. Dalam beberapa kasus, mungkin saja alat penguap menjadi panas saat disentuh di bagian luar tetapi dingin di bagian dalam. Itu karena sampel yang diuapkan menarik panas dalam jumlah besar dan alat penguap tidak dapat mentransfer energi yang cukup untuk mengimbanginya. Solusi terbaik adalah mengurangi aliran.

Singkatnya, penurunan suhu yang divisualisasikan dalam diagram adalah produk dari laju aliran dan kemampuan perpindahan panas alat penguap. Dengan kualitas vaporizer yang baik dan flow rate yang rendah, garis pada diagram akan menjadi lebih vertikal. Sayangnya, tidak ada cara mudah untuk menghitung lokasi yang tepat dari penurunan suhu dalam diagram fase, dan tidak dapat dihasilkan oleh program perangkat lunak yang dikenal. Akibatnya, penguapan melibatkan beberapa pendekatan. Sebagai aturan praktis, pertahankan laju aliran serendah mungkin tanpa menyebabkan penundaan yang tidak dapat diterima dalam waktu tempuh sampel ke penganalisis. Lebih baik memulai dengan laju aliran rendah dan bereksperimen dengan meningkatkannya daripada memulai dengan laju aliran yang awalnya lebih tinggi.

Untuk bantuan tambahan dengan instrumentasi analitik dan praktik terbaik sistem pengambilan sampel menggunakan diagram fase kurva tekanan uap, silakan hubungi pusat penjualan dan layanan Swagelok setempat.