Memanfaatkan Diagram Fase untuk Memprediksi Kurva Tekanan Uap dengan Akurat

Menggunakan Diagram Fase untuk Kurva Tekanan Uap

Karim Mahraz, Manajer Produk Swagelok, Instrumentasi Analitis

Sedangkan diagram fase terutama digunakan oleh kimiawan di lingkungan laboratorium, alat ini dapat sangat berguna untuk insinyur mekanik dan manajer pabrik yang ditugaskan dengan analisis sampel. Dalam beberapa sistem analitis, sampel cair harus dikonversi menjadi gas melalui uapasi sebelum dapat dianalisis. Uapasi pada dasarnya adalah keseimbangan antara suhu, tekanan dan variabel aliran—dan kurva tekanan uap diagram fase memungkinkan insinyur untuk mengidentifikasi perubahan fase untuk material dan senyawa kimia yang berbeda.

Saat Anda membaca, campuran gas hipotesis 20% heksana dalam pentana akan diterapkan sebagai diagram fase lengkap (lihat diagram di bawah). Saat sampel di atas titik busuk (garis biru), sampel akan sepenuhnya dalam fase cair. Sampel harus tetap dalam keadaan cair saat masuk ke vaporizer. Saat sampel di bawah titik embun (garis emas), sampel adalah sepenuhnya uap. Sampel harus sepenuhnya uap saat keluar dari vaporizer.

Di antara garis titik busuk dan titik embun adalah "zona larangan." Zona ini mewakili range didihan sampel. Di sini, campuran dalam dua fase: sebagian cair dan sebagian uap. Setelah sampel jatuh ke zona larangan, sampel terfeksi dan tidak lagi cocok untuk analisis. Tujuan uapasi adalah untuk mengatur suhu, aliran dan tekanan sehingga sampel melewati secara instan dari sisi cair zona larangan ke sisi uap. Dengan sampel murni dan hampir murni, tidak ada range didihan atau zona larangan yang signifikan. Garis titik busuk dan titik embun cukup bergeser satu sama lain atau hampir demikian.

Sampel murni dan hampir murni akan berkonversi menjadi uap dengan komposisi yang sama, baik melalui evaporasi atau uapasi. Beberapa sampel industri mendekati tingkat kemurnian ini dan berkonversi dengan cukup mudah. Di sisi lain, beberapa sampel memiliki range didihan atau zona larangan yang begitu luas sehingga tidak dapat diuapkan dengan sukses. Tidak ada cara untuk sampel tersebut untuk melewati dari sisi cair zona larangan ke sisi uap. Dalam hal ini, variabel tidak dapat dimanipulasi untuk menghindari fraksinasi.

Dalam diagram yang ditunjukkan di atas, selang antara titik busuk dan titik embun sempit cukup sehingga dengan pengaturan yang tepat, sampel dapat secara efektif melewati dari sisi cair zona larangan ke sisi uap. Pada saat yang sama, selang dalam diagram cukup luas sehingga seseorang tidak dapat memilah sembarangan.

Mengatur Suhu, Tekanan dan Aliran

Melanjutkan bekerja dengan sampel dalam diagram (20 persen heksana dalam pentana), input perlu diatur secara terampil untuk memastikan uapasi yang sukses. Secara umum, tekanan tinggi dan suhu rendah diperlukan di inlet. Sebaliknya, di outlet, suhu tinggi dan tekanan rendah diperlukan. Ada batasan seberapa tinggi dan rendah parameter ini dapat diatur, dan tidak semua kendala dapat dikendalikan.

1. Tentukan Tekanan Inlet di Vaporizer Anda

Tekanan inlet, yang tetap, adalah tekanan proses—asalkan vaporizer terletak dekat titik ambil sampel. Dalam diagram contoh, tekanan tersebut adalah 4 bar. Tekanan tinggi lebih baik karena memungkinkan vaporizer untuk mempertahankan suhu lebih tinggi tanpa mendidihkan cairan masuk.

2. Atur Suhu Inlet

Saat mengatur suhu inlet, ada dua tujuan. Pertama, suhu harus cukup rendah sehingga saat sampel memasuki vaporizer, sampel sepenuhnya dalam bentuk cair. Dalam diagram contoh, titik busuk pada 4 bar adalah 88°C. Untuk menjaga dari fraksinasi, terbaik untuk memilih angka bulat yang cukup jauh dari 88°C untuk menghindari zona larangan. Suhu contoh yang aman bisa 80°C.

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

3. Atur Tekanan Outlet

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

4. Atur Aliran

Aliran diatur di downstream di klep dan rotameter, bukan di vaporizer. Dalam sistem pengambilan sampel, aliran uap tinggi diinginkan karena memindahkan sampel ke analyzer 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 uapasi. Dalam diagram contoh, garis ungu mengilustrasikan penurunan suhu. Semakin meningkat aliran, suhu menurun secara tajam.

Variabel lain yang mempengaruhi penurunan suhu adalah kemampuan transfer panas vaporizer. Beberapa vaporizer dibangun sedemikian rupa sehingga panas transfer lebih efisien ke sampel. Saat sampel cair berkonversi menjadi uap dan suhunya menurun, sampel menarik panas dari stainless steel di sekelilingnya. Pertanyaan krusial adalah seberapa efisien vaporizer dapat mengganti panas tersebut dan terus mengalirkan ke sampel. Semakin banyak panas yang dapat ditarik sampel, semakin sedikit suhunya menurun selama uapasi.

Dalam beberapa kasus, mungkin vaporizer terasa panas di luar namun dingin di inti dalam. Itu karena sampel yang diuapkan menarik banyak panas dan vaporizer tidak dapat mentransfer cukup energi untuk mengejar. Solusi terbaik adalah untuk mengurangi aliran.

Secara keseluruhan, penurunan suhu yang divisualisasikan dalam diagram adalah hasil dari laju aliran dan kemampuan transfer panas vaporizer. Dengan vaporizer berkualitas baik dan laju aliran rendah, garis dalam diagram akan menjadi lebih vertikal. Sayangnya, tidak ada cara mudah untuk menghitung lokasi tepat penurunan suhu dalam diagram fase, dan tidak dapat dihasilkan oleh program perangkat lunak yang diketahui. Akibatnya, uapasi melibatkan beberapa perkiraan. Sebagai aturan umum, jaga laju aliran semakin rendah mungkin tanpa menyebabkan penundaan yang tidak dapat diterima dalam waktu perjalanan sampel ke analyzer. Lebih baik untuk memulai dengan laju aliran rendah dan bereksperimen dengan meningkatkannya daripada memulai dengan laju aliran awal yang lebih tinggi.

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