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Orsat




Enviado por latiniando



    2. MARCO TEÓRICO

    2.1 .- ANTECEDENTES.

    No hay referencia de un trabajo similar, en los archivos
    bibliográficos de LA UNIVERSIDAD
    NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TÁCHIRA, que es el centro de
    estudio que imparte cátedras relacionadas con el equipo,
    esto se debe a que el aparato es adquirido directamente con un
    fabricante.

    2.2 .- RESEÑA HISTÓRICA

    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 el aparato de M. Regnault
    (L’eudiometre) poseía fallas y errores tales como no
    poder
    controlar eficazmente cambios de temperatura y
    presión, asi 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. Con la salvedad de que en la actualidad el
    Aparato de Orsat cumple propósitos didácticos en
    las casas de enseñanza alrededor del mundo.

    2.3.- COMBUSTIÓN Y
    COMBUSTIBLES.

    2.3.1.- COMBUSTIÓN.

    De acuerdo con ARGUINBAU, FRANCISCO "Se entiende por
    combustión, a la combinación violenta, con
    desprendimiento de luz y calor, del
    Oxigeno del
    aire con el
    Carbono,
    Hidrógeno, Azufre y Nitrógeno."

    La combustión del Oxígeno con el Carbono,
    Hidrógeno, Azufre, se efectúa en proporciones de
    peso bien determinadas, asi pues por cada átomo

    de Carbono se
    necesitan 2 átomos de Oxígeno para llegar a la
    combustión perfecta formando CO2 (dioxido de
    Carbono), el
    Carbono que se
    quema con deficiencia de aire forma el
    gas CO
    (monoxido de Carbono), que representa solo el 30% de una
    combustión perfecta, por lo tanto la combustión al
    formarse CO es incompleta .

    El Hidrógeno se combina siempre en
    proporción de 2 átomos de Hidrógeno con uno
    de Oxígeno formando vapor de agua
    H2O, y el azufre es de proporción 1:2 es decir
    un átomo de
    Azufre por 2 de Oxígeno, este gas es
    perjudicial por que al enfriarse los productos de
    la combustión, el agua que se
    forma en la combustión y la que esta presente en la
    humedad del combustible se condensan y reaccionan con el gas
    anhídrido H2 formando ácido
    sulfúrico SO4H2, sumamente corrosivo
    y ataca los conductos metálicos de escape.

    2.3.2 PROCESO DE LA
    COMBUSTIÓN

    La mayoría de los procesos de
    combustión se realizan con aire
    (Oxígeno + Nitrógeno + Argón) y no con
    Oxigeno
    puro.

    Este proceso se
    traduce a la oxidación de los componentes de un
    combustible, en cuya ecuación química
    representativa la masa permanece inalterable. Para los
    cálculos se desprecia el Argón y se toma 21% de
    oxigeno y 79%
    de nitrógeno.

    C + O2 CO2 4H +2O
    2H2O

    2.3.3 AIRE
    TEÓRICO

    Según el autor GORDON VAN WYLEN "Es la cantidad
    mínima de aire capaz de
    proporcionar el Oxigeno
    suficiente para la combustión completa del
    carbono".

    Cuando se obtiene combustión completa no puede
    haber oxigeno en los
    productos de
    la combustión . En la practica no es posible tener una
    combustión completa ni con las proporciones "ideales"
    químicamente correctas a menos que se administre una
    cantidad mayor de aire teórico un 150%. Esto se debe a que
    probabilisticamente no es posible que cada una de las
    extraordinariamente numerosas moléculas del combustible
    encuentre una molécula de oxigeno para combinarse con
    ella. Por lo tanto la oxidación total del combustible se
    logra utilizando en la mezcla exceso de aire.

    2.3.4 .- RELACIÓN AIRE –
    COMBUSTIBLE.

    De acuerdo con G. VAN WYLEN "Es la razón
    teórica entre masa o moles de aire teórico y la
    masa o moles de combustible".

    Si la cantidad de aire suministrado en
    una combustión es inferior a el aire teórico
    necesario la combustión será incompleta y
    habrá presencia de CO.

    La combustión incompleta se debe a tres
    causas:

    a) Insuficiencia de Oxígeno.

    b) Mezcla imperfecta entre el Oxígeno y el
    combustible.

    c) Temperatura
    demasiado baja para mantener la combustión.

    2.3.5 .- PRODUCTOS DE
    LA COMBUSTIÓN
    .

    Se ha determinado que los elementos que constituyen los
    productos de la combustión son: Carbono, Azufre,
    Nitrógeno, Oxígeno, Hidrógeno, entonces
    queda claro que la combinación de estos elementos originan
    una gran variedad de compuestos originados por la
    combustión tales como anhídrido de carbono,
    monoxido de carbono, dioxido de carbono, vapor de agua, cenizas,
    anhídrido sulfuroso e hidrocarburos
    no quemados, que forman los productos de la
    combustión.

    2.3.6 .- COMBUSTIBLES
    HIDROCARBURADOS.

    Los combustibles fósiles
    están constituidos por petróleo,
    gas y carbono.
    Cuando el hidrogeno cesa
    de combinarse con el oxígeno y se combina con el carbono
    se forman estos combustibles fósiles, cuya
    refinación nos ofrece gran variedad de hidrocarburos.

    2.3.7 .- ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS DE LA
    COMBUSTIÓN.

    Mediante el aparato de Orsat se puede efectuar el
    análisis de determinados productos de la
    combustión, a partir del cual es posible calcular la
    relación aire – combustible, y el grado de efectividad de
    la combustión, este proceso
    consiste en obtener una muestra de los
    productos de la combustión y determinar el porcentaje en
    volumen de
    cada gas
    componente.

    2.4 .- APARATO DE ORSAT.

    El Aparato de Orsat es un analizador de gases usado
    para determinar la composición de una muestra de
    gases. Durante
    un análisis una muestra es pasada
    a través de líquidos absorbentes que remueven
    componentes específicos.

    El volumen del gas
    es medido antes y después de la absorción. La
    disminución en el volumen del gas
    representa la cantidad del componente que estuvo presente. Los
    volúmenes del gas son medidos a temperatura y
    a presión constante.

    2.4.1 .- FUNCIONAMIENTO DEL APARATO DE
    ORSAT.

    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 # 2.2

    Aparato de Orsat

    En el primer recipiente se coloca una solución de
    hidroxido 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 logra 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.

    2.4.2 .- 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.

    2.4.3 .- 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 monoxido de carbono. Lo que resta
    en la muestra es hidrogeno e
    hidrocarburos
    saturados, por lo tanto el calculo del porcentaje absorbido se
    determina en la siguiente ecuación segun el catalogo de la
    casa FISHER:

    % componente = (decremento en volumen)
    * 100

    ( muestra de volumen.)

    2.5 .- CROMATOGRAFIA.

    "Técnica de separación e
    identificación utilizada en el análisis
    químico, tanto cualitativo como cuantitativo"

    La cromatografía permite en efecto, separar y
    reconocer los diversos componentes de soluciones y
    mezclas
    gaseosas.

    El cromatografo de gases es la herramienta
    técnica empleada para estos fines.

    .- DIAGNOSTICO.

    3.1 .- PLANTEAMIENTO

    La construcción de este dispositivo es
    necesario para mejorar el proceso de
    enseñanza en el Instituto, debido a que éste
    aparato serviría como un instrumento didáctico de
    apoyo al docente y de gran ayuda al alumno. Sería el
    respaldo fundamental para el mejor entendimiento de los objetivos de
    la cátedra de Motores de
    Combustión, asi como también Combustibles y
    Lubricantes, en cuanto se refiere a lo proyectado en el
    área de la combustión y los productos de la
    combustión, contribuyendo en el logro de dichos objetivos.

    Por ser un aparato de vieja data es de muy fácil
    ensamblaje y uso, por las siguientes razones: a) este aparato es
    necesario para la realización de las practicas cuando se
    este viendo los objetivos que
    traten de la combustión y los productos de la
    combustión; b) sumaria dinamismo a la enseñanza
    teórica y a su vez haría mas atractiva las
    practicas para el alumnado, creando un ambiente de
    estudios favorable tanto para el profesorado como para los
    alumnos.

    3.2 .- TALLER DEL INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
    TECNOLOGÍA
    INDUSTRIAL

    Las instalaciones de el taller no
    cuentan con un Aparato de ORSAT herramienta fundamental que
    cumpliría una función de respaldo didáctico
    ante las enseñanzas teóricas en cuanto a los
    objetivos que
    cubren el proceso de la combustión, el ORSAT
    fungiría como una plataforma el alumnado y al docente
    dando como resultado un proceso de retroalimentación
    exitoso.

    El empleo del
    Orsat es ventajoso frente al cromatografo de gases debido a que
    este es muy sofisticado versátil además de costoso,
    lo que lleva a la reflexión de que el ORSAT cumple con las
    exigencias académicas especificas lo que se
    tornaría en un ahorro de
    dinero.

    3.3 .- EMPRESA
    FABRICANTE.

    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.

    3.4 .- 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 (CO, CO2, O, HIDROCARBUROS NO
    SATURADOS , Y OTROS 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.

    .- PROPUESTA

    De acuerdo con lo expuesto en el capitulo anterior se
    sugieren los siguientes planteamientos:

    a) Manual de
    ensamblaje

    b) Manual de
    operación general.

    c) diseño
    de practica y guía de laboratorio.

    En principio se acudió a la sede de
    laboratorio

    4.3 practica de laboratorio

    1) Encontrar composición aproximada del
    combustible quemado.

    2) Hallar relación aire – combustible.

    3) Hallar porcentaje de aire teórico.

    4.4 .- GUÍA DE PROCEDIMIENTO
    PARA EL USUARIO

    Un motor de
    combustión interna producirá gases en
    funcionamiento máximo y mínimo, los gases en estas
    dos condiciones serán llevados a
    análisis.

    A) Llevar el nivel de los reactivos hasta las marcas grabadas
    en los cuellos, el proceso se lleva a cabo de la siguiente forma,
    se abre el grifo de cada pipeta con la botella niveladora en
    posición elevada, y luego se baja la botella niveladora
    lentamente hasta que el reactivo este logre el nivel
    correcto.

    B) Purgar el tubo de recoger la muestra y sus conexiones
    con gas objeto de análisis. Después se lleva a
    purga el múltiple y la bureta auxiliándose con la
    botella niveladora y cerrando oportunamente abrir la
    válvula de tres vías.

    C) Abrir la válvula de tres vías y bajando
    la botella niveladora recoger algo mas de 100 ml de la muestra.
    Cerrar la válvula de tres vías.

    D) Elevar la botella la botella niveladora hasta que el
    menisco nivele con la lectura
    correspondiente que corresponda al volumen necesario
    (100 ml), en ese instante cerrar la manguera capilar de la
    botella niveladora y abrir la válvula de tres vías
    para nivelar las presiones.

    E) Cerrar la válvula de tres vías
    manteniéndola cerrada durante el resto del
    experimento.

    Quitar la pinza que cerraba a la manguera capilar y
    comparar los niveles de solución de cierre deben coincidir
    con 100 ml, la cual permitirá leer porcentajes
    directos.

    F) Absorber los componentes de la muestra en el
    siguiente orden:

    A) CO2

    B) O2

    C) CO

    G) Elevar la botella niveladora para ejercer ligera
    presión sobre la muestra.

    H) Regresar el gas a la bureta medidora, bajando la
    botella niveladora, se debe evitar que los reactivos toquen las
    válvulas de acceso, si esto ocurre deben limpiarse con
    ácido y reengrasarse.

    I) Llevar el reactivo al nivel de referencia. Cerrar la
    válvula de acceso a la pipeta respectiva y con la botella
    niveladora igualar los niveles de solución de cierre para
    obtener las lecturas correspondientes.

    J) Repetir los pasos G, H, I hasta que no ocurra
    disminución de volumen en la muestra de la
    bureta.

    4.2 .- MANUAL DE
    ENSAMBLAJE

    1) En el soporte de madera cuelgue
    el manifold en la parte superior en sus dispositivos de apoyo, de
    manera que el extremo donde se encuentra la válvula de
    tres vías se halle en el orificio circular del soporte de
    madera.

    Nota: Si el manifold esta propiamente colgado, el
    extremo de la parte curva deberá estar hacia abajo y la
    llaves de las válvulas deberán estar de frente al
    operador.

    2) Coloque la bureta en con su camisa de agua
    confirmando que la escala se halle
    al frente del operador.

    3) Conecte el extremo superior de la bureta con el
    manifold usando un pedazo corto de tubería de goma, y
    conecte el extremo inferior de la bureta con la botella
    niveladora a través de una tubería de goma lo
    suficientemente larga.

    Nota: cuando dos partes de vidrio se
    conectan deben estar en contacto para que halla un mínimo
    de espacio de gas .

    4) Llene la camisa de agua con agua destilada, agregue
    adicione cloro de manera que reprima el crecimiento de
    moho.

    5) Llene la botella niveladora mientras descansa en su
    soporte en la base del marco o en el banco de trabajo.
    Debe llenarse con agua destilada y 2 ml de una solución
    colorante.

    6) Ensamble una pipeta de absorción a la vez,
    colóquela en su plataforma de madera, ajuste
    la plataforma hasta que la tubería capilar de la pipeta
    toque la tubería del manifold.

    7) Engrase las válvulas y las conexiones de goma
    para evitar fugas .

    8) Cierre todas las válvulas excepto la
    válvula de tres vías y la de la pipeta cercana a la
    bureta, permitan que se expongan al aire externo.

    Nota: Un punto de referencia definitivo es
    requerido en la porción capilar debajo de las
    válvulas de las pipetas y en la porción capilar de
    la bureta con tinta y con creyon de cera.

    9) Adicione 200 ml de Soda cáustica en el
    reservorio de la pipeta más cercana a la bureta. Cuando se
    baje la botella niveladora conectada a la bureta, el aire de la
    cámara de absorción es bombeado y descargado
    levantando la botella niveladora, se debe repetir este procedimiento
    hasta que la solución este en el punto de referencia, y
    luego coloque la bolsa de expansión en el reservorio de la
    pipeta.

    11) Deje las bolsas de expansión en su lugar
    hasta que sea necesario renovar la solución.

    12) Llene la segunda pipeta con 200 ml de
    solución de ácido pirogalico, para determinar el
    oxigeno.

    Nota : El llenado y proceso de las pipetas esta hecho de
    igual manera que la pipeta 1.

    13) Llene la tercera pipeta con 200 ml de cloruro
    cuproso con algunos filamentos de cobre para
    mayor absorción.

    Una vez cumplidos todos estos pasos el aparato debe
    estar en condiciones de operación y trabajo.

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