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.