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.