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An´ alisis de gases de combusti´ on seg´ un m´ etodo de ORSAT Laboratorio de Energ´ıa 1 - Combusti´ on

1.

El analizador Orsat

El equipo analizador llamado Orsat, permite individualizar y cuantificar los gases a´cidos (anh´ıdrido carb´onico, anh´ıdrido sulfuroso y otros gases a´cidos eventualmente presentes, en su conjunto), el ox´ıgeno y el mon´oxido de carbono en una muestra gaseosa. Se emplea con frecuencia en el estudio de gases de combusti´on, provenientes de hornos, motores de combusti´on, etc.

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Consiste sumariamente en una bureta graduada conectada en su parte superior a un manifold constituido por tubos de peque˜ no di´ametro con 4 o 5 llaves de paso. Una de las llaves se encuentra en el extremo opuesto al de la bureta y a trav´es de ella se accede a la muestra gaseosa por una v´ıa y a la atm´osfera por otra, esto permite efectuar el purgado del equipo con el gas a ensayar, las otras llaves comunican cada una con una pipeta de absorci´on. Por su parte inferior la bureta comunica con un frasco de nivel que contiene el l´ıquido que permitir´a confinar el gas y efectuar los desplazamientos necesarios dentro del equipo. La bureta est´a sumergida en una camisa de agua. La bureta tiene una capacidad de 100 ml, con graduaciones, a partir de 0 ubicado en la parte inferior de ´esta, que marcan mil´ımetros con una precisi´on de 0.2 ml. Los gases a ensayar se toman seg´ un criterios establecidos tendientes a obtener una muestra representativa, teniendo en cuenta la variaci´on de velocidad y composici´on de los mismos en funci´on particularmente de la temperatura. Se debe evitar contaminaci´on con aire. Las pipetas de absorci´on contienen por su orden de relaci´on con su proximidad a la bureta de absorci´on, los siguientes reactivos: 1- Soluci´on alcalina de hidr´oxido de potasio, KOH, en agua en una proporci´on de 33 % en peso. Esta soluci´on retiene en su totalidad los gases ´acidos, formando las sales de potasio correspondientes. 2- Soluci´on alcalina de pirogalol en hidr´oxido de potasio al 50 % en peso. Esta soluci´on retiene cuantitativamente el ox´ıgeno. Se produce una compleja reacci´on de oxidaci´on. 3- Soluci´on de cloruro cuproso (Cu2 Cl2 ) en a´cido clorh´ıdrico (HCl) concentrado. Esta soluci´on retiene el mon´oxido de carbono, con el cual da un compuesto de adici´on estableci´endose el siguiente equilibrio:

CuCl2 + 2CO = CuCl2 , 2CO

Cuando esta soluci´on se desgasta el compuesto de la derecha libera CO en lugar de absorberlo. Por esta raz´on suelen usarse 2 pipetas de absorci´on con cloruro cuproso. 2

Como l´ıquido de confinamiento se emplea una soluci´on saturada de sulfato de sodio acidulada y coloreada mediante un indicador. ¿Por qu´e se satura el l´ıquido de confinamiento?

Ensayo: Previo a la realizaci´on del ensayo es necesario comprobar la estanqueidad del equipo, es decir asegurarse que no haya fugas de gas, para lo cual los tubos de goma que permiten efectuar las conexiones al manifold deben estar perfectamente ajustadas y las llaves de paso lubricadas adecuadamente con una grasa insoluble en agua. La prueba se realiza confinando aire dentro del aparato, se llevan las llaves a posici´on de cierre y se mantiene presurizado el gas elevando el frasco de nivel a una posici´on determinada. Obviamente el l´ıquido sube en la bureta hasta cierto nivel en el cual debe mantenerse por un lapso no menor de media hora para poder considerar que efectivamente es estanco.

Toma de muestra: Los gases de combusti´on se encuentran a temperaturas alejadas de la ambiente, a la cual se realiza el ensayo, por lo tanto deben ser enfriados antes de acceder al analizador. Manteniendo cerradas las llaves que acceden a las pipetas de absorci´on, se elimina el aire del aparato a trav´es de la llave ya descrita, elevando el frasco de nivel de modo que el l´ıquido en la bureta llegue al tope. Se pone en comunicaci´on la v´ıa de acceso de muestra, descendiendo el frasco de nivel, se provoca la depresi´on necesaria para que el gas pase a la bureta y luego se elimina de manera indicada. Esta operaci´on, purgado, se repite varias veces hasta que se realiza la toma de gas, cerrando la llave de paso una vez que el l´ıquido de la bureta se encuentra por debajo de la graduaci´on 0 de la misma. Se trabaja con 100 ml de gas a presi´on atmosf´erica (esto permite obtener directamente porcentajes en moles o vol´ umenes). (¿C´omo se realiza esta operaci´on?) Una vez obtenida la muestra se espera unos segundos para dejar escurrir el l´ıquido en la bureta y permitir que el gas estabilice su temperatura. Esta debe permanecer constante durante todo el ensayo. (¿Por qu´e?) La muestra se transfiere cuantitativamente a la primer pipeta de absorci´on y se

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deja el gas en contacto por lo menos durante un minuto, se vuelve la muestra a la bureta y se lee el volumen actual a presi´on atmosf´erica, la disminuci´on del mismo indicara el porcentaje de CO2. Es necesario repetir la operaci´on en la misma pipeta de absorci´on hasta obtener lectura constante del volumen de gas remanente. Con las otras pipetas se realiza la misma operaci´on, absorbi´endose el ox´ıgeno y luego el mon´oxido de carbono. De este modo por diferencias de vol´ umenes se obtienen los porcentajes de ox´ıgeno y de mon´oxido de carbono. El nitr´ogeno se obtiene por diferencia. Explique por qu´e se absorben los gases en un orden preferencial. Al llevar el gas a la temperatura de trabajo el vapor de agua condensa hasta que su presi´on parcial alcanza el valor correspondiente a la temperatura ambiente y a la presi´on atmosf´erica. Al disminuir el volumen luego de cada absorci´on la presi´on parcial de vapor de agua permanece constante, por lo tanto la cantidad de vapor habr´a disminuido el mismo valor porcentual que el volumen total. (¿Por qu´e?). Por esta raz´on se est´a en condiciones de expresar que los resultados se obtienen sobre base seca. Cabe destacar que los productos empleados como reactivos se agotan al cabo de un determinado n´ umero de ensayos y no se espera al desgaste total para cambiarlos. La norma aconseja que se considere agotado un reactivo cuando al cabo de 5 pasajes de la muestra en la pipeta que lo contiene, no se logra constancia en el volumen de gas remanente. Ing. Estela La Manna

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2.

Gu´ıa para la pr´ actica

Las mediciones de humos se realizar´an en una estufa domestica a le˜ na de alto rendimiento. La misma es de llama invertida, con toma de aire desde el exterior de la vivienda, con aire primario y secundario (ver esquema adjunto)

Como se ve en el esquema, la estufa est´a dividida en dos c´amaras. Por la primer c´amara (a la derecha) se realiza la alimentaci´on de le˜ na y es donde se va a mantener el combustible s´olido. Al encontrarse la chimenea en la segunda c´amara, la llama y los gases evolucionan de una hacia la otra. Por lo tanto se dice que la estufa es de llama invertida ya que efectivamente la llama desciende desde el combustible. El ingreso de aire se divide para las dos c´amaras, siendo aire primario el que ingresa a la c´amara donde se encuentra el combustible y aire secundario el que ingresa para reaccionar con los gases. En la pr´actica se realizar´a un toma de humos en la chimenea y se analizar´a con el analizador Orsat seg´ un se describi´o la metodolog´ıa anteriormente. A modo de comparaci´on, los humos se analizar´an con un equipo TESTO 350.

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Con la finalidad de comparar diferentes puntos de funcionamiento de la estufa, se realizar´a otro an´alisis de humos, con el equipo TESTO, variando la entrada de aire.

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3.

Informe Para la realizaci´on del informe de la pr´actica se debe incluir: Objetivos de la Pr´actica. Marco te´orico (resumido). Composici´on de humos obtenidos con el analizador Orsat. Comparar los resultados con los datos obtenidos con el analizador TESTO. Considerando que la composici´on de la le˜ na es: C=49,0 %; H=5,9 %; O=44,0 %; N=0,3 %; Ash=0,8 % Resolver la estequiometr´ıa de la combusti´on y determinar el exceso de la misma. Comparar los puntos de operaci´on (con datos del analizador TESTO). Realizar comentarios sobre el exceso y composici´on de humos. Dibujar el triangulo de Ostwald Bunte y ubicar todos los puntos de funcionamiento. Conclusiones.

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