Sistemas de amostragem para analisadores
Com a modernização das industrias estão cada vez mais automatizadas. Essa automatismo permite que os sistemas se tornem cada vez mais eficientes com consistência e garantia de seus produtos, além disso rediz o consumo de energia e desperdícios melhorando a sua relação com o meio ambiente.
Para garantir esses resultados os instrumentos cruciais nesta cadeia de automação além dos instrumentos de campo, são os analisadores de processo. Como sabemos esses para que a automação apresente os resultados esperados precisamos confiar nas leituras que esses instrumentos fornecem. Sendo estes instrumentos normalmente mais sensíveis que os instrumentos de campo sofrem muito mais com a falta de manutenção e em particular exigem instalação adequadas para o seu perfeito funcionamento.
Ao contrário de muitos instrumentos, os analisadores de processo requerem manutenção e calibração frequentes, pois o elemento de medição são sensíveis e como quase que em sua maioria estão contato direto com o processo consequentemente quanto mais severo e agressivo forem as características do processo maior será a necessidade de acompanhamento.
Muitas das vezes os problema com os analisadores começam muito antes de entrarem em operação porque muitas das vezes um pequeno desvio na instalação pode tornar o instrumento totalmente inoperante.
Alguns analisadores medem a composição de um fluxo de processos imergindo diretamente o elemento sensível nesse fluxo. Isso é chamado de medição” in situ”, que é uma frase latina que significa “no lugar “.
Os analisadores são usados para muitas aplicações: qualidade do produto, dosagem de produtos químicos, monitoramento regulatório, etc., então talvez não seja muito difícil imaginar as implicações de não manter o analisador.
Uma sonda de pH inserida em um tubo de processo, uma sonda de oxigênio inserida na “câmara de combustão de um caldeira e um analisador GFC que mede a concentração de um gás poluente ao disparar um feixe de luz em uma sala de processo são exemplos de analisadores in-situ: a detecção analítica ocorre diretamente no ambiente do processo.
Vamos considerar o humilde analisador de pH. É provavelmente o mais comum dos analisadores de processo e usado em uma ampla variedade de aplicações. No entanto, é também um dos analisadores que exigem mais manutenção, pois o processo influencia facilmente os elementos de medição, causando desvios.
Alternativamente, os elementos de detecção analítica podem estar localizados distantes do processo, neste caso, uma amostra representativa desse processo deve ser transportada para o analisador.
Um grande número de analisadores industriais funcionam assim, com um sistema de tubos, aquecedores, filtros, bombas, reguladores e outros componentes que trabalham em conjunto para fornecer o analisador localizado remotamente com um fluxo constante de fluido de processo para amostra.
Deve-se notar que muitas vezes os problemas experimentados com os analisadores de processos provêm de sistemas de amostras construídos e / ou mantidos indevidamente.
Um sistema de amostra muito simples para um analisador de pH é mostrado aqui, com o objetivo de permitir que o eletrodo de pH funcione a pressão atmosférica em vez da alta pressão dentro do tubo de processo
Nota: as sondas de pH “in situ” são fabricadas para aplicações de alta pressão, porém a sua vida útil reduz consideravelmente (devido à erosão acelerada do vidro de medição) e diminuição da sensibilidade (devido à espessura extra do vidro de medição) e são substancialmente mais caras do que as sondas de pH projetadas para condições de pressão atmosférica.
O líquido do tubo de processo flui através das válvulas de bloqueio e válvula reguladora de fluxo, como se espera uma medição continua restringe a linha de forma a manter um fluxo menor possível enchendo o pote de amostras quando cheio o excesso é enviado para tratamento no processo de efluentes
Se, por algum motivo, um dreno de esgoto de processo não é seguro, ambientalmente agressivo ou impraticável, pode-se substituir o tubo de transbordo por um sistema de controle de nível e bomba para reintroduzir a amostra de volta para a linha de processo. Isso, é claro, acrescenta complexo.
Apesar da aparente simplicidade e necessidade de tal sistema de amostras, sua própria existência acrescenta mais uma camada de potencial de falha ao sistema de medição. Imagine, por exemplo, a linha de amostra entre as válvulas de controle de controle de fluxo e bloqueio, acumule detritos do processo impedindo o fluxo do líquido consequentemente impediria a renovação do liquido na câmara de amostragem.
A sonda de pH continuará a medir porém o valor lido não é representativo do líquido que flui através do tubo de processo.
Caso não seja previsto um meio para informar essa falha do sistema o instrumento não como detectar a falha podendo causar falhas e desvios no processo como todo.
Os sistemas de amostra de líquidos podem exigir muito mais complexidade do que o que é mostrado aqui para este simples analisador de pH. Para atender às necessidades de amostras de alguns analisadores, talvez seja necessário controlar a vazão da amostra, a temperatura da amostra e / ou filtrá-la.
Os sistemas de amostra para analisadores de gás tendem a ser ainda mais complexos do que os sistemas de amostra de líquidos. Não é apenas o controle de pressão de amostra (Nota 1), controle de temperatura e padrão de filtragem para a maioria dos analisadores de gás, também é importante a captura e remoção de condensação da linhas de amostra de gás, assim como a prevenção da permeação de gás através de linhas de amostra.
Se o líquido e / ou material particulado entrarem em um analisador de gás, os resultados podem variar de atraso de medição para erro de medição grosseira para danos de componentes críticos dentro do analisador, dependendo do tipo de analisador e da concentração de matéria inadequada na amostra. As amostras analíticas de gases, como regra geral, devem ser impecáveis e secas
Nota 1: o controle de pressão é importante na análise de gases porque as mudanças na pressão do gás de amostra resultarão em diferentes densidades de gás, afetando diretamente quantas moléculas do gás de interesse estarão presentes e, portanto, detectáveis dentro do analisador.
Nota 2: O controle de temperatura é importante por razões semelhantes: as espécies de gás de interesse podem se tornar mais reativas à medida que a temperatura muda, resultando em uma indicação mais forte mesmo quando a concentração permanece constante.
Nota 3: É importante filtrar completamente a entrada de gás para um analisador para que os contaminantes não sujam o (s) elemento (s) de detecção. Isso é bastante óbvio no caso de analisadores ópticos, onde a luz a analisar deve passar por uma janela transparente de algum tipo, e essa janela deve ser mantida limpa de poeira, condensação e quaisquer outras substâncias que possam interferir com a transmissão de luz.
Nota 4: Alguns tipos de tubos de amostra de plástico são permeáveis aos gases e, portanto, representam pontos de contaminação potenciais quando as concentrações de interesse estão na faixa de partes por milhão (ppm) ou partes por bilhão (ppb). Em aplicações tão críticas, apenas os tubos de amostra de metal (aço inoxidável, tipicamente) são apropriados.
Um exemplo de um sistema de amostra típico para um conjunto de analisadores de gás usado para monitorar continuamente as emissões da pilha de um forno de combustão (CEMS: sistema contínuo de monitoramento de emissões) é mostrado aqui:
No diagrama acima podemos fazer vários comentários, vamos focar apenas na sonda e na linha de amostra. Quando observamos a linha de amostra em detalhes vemos que esse possui um chanfrado para evitar coleta de qualquer partícula (material sólida) que possa ser carreada junto ao gás de exaustão do forno.
Observe também como o tubo de amostra é protegido com um sistema de aquecimento mantendo assim o gás aquecido para evitar que a condensação se acumule no tubo, e como todo o comprimento da linha de amostra é inclinado para baixo para evitar que qualquer líquido condensado forme uma “barreira ou acumulo” que pudesse evitando o gás de chegar ao sistema analisador.
O gás ao chegar ao sistema de coleta e tratamento do analisado, a linha de amostra imediatamente passa por um sistema de de banho de água resfriada para forçar qualquer vapor condensável a condensar e ser drenado, deixando apenas uma amostra de gás seco para entrar no resto do sistema de tubulação do analisador.
Outra característica deste CEMS é um secador de ar (mostrado como um retângulo verde), usado para remover a umidade do ar comprimido antes que o ar seja usado dentro do sistema. Neste CEMS específico, o ar seco é usado tanto como gás de “span” para o analisador de oxigênio (a concentração de oxigênio ambiente sendo de aproximadamente 20,9% por concentração volumétrica ou molar) quanto como alimentação para o ozonizador interno do analisador de NOx. Uma fotografia desse tipo de secador de ar é mostrada aqui, parte do CEMS em uma usina a gás:
A operação precisa e confiável de qualquer analisador depende não apenas do próprio analisador, mas também de todos os outros equipamentos que suportam sua função. O CEMS (SISTEMA DE MONITORAMENTO CONTÍNUO DE EMISSÕES) as vezes é confundido como sendo o próprio analisado. A quantidade e a complexidade do equipamento de suporte são substanciais, o que significa que os sistemas analisadores tendem a exigir muito mais manutenção do que outras formas de instrumentação. O diagnóstico de falhas também é mais complicado para sistemas analisadores pelo mesmo motivo.
Voltando nossa atenção agora para o resto do sistema de amostra, vemos que ele fornece os meios para calibração automática de cada analisador, onde um computador (provavelmente um PLC ou um computador especializado sequenciando a operação de todos os três analisadores) desliga periodicamente o amostra o fluxo para os analisadores e substitui esse fluxo por “gás de calibração” padrão para auto verificar a resposta dos analisadores.
Observe como o gás de calibração misturado tem a opção de ser injetado na sonda de amostra de modo a forçar a mistura de gás a viajar pela linha de amostra e por todo o sistema (com a válvula “stack cal” em sua posição padrão). Embora possa parecer desnecessário e um desperdício, na verdade serve a um propósito prático: testar a integridade de todo o sistema, com condicionamento de amostra e tudo.
Se, por exemplo, houvesse alguma fonte de contaminação entrando no fluxo de amostra por meio da armadilha de condensado, isso seria detectado durante o ciclo de auto calibração porque a mistura de gás de calibração teria que passar pela mesma área contaminada que a pilha normal amostra de gás. Outro exemplo é um vazamento em uma das linhas de amostra, permitindo que gases do ambiente vazem e diluam ou contaminem a amostra.
Um sistema de auto calibração ignorando toda a linha de amostra e o sistema de condicionamento não detectaria a presença de qualquer contaminação e, portanto, não testaria a integridade de todo o sistema.
Uma fotografia de três cilindros de gás de amplitude usados em um sistema de auto calibração CEMS aparece aqui:
As três misturas de gases de “spam” incluem uma com concentração de 30 ppm de gás de monóxido de carbono (CO) e 15% de oxigênio em oxigênio (O2), outra com gás de óxido nítrico (NO) a uma concentração de 25 ppm e uma terceira com gás dióxido de nitrogênio ( NO2) a uma concentração de 25,6 ppm. O gás “equilíbrio” para cada uma dessas misturas calibradas é o nitrogênio. Cada uma dessas misturas de gás de “spam” é fabricada em uma instalação onde as quantidades de concentração são rastreáveis aos padrões do NIST, assim como qualquer outro padrão de medição de calibração na instrumentação.
Os instrumentos analíticos normalmente requerem verificações de calibração muito mais freqüentes do que os tipos de instrumentos padrão (pressão, nível, temperatura, fluxo) e muitos trabalhos de manutenção podem ser salvos por sistemas de calibração automática. Essas verificações de rotina das calibrações do analisador são comumente referidas como testes de deriva, porque seu objetivo é verificar até que ponto a calibração do analisador “derivou” de suas especificações. Infelizmente, os mesmos sistemas destinados a reduzir o esforço de manutenção de rotina também introduzem mais pontos por falha e, portanto, contribuem para as necessidades de manutenção não-rotineiras do sistema.
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