Compreendendo e medindo o atraso de tempo em um sistema de instrumentação analítica

Compreendendo e medindo o atraso de tempo em um sistema de instrumentação analítica

Karim Mahraz

O atraso de tempo em sistemas de amostragem é a causa mais comum de resultados inadequados de analisadores de processo. As medições do processo são instantâneas, mas as respostas do analisador não são. Há sempre um atraso de tempo entre o tap e o analisador. O potencial de atraso de tempo existe nas seguintes seções de um sistema de instrumentação analítica (IA), exibido na imagem abaixo:linha de processo, derivação e sonda, estação de campo, linha de transporte, sistema de condicionamento de amostra, sistema de comutação de fluxo e analisador.

É importante entender que o atraso é cumulativo. Consiste no tempo total leva para um fluido viajar da linha de processo para o analisador, incluindo o tempo necessário para a análise final. Por exemplo, se o cromatógrafo a gás leva cinco minutos para analisar uma amostra, esses cinco minutos devem ser adicionados não apenas ao atraso no sistema de condicionamento de amostragem e no sistema de comutação de fluxo, mas também ao atraso nas linhas de transporte, estação de campo , toque e apalpe. Este subtotal deve então ser adicionado à quantidade de tempo que leva para o fluido viajar da unidade de processo que está sendo monitorada até a torneira. É a quantidade total de tempo desde a unidade de processo sendo monitorada até o analisador que conta .

Infelizmente, o atraso de tempo é muitas vezes subestimado, não contabilizado ou mal compreendido. Em muitos casos, o atraso de tempo é invisível para especialistas e técnicos do analisador, que estão focados em tornar a amostra adequada ao analisador. Especialistas em analisadores podem presumir que a medição analítica é instantânea. No entanto, os sistemas de amostragem muitas vezes não atingem o padrão da indústria de uma resposta de um minuto, criando ampla oportunidade de atraso de tempo. É sempre melhor minimizar o atraso de tempo, mesmo para tempos de ciclo longos, mas atrasos que se estendem além do padrão do setor não são necessariamente um problema. O engenheiro de processo deve determinar tempos de atraso aceitáveis ​​com base na dinâmica do processo.

Os atrasos de tempo se tornam um problema quando excedem as expectativas de um projetista de sistema. Uma estimativa ruim ou suposição errada sobre atraso de tempo resultará em controle de processo inferior. Compreender as causas do atraso de tempo e aprender a calcular ou aproximar um atraso dentro de uma margem de erro razoável pode reduzir o atraso e melhorar a capacidade de resposta geral do sistema.

Colocação de linhas de processo, taps, loops rápidos e linhas de transporte para máxima eficácia

Para reduzir o atraso de tempo, geralmente é melhor localizar a derivação mais próxima do analisador, embora isso nem sempre seja viável. A torneira deve estar localizada a montante das fontes de atraso, como tambores, tanques, pernas mortas, linhas estagnadas ou equipamentos redundantes ou obsoletos (que devem ser eliminados para melhorar o fluxo). Em alguns casos, a localização do tap não pode ser especificada perto do analisador de processo devido às variáveis ​​mencionadas anteriormente. Se a torneira estiver a uma longa distância do analisador, é recomendado um loop rápido para fornecer fluido rapidamente ao analisador. Se projetado corretamente, o fluxo no circuito rápido será muito mais rápido do que o fluxo através das linhas do analisador.

Reduzindo as pressões para diminuir o atraso de tempo

Quando usado com um gás, uma estação de campo é um meio de reduzir a pressão nas linhas de transporte ou loop rápido. Dada a mesma vazão, o atraso nas linhas de transporte é reduzido em proporção direta à redução da pressão absoluta. Na metade da pressão, há metade do atraso de tempo. A estação de campo deve estar localizada o mais próximo possível da torneira. Quanto mais cedo a pressão cair, melhor.

Com uma amostra líquida, uma estação de campo reguladora não é empregada. É melhor manter os líquidos em alta pressão para evitar a formação de bolhas. Quando uma amostra líquida é analisada como um gás, um regulador de vaporização pode ser usado na estação de campo. No entanto, isso causará um atraso de tempo considerável. À medida que o fluido muda de líquido para gás, o volume aumentará drasticamente. A taxa de aumento dependerá do peso molecular do líquido.

Normalmente, o fluxo de vapor medido após o regulador será>300 vezes o fluxo de líquido antes do regulador de vaporização. Por exemplo, com um fluxo de vapor de 500 cm3/min, o fluxo de líquido pode ser inferior a 2 cm3/min. Portanto, o líquido levará 25 minutos para percorrer 10 pés de tubulação de um quarto de polegada. Para reduzir esse tempo, devemos reduzir o volume da tubulação que antecede o regulador. Por exemplo, com apenas um pé de tubo de um oitavo de polegada, levaria apenas 30 segundos para o líquido atingir o regulador. A este tempo, no entanto, devemos adicionar o atraso de tempo na sonda. Quanto mais estreita a sonda, mais rápida a resposta.

Outro meio de obter uma resposta mais rápida é colocar o regulador de vaporização mais próximo do local do analisador. Instale um regulador após o filtro de circuito rápido com um segundo circuito rápido de líquido para garantir que o fluxo positivo continue até o regulador de vaporização. O objetivo é minimizar o volume de líquido em movimento lento que vai para o regulador.

Mudança de fluxo

Para evitar o máximo de atraso possível, os conjuntos de comutação de fluxo devem funcionar rapidamente, purgando rapidamente o material de amostra antigo enquanto move o novo fluxo para o analisador. As configurações de válvulas de bloqueio e purga duplos (DBB), que estão disponíveis hoje em componentes convencionais ou projetos modulares em miniatura, fornecem um meio de alternar fluxos com atrasos mínimos e sem contaminação cruzada de válvulas com vazamento.

Uma configuração DBB tradicional é a DBB em cascata, vista no diagrama abaixo. O DBB em cascata elimina deadlegs usando uma segunda válvula de bloqueio em vez de uma peça em T.



Ao usar uma configuração em cascata DBB, o caminho do fluxo precisa ser levado em consideração, pois essa configuração pode levar à queda de pressão e ao fluxo mais lento. A queda de pressão pode ser estimada consultando o Cv do produto, que é uma medida da resistência ao fluxo. Quanto menor o Cv, maior a queda de pressão, resultando em uma vazão menor.

Na configuração em cascata DBB, o fluxo primário - fluxo 1 - não causa queda de pressão excessiva, mas fluxo 2, fluxo 3 e assim por diante criam quantidades crescentes de queda de pressão e um caminho de fluxo mais longo, resultando em tempos de deslocamento progressivamente mais longos para a saída . O resultado são tempos de entrega inconsistentes dos diferentes fluxos, dificultando a definição de tempos de limpeza consistentes para todos os fluxos.

A configuração DBB com um loop de fluxo integrado, mostrado no diagrama abaixo, permite todas as vantagens da configuração em cascata DBB, garantindo queda de pressão mínima de forma consistente em todos os fluxos. O Cv para cada fluxo – e, portanto, o tempo de entrega para cada fluxo – será o mesmo. Observe que um componente com Cv de 0,3 causará um terço da queda de pressão de um componente com Cv de 0,1.

Sistemas de Condicionamento de Amostras

O sistema de condicionamento de amostras prepara a amostra para análise filtrando-a, garantindo que esteja na fase correta e ajustando pressão, vazão e temperatura. Para fazer isso em um formato pequeno, o sistema usa muitos componentes relativamente pequenos, incluindo medidores, reguladores, medidores de vazão de área variável, controladores de vazão, válvulas de retenção, válvulas de controle e válvulas de esfera. Frequentemente, componentes modulares em miniatura também são usados ​​como uma solução compacta para espaços apertados. Esses componentes montados no topo são fabricados de acordo com o padrão ANSI/ISA 76.00.02, de acordo com a New Sampling/Sensor Initiative (NeSSI). Tal como acontece com as válvulas de comutação de fluxo, o volume interno não é tão importante quanto a queda de pressão. Ao escolher os componentes, você deve comparar o Cv fornecido pelo fabricante.

Outros componentes usados ​​em sistemas de condicionamento de amostras, como filtros, potes knockout e filtros coalescentes, podem causar um atraso de tempo significativo porque permitem que as amostras recebidas se misturem com as amostras antigas. Melhore o atraso de tempo limpando um filtro ou pote de eliminação para que 95% da amostra antiga desapareça. Infelizmente, isso requer três vezes o volume do componente. Isso supondo que a entrada e a saída sejam adjacentes, conforme mostrado no diagrama abaixo.



Considere um filtro com uma entrada e uma saída configuradas no diagrama. Se a taxa de fluxo for 100 cm3/min e o volume do filtro for 100 cm3, levará três minutos para garantir que 95% da amostra antiga tenha sido lavada. Portanto, para garantir uma amostra precisa, três minutos devem ser adicionados ao cálculo do atraso de tempo para este sistema de IA. Essas mesmas fórmulas podem ser aplicadas a volumes de mistura na linha de processo.

Analisador

Geralmente, um cromatógrafo a gás levará de cinco a 10 minutos para analisar a amostra. Os analisadores infravermelhos e ultravioletas funcionam muito mais rápido, concluindo as análises em segundos. Um especialista, técnico ou engenheiro do analisador deve saber o tempo necessário para o analisador processar uma amostra. Esse tempo será adicionado às estimativas discutidas acima para o atraso de tempo total desde a derivação até o analisador.

Em conclusão

O tempo total de atraso calculado com as ferramentas descritas deve fornecer uma estimativa dentro de uma margem de erro razoável. Lembre-se de que é o tempo total do processo que está sendo monitorado até o analisador que importa, e que todos os componentes que compõem esse atraso devem ser adicionados ao total. O atraso de tempo é uma questão que merece o exame minucioso do especialista do analisador. Suposições incorretas sobre o tempo de amostragem, particularmente para pontos problemáticos típicos, como a sonda ou um regulador de vaporização na estação de campo, prejudicarão todo o trabalho árduo do especialista do analisador e tornarão o analisador ineficaz. Especialistas em analisadores, em colaboração com seu fornecedor ou consultor de sistemas de fluidos, podem melhorar os atrasos de tempo fazendo escolhas inteligentes sobre componentes e configurações em relação à localização da derivação, configuração de loop rápido, diâmetros de tubulação apropriados e configurações de comutação de fluxo.