Garantindo Integridade da Amostra em Sistemas de Instrumentação Analítica: Melhores Práticas

Dicas para Manter uma Amostra Representativa em um Sistema de Instrumentação Analítica

Karim Mahraz, Gerente de Produto Swagelok, Instrumentação Analítica

O objetivo de um sistema de instrumentação analítica (AI) é fornecer um resultado analítico oportuno que seja representativo do fluido na linha de processo no momento em que a amostra foi coletada. Se a amostra for alterada pela configuração do sistema AI de forma que o resultado analítico seja diferente, a amostra não é mais representativa, e o resultado não é mais significativo ou útil. Assumindo que a amostra é coletada adequadamente no ponto de coleta, ela ainda pode se tornar não representativa sob qualquer uma das seguintes condições, se:

• Trechos mortos (ou espaços mortos) são introduzidos em locais inadequados no sistema de controle de processo, resultando em um "vazamento estático", uma sangria ou vazamento da amostra antiga na nova amostra
• A amostra é alterada através de contaminação ou adsorção
• O equilíbrio de químicos é perturbado devido a uma mudança parcial de fase
• A amostra sofre uma reação química

Entendendo Trechos Mortos

É importante entender a diferença entre volumes de mistura e trechos mortos. Um volume de mistura é um reservatório com uma entrada e uma saída separadas, como um filtro ou pote de nocaute. O fluido flui, frequentemente lentamente, através de um volume de mistura. Um trecho morto, por outro lado, é tipicamente uma formação em tee com um bloqueio no final para que não haja fluxo de passagem (veja Figura 1).

Figura 1. Nesta configuração de trecho morto, amostra antiga presa na formação em tee vaza para o fluxo principal do fluido, contaminando a nova amostra.

Exemplos de trechos mortos incluem manômetros, transdutores, válvulas de amostragem de laboratório ou válvulas de alívio. Você pode calcular a taxa na qual um volume de mistura eliminará uma amostra antiga, mas o mesmo não é verdade para um trecho morto. Um trecho morto retém a amostra antiga, permitindo que uma pequena porção dela se misture com a nova amostra e a contamine.

Trechos mortos podem eventualmente dissipar sem intervenção — ou não. Eles não se comportam de maneira previsível. Geralmente, trechos mortos se tornam mais problemáticos à medida que a razão entre comprimento e diâmetro aumenta. Além disso, vazão mais baixa na linha analítica aumenta o grau do efeito do trecho morto. Um manômetro com volume de trecho morto de 10 cm³ pode não ter muito efeito em alta vazão, mas em baixa vazão (ex: 30 cm³/min) poderia — se localizado no lugar errado — comprometer a aplicação inteira.

Aqui estão algumas diretrizes gerais sobre trechos mortos:

• Use altas taxas de vazão sempre que possível
• Selecione um projeto de componente que minimize ou elimine trechos mortos
• Ao instalar o componente, assegure que a conexão final minimize o comprimento do trecho morto
• Remova trechos mortos para o loop de bypass, para que apenas o número mínimo de componentes de trecho morto estejam na linha direta com fluxo ativo para o analisador
• Substitua um tee e válvulas esfera de duas vias por válvulas esfera de três vias

Figura 2. Cinco trechos mortos nesta configuração representam risco de contaminar a amostra.

Figura 3. Uma variação da Figura 2, esta configuração introduz melhorias de projeto que eliminam os trechos mortos ou os movem para locais onde não terão efeito na leitura do analisador.

Na maioria dos sistemas de controle de processo, componentes de trecho morto podem ser posicionados para que a maioria não esteja em uma linha direta com fluxo ativo para o analisador. Componentes de trecho morto podem ser colocados em um loop de bypass e ainda servirão seu propósito pretendido. Um loop de bypass (ou loop rápido) é uma configuração que permite vazão relativamente rápida em um loop com retorno à linha de processo. Em um ponto no loop, uma parte do fluxo é desviada para o analisador. A Figura 2 mostra um sistema com cinco trechos mortos. A Figura 3 mostra uma variação desta configuração com as seguintes melhorias:

• Dois manômetros são movidos para um loop de bypass
• Um manômetro é removido sem substituição
• A entrada de gás de calibração é movida para o sistema de seleção de fluxo
• A coleta de amostra de laboratório é movida para um loop de fluxo que se origina em um filtro

Quando múltiplos fluxos de fluido estão rodando para o mesmo analisador através de um sistema de seleção de fluxo, componentes com trechos mortos devem, se possível, ser colocados antes do sistema de seleção de fluxo em um loop de bypass ou retorno para minimizar a oportunidade de contaminação cruzada entre fluxos. O mesmo é verdade para componentes com "memória", i.e., componentes com muita área de superfície (filtros) ou com materiais permeáveis como elastômeros. Por exemplo, em vez de localizar um filtro após o sistema de seleção de fluxo, é melhor comprar múltiplos filtros e localizá-los antes do seletor de fluxo — um em cada uma das múltiplas linhas. Similarmente, não é aconselhável localizar uma porta de amostra de laboratório, com tee e conector rápido, após o sistema de seleção de fluxo porque a configuração em tee é um trecho morto que pode causar contaminação cruzada de fluxos.

Figura 4. Portas de amostra de laboratório com conector rápido estão localizadas em loops de bypass antes do sistema de seleção de fluxo. Dessa forma, não criam trechos mortos em uma linha compartilhada por fluxos de amostra.

Uma configuração ideal, como mostrado na figura 4, coloca a porta de amostra de laboratório em um loop de bypass — um loop de bypass separado para cada linha de amostra — antes do sistema de seleção de fluxo. A porta de amostra de laboratório, manômetros e outros trechos mortos podem ser localizados no loop de bypass, a jusante do ponto onde o fluxo é desviado para o analisador. Uma vantagem adicional desta configuração é que enquanto um fluxo está rodando para o analisador, os outros fluxos continuam fluindo através de seus respectivos loops de bypass, mantendo a amostra atual. Componentes com memória limitada, aqueles que podem ser localizados com segurança após o sistema de seleção de fluxo, incluem alguns reguladores de alta qualidade, válvulas de bloqueio, válvulas de retenção e medidores de vazão. No caso de amostras líquidas, quando há queda mínima de pressão através do analisador, componentes de trecho morto como manômetros podem ser localizados após o analisador.

Usar uma configuração de duplo bloqueio e purga (DBB), que consiste em duas válvulas de bloqueio e uma válvula de purga indo para um vento, é um padrão bem estabelecido na indústria — e por boas razões: Ele protege contra contaminação entre fluxos de fluido. Esta configuração deve ser usada sempre que houver um bloqueio pretendido entre dois fluxos de fluido que devem permanecer separados. DBB é a base de todos os sistemas de seletor de fluxo.

Além da colocação de componentes, seleção de componentes também é um fator importante no projeto de sistema de controle de processo. Componentes variam na quantidade de espaço morto que contêm. O projetista do sistema deve revisar desenhos de corte transversal e procurar por espaço morto. O caminho de fluxo através de uma válvula ou conjunto de componentes deve ser suave e sem mudanças bruscas de direção, que podem causar queda de pressão.

Vazamentos e Permeação

Vazamentos e permeação ocorrem na direção de menor pressão parcial. Para determinar se vazamentos ou permeação serão um problema para um sistema, identifique a composição da amostra e sua pressão absoluta, e faça o mesmo para a atmosfera fora do sistema. A partir daí, determine a pressão parcial. Por exemplo, se a mídia do sistema é 100% nitrogênio a 100 psia, então a pressão parcial do nitrogênio é 100 psia. E se, para simplificar, dissermos que a atmosfera é 80% nitrogênio e 20% oxigênio a 15 psia, então a pressão parcial será nitrogênio 12 psia e oxigênio 3 psia. Dadas estas condições, oxigênio vazará para dentro do sistema e nitrogênio vazará para fora do sistema. Mesmo se a pressão do sistema fosse aumentada para 200 psia, 1000 psia ou mais, oxigênio da atmosfera ainda vazaria para dentro porque a pressão parcial para oxigênio é maior fora do sistema que dentro do sistema.

Permeação nem sempre é um problema. Uma pequena quantidade de oxigênio vazando para a amostra pode não importar, dependendo da aplicação. Quando permeação é um problema potencial, o projetista do sistema deve evitar anéis O, elastômeros e PTFE e, em vez disso, empregar aço inoxidável e vedações metal-metal onde quer que possível. Outra possibilidade é encerrar o sistema de condicionamento de amostra ou outras partes do sistema em uma caixa purgada com nitrogênio.

Configurações de projeto de algumas válvulas pneumáticas permitem vazamentos ou permeação entre a amostra e o ar de atuação. O atuador de uma válvula pode ser integral ao projeto da válvula, como em válvulas modulares miniaturas. Em outras palavras, o corpo da válvula e o atuador estão contidos no mesmo bloco, e podem ser separados por apenas uma única vedação, como um anel O. Se esta única vedação falhar, moléculas do ar pneumático poderiam vazar para a amostra, ou moléculas da amostra podem escapar para o ar de atuação. Tais vazamentos podem levar a uma leitura analítica ruim ou, pior, poderiam causar um incêndio ou explosão. Ao empregar atuadores integrais ao projeto da válvula, procure válvulas com vedações duplas bem como disposições de segurança, como um espaço de ar ventilado, que permite que ar ou vazamentos de processo escapem com segurança (Figura 5).

Figura 5. Neste desenho de uma válvula de duplo bloqueio e purga, vedações duplas e um espaço de ar ventilado protegem contra a possibilidade de ar de atuação vazando para o fluxo de fluido.

Adsorção

Adsorção refere-se à tendência de algumas moléculas grudarem em superfícies sólidas, incluindo o interior de tubulações. Algumas moléculas, como nitrogênio, oxigênio e outros "gases permanentes", grudam em superfícies sólidas mas são facilmente desprendidas. Outras moléculas, como água e sulfeto de hidrogênio, grudam na tubulação e seguram forte. Se uma dessas moléculas pegajosas está na amostra, ela grudará na superfície interna da tubulação e não aparecerá na leitura analítica por algum tempo.

Alguns operadores acreditam que uma vez que o interior da tubulação foi saturado, o problema de adsorção desaparece, mas isso não é verdade. Suponha que a temperatura da tubulação aumente, como resultado de mudanças diárias na intensidade do sol. Temperaturas mais altas dão mais energia às moléculas, para que elas deixem as paredes da tubulação e causem mudanças na leitura analítica.

Se as moléculas sendo medidas compõem mais de 100 ppm em sua amostra, adsorção provavelmente não importará muito. No entanto, se as moléculas sendo medidas compõem menos que esta quantidade, adsorção deve ser abordada. Uma superfície eletropolida no interior da tubulação, ou revestimento de PTFE, fornecerão melhorias marginais na taxa de adsorção. Outra opção é tubulação revestida com silício. Durante a fabricação, um revestimento muito fino de silício é depositado no interior da tubulação. Embora o produto seja caro, a taxa de melhoria é dramática. A tubulação ainda é flexível com o revestimento de silício, embora o raio mínimo de curvatura seja aumentado.

Preservação de Fase

Manter uma amostra representativa requer evitar uma mudança parcial de fase na amostra. Moléculas assumem diferentes fases — sólido, líquido, gás ou uma mistura — dependendo da temperatura e pressão no sistema. O ponto no qual as fases começam a mudar para cada molécula é diferente, como representado em diagrama de fase, com temperatura ao longo de um eixo e pressão ao longo do outro. A Figura 6 mostra abaixo a composição da água. Linhas sólidas mostram as interfaces entre as fases.

Figura 6. O gráfico de mudança de fase mostra os pontos onde a água muda entre sólido, líquido e gás.

Uma amostra analítica geralmente consiste em mais de um tipo de molécula. É importante determinar a composição da amostra (i.e., qual porcentagem consiste da molécula A, qual porcentagem consiste da molécula B, etc.).

Enquanto a amostra permanecer toda líquida ou todo gás, a composição permanecerá a mesma. No entanto, se permitirmos uma mudança parcial de fase da amostra, nossa composição mudará. A Figura 7 abaixo mostra um gráfico de fase para uma mistura de moléculas. Em qualquer ponto entre estas fases líquida e vapor, haverá uma combinação de duas fases — resultando em composições diferentes. Em outras palavras, a amostra fracionou em duas composições diferentes, e o analisador não pode mais determinar qual era a composição original.

Figura 7. Gráfico de fase para uma mistura de moléculas

O desafio antes do engenheiro e técnico do analisador é manter pressão e temperatura em zonas que preservarão a amostra inteira em uma fase através do sistema analítico. Para uma amostra de gás, a solução mais simples é instalar um regulador, que reduzirá a pressão. Adicionalmente, se necessário, as linhas de amostra podem ser aquecidas e mantidas em alta temperatura com tubulação isolada e agrupada. Tanto reguladores quanto tubulação agrupada são componentes relativamente fáceis de instalar e manter.

Para amostras líquidas, os desafios são um pouco maiores. Uma bomba pode elevar a pressão e, se necessário, chillers podem ser instalados. Infelizmente, nem bombas nem chillers são componentes especialmente fáceis de instalar e manter, embora possam ser necessários.

Conclusão

Manter uma amostra representativa pode ser desafiador. Não há alarme que dispara em um sistema de instrumentação analítica anunciando que a amostra não é representativa. A única maneira de descobrir o problema é estar familiarizado com os pontos nos quais o sistema de amostra pode falhar. Felizmente, cada um destes problemas são evitáveis ou corrigíveis. A maioria das ações corretivas pode ser resumida da seguinte forma:

• Conhecer o projeto do componente e suas limitações (trechos mortos, espaços mortos, vazamento de ar de atuação)
• Fazer as perguntas certas ao fornecedor de sistemas de fluidos (ex: sobre classificações de pressão de válvulas, desenhos de corte transversal e dados de purga)
• Colocar componentes no local certo no sistema de controle de processo (ex: no loop de bypass, em um lado ou outro do sistema de seleção de fluxo)
• Determinar/calcular se adsorção acontecerá ou importará (baseado em pressão parcial)
• Conhecer quais materiais ou projetos prevenirão vazamentos, permeação e adsorção
• Calcular e manter a pressão e temperatura adequadas para preservação de fase, baseada em diagramas de fase

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_{Imagens © 2013 "Industrial Sampling Systems"}