Dominando a Vaporização em Sistemas de Amostragem: Um Guia Prático

Como Gerenciar a Vaporização em Sistemas de Amostragem

Jon Kestner

Não é fácil vaporizar uma amostra, nem sempre é possível. No entanto, se o analisador em seu sistema de amostragem analítica requer gás, mas a amostra é líquida, a única opção é converter o líquido em gás. Este processo é chamado de vaporização ou flash vaporização. O objetivo é converter uma amostra totalmente líquida em vapor instantaneamente sem alterar a composição.

Se você prosseguir com a vaporização, é importante entender a diferença entre evaporação e vaporização. A evaporação ocorre gradualmente com um aumento de temperatura. A vaporização ocorre instantaneamente com uma queda de pressão.

Não é possível vaporizar uma amostra aumentando a temperatura. O calor causa evaporação, e adicionar mais calor simplesmente faz a evaporação acontecer mais rápido. Em uma amostra mista, a evaporação permitirá que alguns compostos evaporem antes de outros, resultando em fracionamento. A vaporização, quando feita corretamente, garante que todos os compostos vaporizem ao mesmo tempo, preservando a composição da amostra.

As coisas podem dar errado ao vaporizar. Em vez de transformar toda a amostra em vapor, você pode causar involuntariamente uma combinação de vaporização e evaporação, resultando em fracionamento. Uma vez que uma amostra de compostos mistos fraciona, ela não é mais adequada para análise.

Com fracionamento, um cenário comum é que moléculas mais leves evaporem primeiro e viajem em direção ao analisador, enquanto as moléculas mais pesadas permanecem na fase líquida. Mesmo que em algum ponto posterior do processo uma amostra fracionada pareça ser todo gás, a mistura não terá as mesmas proporções moleculares que tinha antes do fracionamento. Ela não representará mais accuradamente o produto retirado da linha de processo. Ajustar variáveis de processo – temperatura, pressão e vazão – pode ajudar a garantir vaporização adequada e um resultado analítico preciso.

Entendendo a Vaporização

Para vaporizar uma amostra, tipicamente usa-se um regulador vaporizador, também chamado de vaporizador. Um vaporizador é um regulador redutor de pressão com a capacidade de transferir calor para a amostra no local certo. A vaporização consiste em um processo de três estágios, como visto no diagrama abaixo. Primeiro, a amostra entra no regulador vaporizador como líquido. Neste ponto, o líquido não deve estar fervendo.

Segundo, o líquido passa pela cavidade de regulação no regulador vaporizador, resultando em uma queda severa e súbita de pressão vaporizando o líquido. Ao mesmo tempo, calor é aplicado, permitindo que o líquido vaporizado permaneça como vapor.

Terceiro, a amostra, agora um gás, sai do regulador vaporizador e viaja para o analisador para ser lida. Devido à transição imediata para a fase de vapor, a composição do gás é inalterada em relação à do líquido, garantindo uma leitura precisa.

Neste processo delicado, existem muitas variáveis ou entradas que determinam sucesso ou falha. Para fins desta discussão, focaremos em dois conjuntos principais de entradas.

O primeiro conjunto de entradas relaciona-se à composição da amostra. Dependendo de sua composição, a amostra começará a borbulhar e terminará de vaporizar em diferentes pressões e temperaturas. Precisaremos saber quais são essas pressões e temperaturas para gerenciar o processo com sucesso.

O segundo conjunto de entradas concerne configurações que você controla em seu sistema de amostragem: pressão, temperatura e vazão. Pressão e temperatura são controladas no vaporizador, enquanto a vazão é controlada a jusante em um rotâmetro (medidor de vazão de área variável) e válvula de agulha. Estas entradas são definidas com base no que sabemos sobre o primeiro conjunto de entradas. A vaporização adequada requer um equilíbrio delicado de cada entrada. Mesmo abordando a vaporização de maneira sistemática como esta, o processo requer alguma tentativa e erro.

Entendendo a Amostra

A melhor maneira de entender o primeiro conjunto de entradas é com um diagrama de fase. Um diagrama de fase plota pressão e temperatura, mostrando em qualquer par de condições se uma substância será vapor, líquido ou sólido. As linhas indicam as interfaces entre duas fases.

O gráfico abaixo representa um diagrama de fase para 20% de hexano em pentano. Quando a amostra está acima do ponto de bolha (linha azul), é todo líquido. A amostra deve ser todo líquido quando entra no vaporizador. Quando a mistura está abaixo do ponto de orvalho (linha dourada), é todo vapor. A amostra deve ser todo vapor quando sai do vaporizador.

Diagrama de fase mostrando 20% de hexano em pentano, com configurações de temperatura

Entre as linhas do ponto de bolha e ponto de orvalho está a faixa de ebulição, ou "zona proibida" da amostra. Aqui, a mistura está em duas fases – parte líquida e parte vapor. Uma vez que uma amostra cai nesta faixa, ela é fracionada e não é mais adequada para análise.

Com amostras puras e quase puras, há pouca, ou nenhuma, faixa de ebulição. As linhas do ponto de bolha e ponto de orvalho estão quase sobrepostas. Amostras puras e quase puras se converterão em vapor da mesma composição, seja através de evaporação ou vaporização. Algumas amostras industriais se aproximam desse nível de pureza e se convertem facilmente.

Por outro lado, algumas amostras têm uma faixa de ebulição tão ampla que não podem ser vaporizadas com sucesso. Não há como passar do lado líquido para o lado de vapor da faixa de ebulição. As variáveis – temperatura, vazão e pressão – não podem ser alteradas para evitar fracionamento.

A maioria das amostras fica entre esses dois extremos. Por exemplo, no diagrama de fase da amostra, a banda entre o ponto de bolha e ponto de orvalho é estreita o suficiente para que, com as configurações adequadas, a amostra possa efetivamente passar do lado líquido para o lado de vapor da faixa de ebulição. Ao mesmo tempo, a banda é ampla o suficiente para que as variáveis devam ser cuidadosamente alteradas para evitar ter uma amostra na faixa de ebulição.

Definindo Temperatura, Pressão e Vazão

A vaporização é um ato de equilíbrio entre as variáveis. O seguinte é um processo de quatro etapas para definir entradas para sua temperatura, pressão e vazão.

1. Determine a pressão de entrada no vaporizador. Esta pressão, que é fixa, é a pressão do processo, desde que o vaporizador esteja localizado próximo ao ponto de coleta da amostra. Pressão mais alta é melhor porque permite uma temperatura mais alta no vaporizador, sem ferver o líquido de entrada.

2. Defina a temperatura de entrada. Existem dois objetivos ao definir a temperatura. Primeiro, a temperatura deve ser baixa o suficiente para que, quando a amostra entra no vaporizador, ela seja inteiramente líquida e não esteja borbulhando. No diagrama de fase de 20% de hexano em pentano, o ponto de bolha a 4 bar é 88°C. Para permitir uma margem de erro na manutenção do estado líquido, escolha 80°C.

   O segundo objetivo é que a temperatura deve ser alta o suficiente para contribuir para a vaporização da amostra. Quando você vaporiza a amostra, a temperatura cai, de acordo com as leis de conservação de energia. A temperatura da amostra deve ser alta o suficiente no início para que, após a queda de pressão, a amostra não esteja na faixa de ebulição.

3. Defina a pressão de saída no vaporizador. O objetivo é reduzir a pressão abaixo da linha dourada do ponto de orvalho. No diagrama de fase de exemplo, a pressão de saída é definida para 1,5 bar. Se a pressão de saída fosse mais alta neste exemplo, a amostra não vaporizaria completamente e fracionaria.
4. Defina a vazão. A vazão é definida a jusante em uma válvula e rotâmetro, não no vaporizador. Em um sistema de amostragem, alta vazão de vapor é desejável porque move a amostra para o analisador mais rápido. No entanto, alta vazão pode ser problemática, também, porque mais calor é necessário para vaporizar a amostra. Em outras palavras, alta vazão resulta em uma maior queda de temperatura no momento da vaporização. No diagrama de fase de exemplo, a linha roxa ilustra a queda de temperatura. À medida que a vazão aumenta, a linha roxa inclina-se mais acentuadamente para a esquerda.

Outra variável que influencia a queda de temperatura é a capacidade de transferência de calor do vaporizador. Alguns vaporizadores são construídos de forma que o calor é transferido mais eficientemente para a amostra. Quando a amostra líquida se converte em vapor e sua temperatura cai, ela extrai calor do aço inoxidável ao redor. A questão crítica é quão eficientemente o vaporizador pode repor esse calor e mantê-lo fluindo para a amostra. Quanto mais calor a amostra pode extrair, menos sua temperatura cai durante a vaporização.

Em alguns casos, é possível que o vaporizador esteja quente ao toque por fora, mas frio no núcleo interno. Isso ocorre porque a amostra vaporizada está extraindo muito calor e o vaporizador não consegue transferir calor suficiente para acompanhar. A melhor solução é reduzir a vazão.

A vaporização envolve alguma aproximação. Engenheiros de Serviço de Campo da Swagelok podem ajudar sua equipe a determinar os vaporizadores adequados para seu sistema de amostragem específico. Como regra prática, mantenha a taxa de vazão o mais baixa possível sem causar um atraso inaceitável no tempo de viagem da amostra para o analisador. É melhor começar com uma taxa de vazão baixa e experimentar aumentá-la do que começar com uma taxa de vazão inicialmente mais alta.

Solução de Problemas

Diagramas de fase ajudam a aproximar configurações de temperatura, pressão e vazão, mas alguma solução de problemas ainda será necessária. Uma indicação certa de problema é a baixa repetibilidade nos resultados do analisador. Abaixo, apresentamos duas possibilidades quando a amostra está fracionando em vez de vaporizando, com o problema #1 sendo o mais comum:

Problema #1

Apenas parte da amostra está sendo vaporizada. Líquido passa pelo vaporizador e permanece na tubulação no lado a jusante. Eventualmente, ele evapora, e extrai calor da tubulação ao redor, tornando a tubulação fria ao toque ou causando formação de geada ou gelo. Líquido no lado a jusante do vaporizador pode passar além da área do regulador e entrar em outros componentes, como medidores de vazão e filtros, onde pode causar danos consideráveis.

Solução #1

Para resolver este problema, a melhor opção seria reduzir a taxa de vazão. Outra opção seria reduzir a pressão de saída do vaporizador, se isso for possível. Uma terceira opção seria aumentar o calor no regulador, mas com o risco adicional de reduzir a vida útil do vaporizador e potencialmente causar o problema #2 (veja abaixo).

Problema #2

A amostra está fervendo na entrada do vaporizador. Ela está fracionando antes de poder ser vaporizada. Um indicador deste problema é que o tubo de entrada do vaporizador treme, às vezes violentamente, e os valores de medição oscilam. Moléculas mais leves evaporam e produzem uma grande nuvem de moléculas de vapor. Algumas dessas moléculas mais leves movem-se para o analisador, dando uma análise imprecisa. O restante cria uma "parede de vapor", que empurra o líquido de volta para o processo. Uma porção dessa parede de vapor então esfria e condensa. Finalmente, a amostra líquida move-se novamente em direção ao vaporizador, onde as moléculas mais leves evaporam, iniciando o ciclo novamente. Eventualmente, as moléculas mais pesadas alcançam o vaporizador e movem-se em direção ao analisador dando uma análise totalmente diferente.

Solução #2

Para resolver este problema, reduza a temperatura do vaporizador.

Conclusão

Vaporizar uma amostra líquida é desafiador. Em muitos sistemas de amostragem ao redor do mundo, vaporizadores estão constantemente fracionando amostras e enviando amostras não representativas para o analisador. Você pode aumentar dramaticamente suas chances de sucesso usando um diagrama de fase da mistura particular de compostos do seu sistema. Você pode aumentar ainda mais sua taxa de sucesso entendendo o que está ocorrendo no processo – especificamente, conhecendo quais são as variáveis (temperatura, pressão e vazão) e entendendo seu papel em influenciar o resultado do processo. Com esta estrutura em vigor, você pode alcançar as configurações certas, ajustando de acordo com os sinais e sintomas que observa.