ANALISADORES EM LINHA PRINCPIOS ANALTICOS E INSTRUMENTAIS

UNIVERSIDADE PETROBRAS RIO DE JANEIRO 27 A 30 DE NOVEMBRO DE 2.006

1

NDICE Introduo Sistemas de Amostragem Analisadores por Condutividade Eltrica Analisadores de pH Analisadores de Sdio Analisadores de Cloro Analisadores de Slica Analisadores de Oxignio Dissolvido Analisadores de Turbidez Analisadores por Condutibilidade Trmica Analisadores por Absoro de Radiao Analisadores de Oxignio Analisadores de Umidade em gases Analisadores por Cromatografia Analisadores por Fluorescncia de Raios-X Bibliografia 3 5 34 37 50 54 58 59 64 67 71 91 101 107 120 126

2

IntroduoOs analisadores em linha, ou instrumentos automticos de medio de qualidade, foram desenvolvidos inicialmente para substituir ou complementar as anlises de laboratrio. Com o avano tecnolgico nos diversos campos da fsica e particularmente da eletrnica microprocessada, muitos mtodos analticos foram automatizados e os analisadores tornaramse relativamente mais baratos, mais versteis, mais confiveis e robustos. Mas, ainda nos dias atuais, a aplicao eficiente de analisadores em linha um dos grandes desafios enfrentados pelas equipes de engenharia e manuteno, sendo necessrio integrar conhecimentos especficos em diferentes reas de atuao tais como instrumentao, qumica analtica e mecatrnica, alm claro de ter conhecimento do processo no qual ir se aplicar o analisador. O sucesso da implantao de um analisador em linha est diretamente relacionado s etapas seqenciais de projeto que devem ser assistidas por profissional ou grupo de profissionais que observem cada particularidade da matriz instrumento x processo. Seleo de um mtodo de anlise Para selecionar um mtodo analtico de forma inteligente, essencial definir claramente a natureza do problema analtico. Tal definio requer respostas para as seguintes questes: Que exatido necessria? Qual a quantidade de amostra disponvel? Qual o intervalo de concentrao do analito? Que componentes da amostra causaro interferncia? Quais as propriedades fsicas e qumicas da matriz da amostra? Quantas amostras sero analisadas. Caractersticas de Eficincia dos Instrumentos Figuras de Mrito Permitem restringir a escolha relativamente poucos instrumentos para um dado problema analtico. Critrio 1. Preciso 2. Tendncia 3. Sensibilidade 4. Limite de deteco 5. Faixa de concentrao 6. Seletividade Figura de Mrito Desvio-padro absoluto, desvio-padro relativo, coeficiente de variao, varincia. Erro sistemtico absoluto, erro sistemtico relativo. Sensibilidade de calibrao, sensibilidade analtica. Branco mais trs vezes o desvio padro do branco. Limite de quantificao at concentrao limite de linearidade. Coeficiente de seletividade.

Aplicaes As principais aplicaes para os analisadores de processo so: Monitorao ou controle ambiental neste caso, o investimento necessrio para implantao e manuteno de um analisador em linha pode ou no ser justificvel. H situaes em que o analisador faz parte das exigncias de rgos ambientais, comunidades ou colaboradores (CIPAs). Segurana os instrumentos so necessrios para monitorar vazamentos ou acmulos de gases ou lquidos txicos ou inflamveis. Controle de qualidade e otimizao de processos neste caso os analisadores s devem ser aplicados aps meticuloso estudo de viabilidade tcnica, levando-se em conta no somente os custos de implantao, mas tambm de manuteno do sistema de anlise completo. Muitas

3

vezes o resultado pode ser surpreendente. A partir da deciso da implantao de um analisador em linha, deve-se ter em mente que a confiabilidade do mesmo ser funo de parmetros operacionais que precisam ser atingidos e mantidos, a saber: Exatido de resultados Disponibilidade

Apesar de parecerem apenas dois itens simples, estes dois parmetros englobam outros aspectos preciosos. Para obter-se exatido de resultados ser necessrio que o mtodo analtico tenha sido corretamente proposto, que o sistema de amostragem seja capaz de condicionar o fluido em medio para o analisador sem perda de representatividade e que os resultados das medies tenham correlao com um mtodo de referncia, usualmente o laboratrio de controle de qualidade. J para atingir uma disponibilidade aceitvel (acima de 95% para a maioria das aplicaes), necessrio que haja tcnicos capacitados e disponveis para a manuteno do sistema, proviso de materiais de consumo e peas de reposio.

4

SISTEMAS ANALTICOS DE PROCESSO

O sistema analtico de processos composto por um equipamento ou conjunto de equipamentos que possibilitam a medio de uma varivel analtica.

Sistema de Amostragem

Analisador em Linha

Telemetria

INSTRUMENTOS DE ANLISE OU ANALISADOR Equipamento de funcionamento automtico que mede a varivel analtica. SISTEMA DE AMOSTRAGEM Equipamento pouco sofisticado de operao automtica, com a finalidade de retirar, continuamente do processo, amostras, enviando-as, aps preparao, ao analisador. Os analisadores so construdos de modo a receberem uma amostra dentro de certas condies padronizadas de presso, temperatura, umidade, particulados e corrosividade. As condies da amostra dentro do processo fogem geralmente dos padres estabelecidos para o analisador. O sistema de amostragem age como elo de ligao entre o processo e o analisador, transformando uma amostra inicialmente imprpria para anlise em uma amostra representativa e perfeitamente mensurvel. Devido infinidade de processos existentes nas industrias, existe conseqentemente, uma variedade de sistemas de amostragem, cada qual adaptada s condies peculiares da amostra a ser analisada. Normalmente existe uma tendncia de relegar o sistema de amostragem a um plano secundrio de importncia durante a instalao do analisador. Este fato implica na existncia de uma serie de problemas que so atribudos aos analisadores sendo, na verdade, provenientes da aplicao inadequada do sistema de amostragem. O sucesso da operao de um sistema de anlise, no seu todo, est na operao adequada e perfeita do seu sistema de amostragem e do analisador. O sistema de amostragem deve fornecer continuamente ao analisador, uma amostra limpa e representativa, no tocante s caractersticas a serem analisadas.

Processo

Utilidades- sistema de limpeza - padres - etc.

Utilidades- ar comprimido - gases auxiliares - reagentes - etc.

CLASSIFICAO DE REA

5

AMOSTRA REPRESENTATIVA Considera-se uma amostra representativa quando a varivel analisada no sofre modificaes durante a captao. Outros compostos que fazem parte da amostra e que no so de interesse analtico podem ser reduzidos no momento da captao atravs de um pr-condicionamento. CARACTERIZAO FSICO-QUMICA DA AMOSTRA muito importante conhecerem-se as condies fsicas e qumicas da amostra no processo, uma vez que essas informaes ajudaro na especificao e no dimensionamento dos equipamentos que compem o sistema analtico. A determinao das caractersticas fsicas e qumicas da amostra no processo um procedimento que permite conhecer a natureza dos fatores que compem a amostra e seu estado fsico, isto , presso e temperatura. FUNES DE UM SISTEMA DE AMOSTRAGEM O sistema de amostragem, de acordo com o tipo de processo, pode desempenhar as funes listadas a seguir. Captar a amostra. Transportar a amostra. Condicionar a amostra. Transportar a amostra analisada para a exausto, para o dreno ou de volta para o processo. Possibilitar a tomada de amostra para anlise em laboratrio. Possibilitar a admisso de gases para calibrao. Representao esquemtica de um sistema de amostragem.

1- Captao sonda com filtro externo aquecido 2- Transporte linha (tubulao) aquecida 3- Admisso de padres - calibrao 4- Condicionamento secagem (reduo do ponto de orvalho e remoo de condensado). 5- Regulao de vazo 6- Filtrao 7- Analisador 8- Descarga da amostra

6

EQUIPAMENTOS DO SISTEMA DE AMOSTRAGEM Descrio Os equipamentos do sistema de amostragem so compostos, em sua maioria, por dispositivos mecnicos e eletromecnicos. Esses equipamentos apresentam uma construo mais simples que a de outros instrumentos utilizados em malhas de controle. Classificao Os principais tipos de equipamentos que compem os sistemas de amostragem so apresentados na tabela a seguir. Denominao Sonda Funo Retirar amostra do processo. Comentrio Existem vrios tipos. As mais utilizadas so: sonda simples, sonda com filtro e sonda refrigerada.

Cmara

Possibilitar o contato de amostras Existem trs tipos: cmara de lquidas com eletrodos de pH, imerso, cmara para operao condutividade, etc. em linha e cmara de insero. Transportar a amostra ao longo do Empregam-se com sistema de amostragem. freqncia tubos de inoxidvel de 1/2 e 1/4. mais ao

Tubulao de amostragem

Filtro

Retirar, da amostra, partculas Existem dois tipos: filtros com slidas ou substncias prejudiciais elementos porosos e fibrosos ao sistema analtico. para eliminao de partculas e filtros com elementos base de substncias qumicas para reteno de agentes corrosivos. Possibilitar a suco da amostra A bomba mais utilizada a de contida no processo. membrana. Existem ainda outros tipos, entre os quais a bomba de pisto e a bomba com jato de gua (ejetor).

Bomba

Desumidificador

Diminuir a quantidade de vapor de Os trs tipos de desumidificador gua contida na amostra. mais utilizados so: a geladeira de gs, o condensador e o secador com silica-gel. Vaporizador Transformar a amostra liquefeita em amostra gasosa. Borbulhador Proteger o sistema de amostragem contra elevao bruta de presso. Pote de condensado Acumular o condensado de gua que A drenagem pode ser a manual se forma num ponto do sistema de ou automtica. amostragem para posterior drenagem. Vlvula auto-reguladora de Possibilitar o controle da presso da impulso interno amostra no sistema de amostragem. Vlvula unidirecional Permitir a passagem da amostra num s sentido. Vlvula multivias Permitir o chaveamento de fluxo no Utilizam-se mais sistema de amostragem. freqentemente vlvulas de 3 e de 4 vias. Vlvula solenide Permitir o chaveamento ou o bloqueio do fluxo no sistema de amostragem. Rotmetro Possibilitar o controle de vazo no Utilizam-se Rotmetro com ou

7

Dreno

sistema de amostragem. sem ajuste de fluxo incorporado. Retirar condensado de potes, filtros, Pode ser de funcionamento desumidificadores, etc. automtico ou manual.

SIMBOLOGIA DE EQUIPAMENTOS PARA SISTEMAS ANALTICOS Todo fluxograma de instrumentao deve seguir, a princpio, a norma ISA 5.1.

CAPTAO DA AMOSTRA A captao de uma amostra representativa um fator fundamental na preciso geral da medio. O problema principal de captao de amostra aparece nos processos em que existe heterogeneidade com relao ao elemento em anlise. o caso da medio do oxignio residual nas chamins, ou de outros gases queimados nos processos de combusto. A figura a seguir mostra um corte efetuado em um duto de gases queimados de uma caldeira.

Observam-se as diferentes concentraes de oxignio, de acordo com o local considerado. Estas diferenas so provocadas, principalmente, pelas baixas velocidades existentes no interior do duto, permitindo a estratificao do gs junto s paredes, onde as velocidades atingem valores muito baixos. As diferenas de densidade e entrada de ar tambm contribuem para a heterogenizao do fluxo gasoso. A captao de uma amostra representativa, nestas condies, bastante difcil. A soluo mais simples seria localizar, no processo, um ponto onde houvesse uma homogeneizao natural provocada por algum elemento interno, como um ventilador, vlvula de controle, placa de orifcio, etc. A soluo ideal, sob o ponto de vista tcnico, o sistema de amostragem mltipla, que consiste em retirar do processo vrias amostras em pontos diferentes e promover uma mistura homognea entre elas, de forma a obter uma mdia aproximada, das condies do processo. A captao pode ser feita com a utilizao dos seguintes equipamentos: Tomada de amostragem Sonda de amostragem TOMADA DE AMOSTRAGEM a tubulao de amostragem ligada diretamente ao processo. utilizada com mais freqncia na captao de amostras lquidas. SONDA DE AMOSTRAGEM um tubo introduzido no processo. Alguns tipos de acessrios podem ser acoplados sonda para pr-condicionar a amostra.

8

As sondas mais comuns so: Sonda simples Sonda refrigerada a gua Sonda com filtro Sonda com ejetor As sondas so mais usadas na captao de amostras gasosas. LOCALIZAO DAS SONDAS DE AMOSTRAGEM Para localizao da sonda devem ser considerados os seguintes fatores: Estratificao do gs na tubulao Entradas de ar prximas captao Espaos mortos Outros problemas de captao esto relacionados com a alterao das caractersticas em anlise da amostra, por fatores como: a) Entrada de ar na sonda ou no processo prximo ao ponto de amostragem, problema que ocorre com freqncia nos sistemas que operam com presso inferior atmosfrica. b) Ao cataltica da sonda sobre a amostra; dependendo do material e da temperatura da sonda, pode ocorrer, por exemplo, a queima de alguns resduos de gases combustveis. c) Absoro de algum componente, no caso das sondas, com sistemas de lavagem / refrigerao com gua ou vapor. ESPECIFICAO DE SONDAS DE AMOSTRAGEM A especificao tcnica da sonda deve obedecer a critrios de construo de acordo com a aplicao analtica e as condies de processo: - O material da sonda deve ser compatvel com os componentes da amostra. Consultar tabela de resistncia qumica dos materiais. - O tipo da sonda (material e geometria) sonda deve ser capaz de suportar a presso e temperatura do processo. Consultar tabela de resistncia mecnica dos materiais. - o comprimento da sonda deve ser adequado de forma a captar uma poro representativa da amostra, evitando estratificaes, infiltraes e estagnao. - o dimetro da sonda deve ser suficientemente grande para prolongar o tempo de operao da sonda frente deposio de material na parede interna, sem comprometer o tempo de resposta do sistema de amostragem, devido diminuio de velocidade da amostra no interior do tubo.

Pr-condicionamento da amostra Nos casos em que a amostra apresente condies adversas de temperatura e com impurezas, tornam-se necessrios resfriamento e limpeza prvia, antes de a mesma ser encaminhada ao analisador. As impurezas, como partculas slidas, podem ser eliminadas por meio de filtros situados na prpria sonda. Na sua forma mais simples, a filtragem pode ser executada por uma sonda chanfrada na extremidade de captao. Nesta sonda, as partculas mais pesadas no penetraro, devido inrcia das partculas.

9

Amostra

Vlvula de Bloqueio

A sonda a seguir possui um filtro na extremidade de captao dentro do processo e, eventualmente, na extremidade externa. O filtro interno protege o prprio tubo da sonda contra entupimentos. As principais desvantagens deste tipo de filtragem esto na dificuldade de acesso ao filtro para limpeza e na limitao de uso em temperatura acima de 500C.

Para temperaturas mais elevadas usa-se sonda que possui somente um filtro na parte externa.

O material usado no filtro dependera das condies da amostra, podendo ser uma simples tela de ao inoxidvel ou elementos sintetizados de bronze, ao inox ou cermica.

10

O material da sonda depender do tipo de amostra e da temperatura do ponto de captao.

A temperatura afeta a sonda de duas maneiras: a) Mecanicamente: podendo comprometer empenamento, rompimento ou mesmo fuso. sua resistncia estrutural, ocasionando

b) Quimicamente: podendo reagir com o gs a ser analisado ou provocar reaes catalticas entre os componentes da amostra ou mesmo o rompimento de molculas. O ao-carbono comum pode ser usado at uma temperatura da ordem de 400C. Quando houver possibilidade de agir cataliticamente sobre os componentes da amostra, como nos gases queimados com oxignio e combustveis residuais, a temperatura mxima dever ser limitada em 200C. O ao inoxidvel do tipo 316 pode ser usado at uma temperatura da ordem de 750 C, a no ser que ocorram reaes catalticas na amostra. Para temperaturas acima de 750 C e abaixo de 1250 C so usadas ligas de ao refratrio, que apresentam boa resistncia mecnica e pouco efeito cataltico sobre a amostra. As ligas mais comuns so: sicromal (CL 0,12%; 23%< Cr< 25%; 1,3< Al < 1,6%): at 900 C. Nimonic (0,2% < Ti < 0,6; Cu < 0,5%; Mn < 1%; Si < 1%; 0,08%