MATERIAL DE APOYO

CURSO ANALIZADORES CONTINUOS DE GASES

1.- INTRODUCCION

El perfil de la demanda de productos finales, se ha desarrollado desde un nivel

relacionado exclusivamente con la cantidad, calidad y precio final del producto, hasta

un nivel que incorpora normativas, para la seguridad y proteccin de los recursos

asociados a la operacin del proceso productivo y para el impacto ambiental del

mismo.

En este escenario, la instrumentacin industrial y especficamente los sistemas de

anlisis de gases, han tomado una importancia relevante, por cuanto a su aplicacin

en el control del proceso, se han sumado otras relacionadas con la gestin del

mismo para el cumplimiento de las normativas sealadas precedentemente.

2.- OBJETIVOS

Este documento tiene por finalidad, abordar temas generales de la especificacin de

instrumentacin de proceso, aplicadas a los equipos de medicin continua de gases

utilizados en planta.

3.- ASPECTOS GENERALES 3.1.- Datos para Especificacin 3.1.1.- Datos del proceso y condiciones de entorno

El primer nivel del desarrollo de la aplicacin, es el mas incidente desde el punto de

vista de su resultado, por cuanto en la medida que se aumenta la desviacin de

estos datos con respecto a la realidad, se aumenta el riesgo de que el diseo del

sistema no pueda cumplir con los requisitos que le sean solicitados.

Por lo anterior todos los datos del proceso que se obtengan para determinar las

capacidades y prestaciones del equipo final, deben estar basados en datos reales y

recientes, obtenidos bajo procedimiento o por estudios de ingeniera en los cuales se

incluyan antecedentes acerca del resultado esperado para el proceso, en donde se

requiere incluir un sistema de anlisis de gases.

Como parte de las especificaciones, se deben incluir datos para su trazabilidad, es

decir la informacin suficiente y necesaria para que en todo momento sea posible

consultar los datos o resultados obtenidos que originan y documentan la

especificacin.

En cualquier caso, es necesario provisionar una verificacin de los datos aportados,

por ejemplo una vez que los equipos se encuentren funcionando en el proceso, con

el fin de evaluar si las posibles desviaciones que se encuentren, puedan afectar las

prestaciones comprometidas por el proveedor del sistema de anlisis de gas.

En esta etapa, se debe especificar:

DATOS DE PROCESO

- Cul es el propsito de la medicin ( Control de proceso, medicin de emisiones,

Otros).

- Que se desea medir ( nombre y concentracin de el o los compuestos de un

volumen gaseoso).

- Componentes gaseosos que acompaan a lo que se desea medir (nombre y

concentracin de los gases que acompaan a la muestra).

- Datos de proceso en el punto de muestreo

Flujo volumtrico.

Temperatura.

Presin interna.

Slidos en suspensin.

Cantidad de agua.

CONDICIONES AMBIENTALES

- Ubicacin fsica del punto de muestreo y del lugar de instalacin del equipo de

anlisis ( en algunos casos es el mismo o estn muy cercanos).

- Altura geogrfica a la que se encontrar.

- Presin atmosfrica mnima y mxima.

- Temperaturas extremas ambientales.

- Indices de humedad relativa extremos.

CONDICIONES TECNICAS

- Clasificacin de peligrosidad del sitio de instalacin ( por ejemplo aplicando

clasificacin de NEC).

- Alimentacin elctrica disponible.

- Aire de instrumentacin. En los casos en que se deba utilizar este servicio, este

debe cumplir estndares como ISA-S7.3 o equivalentes.

- Espacio tcnico para instalaciones auxiliares ( aire de instrumentacin, gases de

referencia, carrier, combustibles)

- Disposicin y manejo de residuos provenientes de los equipos o sus instalaciones

auxiliares.

3.1.2.- Requisitos metrolgicos

Es necesario determinar y especificar, los requisitos que debe cumplir el sistema de

anlisis, para lograr la medicin y/o anlisis requeridos.

Cada sistema de anlisis, debe ser considerado como un conjunto de equipos que

operan e interactan en forma preconcebida, para crear las condiciones necesarias

para la medicin y para efectuarla directamente.

Lo anterior significa que el equipo que realiza el anlisis o medicin del compuesto,

es una parte del sistema y por lo tanto los aspectos puramente metrolgicos, deben

ser acompaanados por otros que se refieren a la funcionalidades necesarias para

asegurar el buen resultado de la medicin.

El aspecto metrolgico se encuentra asociado, a la capacidad del sistema (como

conjunto), de entregar medidas lo mas cercanas a los valores aceptados como

referencias o patrones en un tiempo determinado. Esta capacidad adems, se debe

mantener el mayor tiempo posible o el sistema debe incorporar algunos mtodos o

mecanismos que permitan mantenerla.

3.1.3 Funcionalidades

OPERATIVAS DEL SISTEMA

Incluyen aquellas caractersticas del sistema, que permiten efectuar el proceso de

medicin y/o anlisis de acuerdo a los requerimientos del equipo principal.

Ejemplo de estas funcionalidades son, la forma del muestreo, el transporte de la

muestra, el acondicionamiento de la misma.

En general estas funcionalidades son explicitadas por el proveedor del equipamiento,

considerando que el sistema de anlisis debe efectuar mediciones en las

condiciones declaradas para el proceso y que debe cumplir adems los requisitos

metrolgicos especificados.

INTERFACE

En este grupo, se incluyen las capacidades del sistema para interactuar con el

medio.

Esta interaccin permite presentar resultados de las mediciones y/o anlisis, alarmas

y estados asociados.

Por otra parte ofrecen un medio interactivo, para manejar el estado de

funcionamiento interno , las rutinas de ajuste de la calibracin, limpieza de las vas

de muestreo y transporte.

Fsicamente, corresponden a entradas y salidas en formato estndar,

comunicaciones, interfaces grficas, indicadores de estado.

4.- TECNOLOGIAS DE MEDICION

Para clasificar estos sistemas, podemos establecer un criterio de segregacin, de

acuerdo a la interaccin que se produce entre el dispositivo y materia.

De acuerdo a esto, podemos distinguir los siguientes

4.1.- ABSORCIN IR/UV

Este principio de medicin, est basado en la absorcin resonante especfica de un

compuesto gaseoso.

En este principio se aplican diferentes bandas, por lo cual en la prctica se

encuentran equipos que operan en la zona infrarroja y otros en la ultravioleta.

Los componentes individuales de un volumen gaseoso, son identificados por sus

bandas de absorcin. Cada componente tiene un espectro de absorcin

(fingerprint).

Lo anterior, con la excepcin de :

- Gases mono atmicos, como los gases inertes.

- Gases cuyas moleculas son simtricas, como N 2, O 2 and H 2. Estos gases no

pueden ser medidos con este mtodo.

La relacin entre la medida de la absorcin de radiacin infrarroja y el compuesto

medido, se encuentra modelada por la Ley de LAMBERT-BEER

A = (I0 - I1) / I0 = 1 - e - ( )l

En esta relacin,

A = Absorcin

I0 = Radiacin entrante a la celda de medicin.

I1 = Radiacin saliente de la celda.

() = Factor de extincin de la muestra del componente.

= Densidad de la muestra del componente

l = largo de la celda de muestreo.

La relacin entre la densidad de la muestra del componente y su concentracin

volumtrica c , es

= 0 c p/p0 T0/T

Donde :

0 = Densidad del componente gaseoso puro

p 0 = Presin

T 0 = Temperatura

Bajo condiciones estndar ( una presin atmosfrica de 1013 hPa y 0 C ), la

segunda ecuacin muestra que la concentracin volumtrica del componente

gaseoso, depende de la presin y temperatura en la celda de muestreo.

La primera ecuacin representa una relacin no linear entre la absorcin y la

concentracin volumtrica.

Los medidores ABB que utilizan este principio son los modelos URAS y LIMAS.

URAS 14

N2

CO SO2

NO

N2

N2

N2N2

N2N2

N2NO

COSO2

O2 Sensor

N2

CO SO2

NO

N2

N2

N2N2

N2N2

N2NO

COSO2

O2 SensorO2 Sensor

Source Detector

Calibration CellsInterference Gas

Filters

Safety Cell

Source DetectorDetector

Calibration CellsInterference Gas

Filters

Safety Cell

LIMAS 11

4.2.- CONDUCTIVIDAD TERMICA.

La conductividad trmica es la capacidad de los materiales para dejar pasar el calor.

Dicho de otra forma, la conductividad trmica es la capacidad de los elementos de

transferir el movimiento cintico de sus molculas a sus propias molculas

adyacentes o a otros elementos cercanos.

Al absorber calor, la materia vara el comportamiento de su estado molecular,

incrementndose su movimiento. Es decir, las molculas salen de su estado de

inercia o reposo y adquieren un movimiento cintico provocado por el aumento de

temperatura.

Si a un elemento o cuerpo se le aporta calor por cualquier medio, normalmente

notamos que la materia se calienta, este calor se desplaza desde la zona ms

caliente hasta el punto ms alejado del foco calrico, variando su temperatura en la

distancia de desplazamiento del calor y en el tiempo que transcurre en recorrer

desde el punto ms caliente hasta el lugar ms fro.

En la conduccin del calor desde una zona hacia todos los puntos interiores de un

slido y en cualquier direccin, el flujo de calor es proporcional a la variacin de

temperatura en dicha direccin.

El coeficiente de conductividad trmica es caracterstico de cada sustancia. Expresa

la magnitud de su capacidad de conducir el calor. Se representa con la letra griega .

El principio de medicin, en este caso, est basado en la diferencia de

conductividad trmica entre gases.

Si la mezcla de gases a ser medida rodea completamente a un alambre caliente, el

alambre ser enfriado de acuerdo a la conductividad trmica de la mezcla de gases

que se est midiendo.

Utilizando un alambre con un coeficiente de temperatura estable, este efecto de

enfriamiento puede ser interpretado por el cambio de la resistencia ohmica del

alambre.

Los medidores ABB que utilizan este principio son los modelos CALDOS

Reference side Measuring side

Bypass

Glass-coated

Glass

60 CReference side Measuring side

Bypass

Glass-coated

Glass

60 C

CALDOS 15

60 C60 C

CALDOS 17

4.3.- PARAMAGNETISMO DEL OXIGENO.

El oxigeno es altamente paramagntico y esto lo diferencia de otros gases.

Su susceptibilidad molar es dependiente de la temperatura, es inversamente

proporcional a la temperatura del gas.

Normalmente se utilizan dos principios de medicin:

VIENTO MAGNETICO

El gas a medir es inyectado dentro de un campo magntico. Si el gas a medir no

contiene oxgeno, se produce una distribucin homognea del gas en dicho campo.

En la medida que la concentracin de oxgeno aumenta, una mayor cantidad del

volumen ser guiado al campo magntico.

En los medidores ABB, el campo magntico se encuentra concatenado en una

cmara doble, una seccin solamente contiene el campo magntico.

En ambas cmaras adems se encuentran un resistor cuya temperatura es afectada

por el gas circulante. Si el gas no contiene oxgeno, entonces el flujo por ambas

cmaras es idealmente idntico y por lo tanto el efecto de enfriamiento sobre los

resistores es el mismo.

En la medida que la concentracin de oxgeno aumenta, un mayor volumen del gas

de muestra circula por la cmara que tiene campo magntico. Esta condicin

produce una diferencia de temperatura entre ambos resistores, aumento que tiene

una funcin conocida con la concentracin de oxigeno del gas.

El medidor ABB que utiliza este principio es el modelo MAGNOS 17

N

S

N

S MAGNOS 17

MAGNETOMECANICO

En este caso tambin se utilizan campos magnticos, pero en conjunto con un

dispositivo llamado dumbbel, el que se encuentra suspendido por bandas de tensin

rotatorias dentro de la cmara de muestreo.

El campo magntico no es homogneo.

Cuando el gas a medir no contiene oxgeno, la distribucin del flujo es homognea y

el dumbbel se encuentra en posicin de descanso.

Cuando la concentracin de oxgeno en el gas a medir aumenta, se produce la

torsin del dumbbel.

El dumbbel adems cuenta con un pequeo espejo, que refleja la emisin de un

fotodiodo. Cuando esta en posicin de descanso, la luz reflejada incide en elementos

fotodetectores que se encuentran en la misma cmara.

Si el dumbbel se mueve por un aumento de la concentracin de oxgeno, el haz de

luz que se refleja en el espejo ya no incide de la misma forma que en la anterior

condicin.

La electrnica del medidor, en funcin de esta diferencia, calcula una corriente de

compensacin, para que el dumbbel vuelva a su posicin inicial.

Esta corriente de compensacin, tiene una funcin conocida con la concentracin de

oxgeno.

El medidor ABB que utiliza este principio es el modelo MAGNOS 16/106.

MAGNOS 16/106