INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS ANÁLISE DE GASES - METODOS ELSTRICOS

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1 INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS ANÁLISE DE GASES - METODOS ELSTRICOS Introdução A analise de gases na indústria ê feita normalmente de duas maneiras diferentes: a) Métodos elétricos, com os quais se determina a concentração de um determinado componente na mistura, e b) Cromatográficos de gás, com os quais podem ser feitas análises quantitativas e qualitativas de misturas de gases, Esse capítulo estuda somente os métodos elétricos baseados em condutibilidade térmica absorção de radiação infravermelha, efeitos para magnéticos, e nas propriedades de células de zircônio. Em particular, os métodos elétricos se caracterizam pela rapidez de análise, e pelo fato de apresentar o resultado da medição na forma de sinal elétrico, o qual pode ser utilizado para indicação, registro, alarme e controle. Preparação de amostras Para a obtenção de medições precisas, hã a necessidade de instalações adequadas para a extração e preparação das amostras. Um exemplo de uma instalação desse tipo pode ser visto na fig Sonda para extração de gás; 2. Válvula de 3 vias; 3. Resfriador de gás; 4. Tanque de água condensada; 5. Filtro de H S (preenchido com massa Luz ); 6. Filtro de H SO₄ (preenchido com lã de vidro); 7. Filtro de membrana; 8. Parelho de analise de gás 9. Fonte de Alimentação; 10. Tubo em U para teste; 11. Bomba aspirante. 1

2 O sistema começa por uma sonda de extração de gás, através da qual o gás é extraído do processo" (chaminé, fornalha, etc.). O gás pode estar bastante quente, saturado com vapor d água, pode conter poeiras em suspensão, e ainda ser corrosivo. O material da sonda deve ser resistente ao calor; utilizam-se para tanto tubos de aço espacial ou cerâmica. As partículas de poeira são filtradas através de lã de vidro ou de filtros cerâmicos. Deve ser evitada a condensação do vapor d'água na sonda, visto que a água em conjunto com a poeira pode formar uma lama que pode rapidamente entupir o filtro. Dependendo do ponto de orvalho do gás, o filtro ê aquecido pelo próprio gás, ou por vapor ou resistências elétricas. Quando o gás sai da, sonda, uma parte da umidade existente no mesmo se condensa, e é recolhida em um tanque de água condensada, que serve ao mesmo tempo como selo, para evitar a perda do gás. Para reduzir o ponto de orvalho do gás, eliminando assim praticamente todo o vapor d'água, ele passa por um resfriador de gás, que ao mesmo tempo elimina boa parte do ácido sulfúrico eventualmente existente, protegendo assim o equipamento contra a corrosão. Com o resfriador de gás pode obter-se também uma umidade constante, sem dispositivos especiais de secagem. Dessa maneira, diminui o tempo morto da instalação. Um tipo de resfriador (Siemens - "Sirigor") utiliza para o resfriamento o efeito Peltier. Vários "elementos Peltier" são utilizados no resfriador. As "juntas frias" são colocadas em uma câmara circula o gás. O calor desenvolvido nas juntas quentes é dissipado através de alertas de resfriamento. A temperatura da câmara é mantida constante através de um medidor de temperatura associado a um controlador eletrônico. Um outro tipo de resfriador é constituído por um tubo de parede dupla, no qual circula água. Podem ser usados secadores e filtros adicionais, para secagem e eliminação de impurezas. Para secagem utiliza-se H SO₄, CaCl, CaO silica-gel. Para a eliminação de impurezas são utilizadas carvão ativo,naoh e Na CO₃. É comum utilizar-se ainda um filtro de membrana, para separar poeira fina e vestígios de ácido sulfúrico existentes. A membrana é constituída de uma fibra de vidro ou de plástico, e é capaz de filtrar partículas de até 0,2 µm de diâmetro. Caso a pressão de gás não seja suficiente, utiliza-se uma bomba de membrana, com bomba premente antes do aparelho de analise, ou como bomba aspirante depois do mesmo. Se a pressão do gás for alta, pode ser necessário instalar redutores de pressão apropriados. Os diversos componentes do sistema de preparação da amostra é de analise propriamente dita são geralmente montados em armários, que pode ter temperatura controlada, se necessário. Analisadores por condutibilidade térmica O princípio de funcionamento desses analisadores elétricos de gases se baseia na variação de resistência elétrica de um condutor, quando há uma variação de temperatura. Nos analisadores por condutibilidade térmica, a variação de temperatura do condutor é determinada pela condutibilidade térmica do gás a ser analisado. No analisador Siemens M52008, quatro desses condutores são ligados em um circuito em ponte. Dois deles são circundados pelos gás a ser analisado, e os outros dois por um gas de comparação (Fig. 2). 2

3 Fig. 2 Uma corrente constante aquece os quatro fios de platina, obtendo-se assim um acréscimo de temperatura de cerca de 100 C. Devido as condutibilidades s térmicas diferentes do gás a ser analisado e do gás de comparação, o calor desenvolvido nos condutores é conduzido de maneira às paredes da câmara. Assim sendo, os condutores da câmara de medição e da câmara de comparação vão estar a temperaturas diferentes e portanto terão também resistências diferentes, O equipamento elétrico da ponte é perturbado, e na diagonal da ponte circula uma corrente proporcional a concentração do componente a ser medido. O indicador pode ser calibrado em termos de % CO, % H, % CH, etc. Para medição do conteúdo de CO + H em gases de combustão geralmente feita em conjunto com uma medição de CO, utiliza-se um processo térmico, baseado no calor desenvolvido por uma reação química. Dois fios de medição, de Pt-Ir, colocados em duas células separadas, são aquecidos a 500 C. Na célula de medição circula o gás a ser analisado, (gás de combustão, ao qual se adiciona ar), e na célula de comparação circula somente ar (Fig. 3). 3

4 No fio de medição são queimados o CO e o H. através de ação catalítica. Dessa maneira aumenta consideravelmente a temperatura e a resistência do fio. A variação de resistência e medida por uma ponte de Wheatstone. Analisadores por condutibilidade térmica são utilizados para a determinação das porcentagens de inúmeros gases diferentes, com faixas de medição entre 0-1% e 0-100%, tanto na analise ar ambiente, gases de combustão, etc., como em diversos processos industriais de obtenção dos próprios gases. A precisão e da ordem de 2,5% da largura da faixa de medição, desde que haja uma diferença razoável entre as condutibilidades térmicas do gás a ser analisado e do gás de comparação. Para a obtenção de resultados precisos, o gás deve ser preparado adequadamente, e tanto a vazão de ambos os gases como a temperatura ambiente devem permanecer estáveis. Se outros gases ocorrerem na mistura em proporções variáveis, os resultados serão afetados. Se a proporção dos outros gases for conhecida e invariável, sua influencia pode ser corrigida.. Analisadores por radiação infravermelha Gases constituídos de átomos de elementos diferentes tem a propriedade de absorver radiações infravermelhas, em faixas espectrais que dependem da estrutura molecular do gás. Dessa maneira, os gases se aquecem. Se houver, portanto, gases desse tipo, como p.ex. CO, CO ou CH, em uma mistura, o aquecimento da mistura pode ser medido,e assim pode ser determinada a concentração dos gases mencionados. O princípio de funcionamento dc um aparelho desse tipo (Siemens-Ultramat) pode ser visto na fig Radiador 2. Tubo de passagem de radiação 3. Câmara de medição 4. Diafragma rotativo 5. Câmara de recepção 6. Canal de interligação 7. Sensor de vazão 8. Câmara de comparação Um radiador cerâmico, aquecido a cerca de 700 C emite radiação infravermelha. A radiação é dividida em um ramo de medição e um ramo de comparação. A radiação de comparação passa por uma câmara preenchida com um gás inerte, chegando ao lado esquerdo da câmara de recepção, sem qualquer atenuação. A câmara de recepção contem o componente a ser medido, o qual será aquecido pela radiação. A radiação de medição passa pela câmara de medição pela qual circula o gás a ser analisado, e chega ao lado direito da câmara de recepção. Visto que uma parte da radiação é absorvida pelo gás a ser analisado, o lado direito da câmara de recepção se aquece 4

5 menos que o lado esquerdo. Desenvolve-se assim um fluxo de gás entre as duas metades da câmara, que pode ser medido com um sensor de vazão. Um diafragma rotativo, que gira com uma rotação constante, intercalado antes da câmara de recepção interrompe periodicamente a radiação infravermelha. O fluxo de gás não permanece portanto constante, mas sim fica pulsando, em sincronismo com o diafragma rotativo. A pulsação medida com o sensor de vazão e amplificada e retificada. O sinal de saída e proporcionai a concentração do gás a ser medido, Analisadores por radiação infravermelha são utilizados para a determinação das porcentagens de CO, CO ou CH, e outros gases constituídos de átomos de elementos diferentes, com faixas de medição entre 0-0,1% e 0-100%. A precisão é da ordem de 2% da largura da faixa de medição. A influência de outros gases que também absorvem radiação infravermelha pode ser reduzida através do preenchimento dos tubos de passagem com esses mesmos gases. Analisadores de oxigênio por efeito paramagnético Entre os gases utilizados na indústria, somente o oxigênio ê paramagnético; entretanto, seu magnetismo diminui com o aumento de temperatura. Um analisador que utiliza esse efeito (Siemens - Oxymat 1) ê descrito a seguir. A câmara de medição, na qual se encontram os pólos de um imã permanente, é feita de um material não-magnetico. Na região de maior intensidade de campo, é instalado um fio de platina, aquecido a cerca de 300 C, (Fig. 5). O fio é exposto ao gás a ser analisado. O oxigênio é atraído passar pelo imã, perdendo parcialmente seu magnetismo ao passar pelo fio aquecido, e sendo rapidamente substituído pelo oxigênio novo, que, quando frio, é fortemente paramagnético. A circulação de gás resultante, chamada vento magnético, causa um resfriamento adicional do fio aquecido (cerca de 5 C para 21% de O ), alterando assim a resistência do fio. A medição da concentração de oxigênio se reduz a uma medição de resistências, feita através de uma ponte de Wheatstone. Os quatro ramos da ponte são formados pelos fios aquecidos, cada um instalado em uma câmara (Fig. 6) 5

6 Duas das câmaras corresponde à descrição acima. As outras duas tem pólos "fantasma", para compensar, através de uma configuração geométrica similar, o efeito do *'vento magnético". Um instrumento de bobina móvel.colocado na diagonal da ponte indica diretamente a percentagem de oxigênio, Caso se deseje supressão de zero, o aparelho ê alterado, como mostra a fig. 7. Duas das câmaras são percorridas pelo gás a ser medido, e as outras duas por um gás de comparação. Com oxigênio puro como gás de comparação, pode-se ter faixas de um valor qualquer até 100%, e utilizando ar pode-se ter faixas que terminam em 21%. A faixa de medição se situa entre 0-1% e 0-100%. Uma faixa supressão de zero, bastante utilizada, é de 18 a 21%, A precisão é da ordem de 2,5% da largura da faixa de medição. 6

7 Analisadores de oxigênio com células de oxido de zircônio A fig. 8, mostra o princípio de funcionamento de um aparelho desse tipo (Westinghouse - mod, 209) No interior de uma célula, de oxido de zircônio circula o gás a ser analisado. No exterior da mesma encontra-se um gás de comparação (em geral ar ambiente). A altas temperaturas, as moléculas de oxigênio no lado de alta pressão da célula (ânodo) absorvem elétrons. Ao mesmo tempo, as moléculas de oxigênio no lado da baixa, pressão libertam elétrons. Com uma temperatura de trabalho de cerca de 850 C, desenvolve-se uma tensão em circuito aberto U, dada pela formula: P é a pressão parcial do oxigênio na célula e P a pressão parcial do oxigênio fora da célula. Um indicador, graduado em termos de % O, é ligado â saída da célula. A existência de H O ou CO no gás não inclui no resultado da medição. Entretanto, não deve haver constituintes combustíveis no mesmo, A fim de eliminar a influência da temperatura, a mesma, ê mantida constante através de um aquecimento controlado. O aparelho descrito tem 3 faixas de medição comutáveis: 0,8 a 150 ppm, 80 a ppm e 0,8 a 100%. 7