Analizadores de Proceso Ing. Flavia Bonet
ANÁLISIS INDUSTRIAL Química Analítica de Procesos 1. Objetivo de la PAC. Conseguir a través de la automatización y miniaturización una mayor integración de la Química Analítica con los procesos industriales con objeto de suministrar mayor información acerca de los procesos químicos que puede ser utilizada para monitorizar, optimizar y controlar dichos procesos.
2. Definición de analizador de procesos. Los analizadores de procesos son dispositivos automáticos que permiten la
medida continua o periódica de uno o más parámetros físicos o químicos a lo largo de una línea de proceso industrial.
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ANÁLISIS INDUSTRIAL Química Analítica de Procesos 1. Objetivo de la PAC. Conseguir a través de la automatización y miniaturización una mayor integración de la Química Analítica con los procesos industriales con objeto de suministrar mayor información acerca de los procesos químicos que puede ser utilizada para monitorizar, optimizar y controlar dichos procesos.
2. Definición de analizador de procesos. Los analizadores de procesos son dispositivos automáticos que permiten la
medida continua o periódica de uno o más parámetros físicos o químicos a lo largo de una línea de proceso industrial.
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3. Características ideales de un analizador de procesos. 1. Emp Emple leaa mé métod todos os qu quím ímic icos os se senc ncilillo los. s. 2. Llev Llevaa a cabo cabo el el análi análisis sis (in (inclu cluyend yendoo el mues muestreo treo y prepar preparaci ación ón de la la muestra) en continuo. 3. Prod Produce uce resu resulta ltados dos los los sufic suficient ienteme emente nte preci precisos sos y exac exactos tos como como para para controlar la línea de proceso. 4. Prod Produce uce resul resultad tados os rápido rápidoss que permi permiten ten la la correc corrección ción de las cond condici iciones ones operacionales de la línea de proceso. 5. Es senci sencillo llo de mani manipul pular ar por pers persona onall no espe especia cializ lizado. ado. 6. No nece necesit sitaa mant mantenim enimien iento to dur durant antee largo largoss perí períod odos. os. 7. El mante mantenimi nimiento ento se puede puede lleva llevarr a cabo cabo sin inter interrum rumpir pir la línea línea de de proceso. 8. Es ca capa pazz de au auto toca calilibr brar arse se.. 9. Es capaz de trabajar en ambientes “peligrosos”. ómicam
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4. Principales problemas en la implantación de analizadores de procesos .
1. Las reticencias de la industria a introducir nuevas técnicas analíticas. 2. La falta de comunicación entre los físicos y químicos que trabajan en desarrollo de nueva instrumentación analítica y los ingenieros que trabajan en la industria. 3. La instrumentación necesaria para extraer muestras representativas de la línea de producción y transferirlas al analizador es a menudo más costosa que el propio analizador. 4. Los errores de funcionamiento de un analizador de procesos puede conducir a importantes pérdidas económicas y, en algunos casos, a pérdidas humanas (p.e. un analizador controlando el nivel de especies tóxicas expulsadas a la atmósfera).
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5. Adaptación de los instrumentos analíticos del laboratorio a analizadores de procesos. Instrumentos de laboratorio Flexibles en cuanto a las especies que pueden ser analizadas y las condiciones operacionales. Complejos y delicados. Trabajan 8 horas/día y 5 días/semana. Atendidos por personal especializado. Calibrados antes de una serie de análisis. Las muestras suelen ser procesadas manualmente. El analista y el instrumento trabajan en la misma habitación la cual a menudo se encuentra en unas condiciones óptimas (p.e. habitaciones limpias y termostatizadas). La responsabilidad de las empresas fabricantes se limita a la garantía de
ANÁLISIS INDUSTRIAL Química Analítica de Procesos Analizadores de procesos Concebidos para análisis muy específicos bajo unas condiciones experimentales establecidas. Simples y robustos. Trabajan 24 horas/día y 7 días/semana Atendidos por personal no especializado No necesitan calibración frecuente (autocalibrado). Trabaja en línea con el sistema de toma y tratamiento de muestras que a menudo es más complejo que el propio analizador. El analista se encuentra en un lugar distante de la zona donde se encuentra el analizador la cual se encuentra a menudo en condiciones extremas de humedad, temperatura y corrosión. La responsabilidad de las empresas fabricantes de analizadores de procesos es mucho mayor que la de los analizadores de laboratorio.
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6. Ventajas de los analizadores de procesos. Rapidez: Introducción de cambios rápidos en las condiciones operacionales de la línea de proceso. La calidad de los productos es más uniforme. No se producen cambios significativos en la composición de las muestras. Detección de cambios rápidos en la composición. Los cambios transientes no pasan desapercibidos. El control de la línea de proceso automatizada. Economía: Se reducen costes de personal. Se reduce el coste de análisis (automatización). Se reduce el consumo de energía y los costes de producción. Se reducen costes en el reprocesado de materiales que no están de acuerdo con las especificaciones. Muestreo: Se eliminan los errores de muestreo y de etiquetado debidos a la •
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7. Clasificación de los analizadores de procesos. Localización en la línea de proceso Analizadores de Objetivo procesos Interpretación de los resultados 7.1. Localización en la línea de Parámetros proceso. a determinar
Off-Line
At-line
On-line
7.2. Ojetivo.
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Analizadores de seguridad . •
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Diseñados para la medida de contaminantes en los efluentes industriales o en la atmósfera de trabajo. Su uso no se justifica por razones económicas sino legales.
Controladores de la línea de producción . •
Análisis de uno o más componentes en la línea de proceso con objeto de controlar la calidad de los productos finales o la eficacia de un proceso.
uso se justifica económicas. 7.3.SuInterpretación de en losrazones resultados. Analizadores de control de procesos indirecto . •
Un ordenador recibe los resultados y toma decisiones sin la intervención humana.
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7.4. Parámetros a determinar. Analizadores físicos.
Medida y control de una propiedad física del fluido (conductímetros, viscosímetros, refractómetros, medidores de presión y temperatura). Analizadores químicos .
Medida de la concentración de una (pH-metros, electrodos selectivos de iones, oxímetros) o varias simultáneamente (cromatógrafos de líquidos y de gases) o sucesivamente (fotómetros). 8. Componentes de los analizadores de procesos. 1. Un sistema de muestreo. 2. El analizador propiamente dicho. 3. Un sistema de “salida” de resultados.
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9. El sistemas de muestreo. 9.1. Características. 1. Debe requerir un mínimo mantenimiento. 2. Debe estar completamente automatizado incluyendo la recolección de la muestra, pretratamiento e introducción dentro del analizador de procesos. 3. El tiempo de transporte y acondicionamiento de la muestra debe ser mínimo. 4. Los materiales del sistema de muestreo deben ser cuidadosamente seleccionados para evitar la contaminación de las muestras o el posible daño del propio equipo. 9.2. Componentes de los analizadores de procesos. 1. El sistema de acondicionamiento de la muestra. 2. El sistema de recolección, transporte y eliminación de muestra.
ANÁLISIS INDUSTRIAL Química Analítica de Procesos 9.2.1. Sistemas de acondicionamiento de muestras.
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La misión del sistema de acondicionamiento es cambiar la naturaleza de la muestra extraída de la línea del proceso adaptándola a los requerimientos del analizador. ETAPAS Filtración. •
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Eliminación de la “agresividad” química o física.
Homogeneización. Puede incluir: Vaporización aplicando presiones o temperaturas adecuadas. Separación de gases disueltos en un líquido mediante agitación. Separación de líquidos inmiscibles. Adición de tampones. Eliminación de interferencias. Control de la presión y temperatura. Control de la velocidad de flujo y del tamaño de la muestra que se introduce en el analizador.
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9.2.2. Sistemas de recolección, transporte y eliminación. La misión de este sistema consiste en extraer la muestra de la línea del proceso, transportarla hasta el analizador y evacuarla hacia la línea de proceso o hacia un contenedor de residuos. Recolección. Evitar zonas de alta turbulencia, altos niveles de partículas, mezclas de fases líquidas y gaseosas, contaminantes y elevadas presiones y temperaturas. Tomar la muestra en el centro de la tubería, evitando el fondo (sedimentos) y la parte superior (gases). Tomar muestras en distintos puntos mezclándolas de acuerdo a una Transporte. distribución conocida. La composición debe mantenerse: evitar condensaciones, evaporaciones, adsorciones o degradaciones. Es deseable flujos rápidos, líneas de transporte cortas, diámetros anchos y materiales inertes. •
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Mé to d o ex trac tiv o p ar a an ális is d e g as es
Los analizadores de gas de proceso extractivos se emplean para obtener de forma continua valores de concentración de uno o más gases en una mezcla. El procedimiento extractivo de medición se caracteriza porque la muestra que se debe analizar se recoge del control de procesos y se dirige al analizador ya acondicionada a través de una tubería de muestra y un dispositivo de preparación de la misma. Durante la preparación de la muestra se ajusta p. ej. la presión, la temperatura o el caudal y se elimina, si es necesario, el polvo o la humedad del gas de muestra. Así se garantiza que la medición tenga lugar bajo determinadas condiciones.
Ejemplos de equipos. Marca Siemens •
ULTRAMAT 6
para la medición altamente selectiva de componentes absorbentes del infrarrojo como CO, CO2, NO, SO2, NH3, H2O, CH4 y de otros hidrocarburos •
ULTRAMAT 23
para la medición de hasta tres componentes absorbentes del infrarrojo y del oxígeno en aplicaciones estándar •
ULTRAMAT/OXYMAT 6
para la medición combinada de componentes absorbentes del infrarrojo y de oxígeno en aplicaciones exigentes •
OXYMAT 6
para la medición de la concentración de oxígeno en aplicaciones exigentes siguiendo el principio paramagnético •
OXYMAT 61
para la medición de la concentración de oxígeno en aplicaciones estándar siguiendo el principio paramagnético •
FIDAMAT 6
para la medición de las sumas de hidrocarburos según el principio de ionización de llamas •
CALOMAT 6
para determinar la concentración de hidrógeno y gases nobles en mezclas binarias midiendo la conductividad térmica.
OXYMAT 6: Paramagnético Funcionamiento
A diferencia de casi todos los demás gases, el oxígeno es paramagnético. Esta propiedad se emplea como principio de medida en los analizadores de gas OXYMAT 6. Debido a su paramagnetismo, dentro de un campo magnético no homogéneo las moléculas de oxígeno son desplazadas en sentido hacia las mayores intensidades de campo. Si dos gases con diferente contenido en oxígeno se encuentran en un campo magnético se produce entre ellos una diferencia de presión. En OXYMAT 6 uno de ellos (1) es un gas de referencia (N2, O2 o aire), el otro el gas de muestra (5). El gas de referencia se lleva a la cámara de muestra (6) a través de dos canales (3). Uno de estos flujos de referencia se encuentra con el gas de muestra dentro del área de un campo magnético (7). Como los canales están unidos entre sí, la presión, que es proporcional al contenido en oxígeno, produce una corriente que es transformada en señal eléctrica por un sensor de microflujos (4).
Oxymat 6
CROMATOGRAFIA DE GASES EN PROCESO La cromatografía de proceso es uno de los métodos de medición y análisis más eficaces en el análisis de procesos. Se trata de un método que trabaja de forma discontinua y extractiva. Este procedimiento se emplea a menudo para la supervisión en línea del funcionamiento, ya que los procesos pueden automatizarse de forma sencilla y pueden medirse simultáneamente un gran número de componentes.
CROMATOGRAFIA DE GASES EN PROCESO La cromatografía de gases de proceso puede utilizarse para la separación y cuantificación de los componentes de casi todas las mezclas homogéneas de sustancias en estado gaseoso o líquido. Para ello, los componentes en estado líquido deben evaporarse sin descomponerlos. Los distintos componentes de una muestra puntual circulan por el sistema de separación a diferentes velocidades y se van registrando en un detector uno tras otro. El tiempo que transcurre entre la inyección de la muestra y el registro de una sustancia en el detector (tiempo de retención) es característico de la sustancia en cuestión y sirve para su identificación. La intensidad de la señal del detector en una medida de concentración en volumen del componente en el gas.
Analizadores de líquidos Nutrientes: Amonio, nitrato, fosfato. Parámetros totales: fósforo total, TOC (carbono orgánico total, materia orgánica disuelta. Turbiedad y sólidos, cloruros, dióxido de cloro, alcalinidad, acidez, pH. ORP, entre otros.
Dureza
