Analisadores de Processos e Detectores de Segurança

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ
DEPARTAMENDO DE CIÊNCIA EXATAS E TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA QUÍMICA
ANALISADORES DE PROCESSOS E DETECTORES DE SEGURANÇA NA INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
JOSÉ JOAQUIM B. A. R. DE OLIVEIRA
(201311000)
ÊNI DE SOUZA CARVALHO
(201310765)
ILHÉUS - BA
2014
JOSÉ JOAQUIM BANDEIRA ALMEIDA R. DE OLIVEIRA (201311000)
ÊNI DE SOUZA CARVALHO (201310765)
ANALISADORES DE PROCESSOS E DETECTORES DE SEGURANÇA NA INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
Disciplina CET990 – Instrumentação e Controle 
de Qualidade – no curso de Engenharia Química. 
Professor: Elilton Edwards
ILHÉUS - BA
2014
ANALISADORES DE PROCESSOS
Definição
Analisadores são equipamentos de operação automática e independente que tem como finalidade medir uma ou mais características de uma amostra de um processo, excluindo as variáveis elementais: temperatura, vazão, pressão e nível.
Aplicações na indústria
A utilização de analisadores de processo na indústria é fundamental em termos de segurança e de controle. Eles podem ser utilizados em diversas áreas bem como no controle de toxicidade de fluidos e no controle de pH de um determinado líquido por exemplo.
Os analisadores ajudam na otimização de processos, já que, ao controlar determinadas variáveis, evitam-se possíveis problemas no produto final. Evitando despesas desnecessárias e zelando pela segurança.
Sistema analítico industrial
O sistema de análise industrial constitui-se de dois elementos, o analisador e o sistema de amostragem (fig.1).
Figura 1 Esquema básico de configuração de um sistema analítico
Sistema de amostragem
Constitui-se na coleta, armazenamento, transporte, descarte e outros fatores que envolvem na amostra que represente o sistema.
Condicionamento das amostras
O condicionamento das amostras é importante para a precisão das variáveis a serem obtidas pelos analisadores, pois caso não seja adequado, pode resultar em danos redução da vida útil do analisador. Esse condicionamento abrange característica das amostras tais como captação, transporte, pontos de coleta para o laboratório, injeções de padrões de calibração e descarte seguro.
	Segundo Cohn (Instrumentação Industrial, Egídio Alberto, 2011) as operações devem cumprir as seguintes exigências:
A amostra deve ser representativa do processo;
Qualquer alteração em suas características que afete o resultado da análise deve ser compensada;
O tempo de resposta ou tempo morto deve ser aceitável;
Deve ser confiável e não exigir manutenção excessiva;
Deve apresentar segurança.
O processo de condicionamento da amostra deve ser feito de maneira cautelosa, em vista que processos iguais, com analisadores iguais, podem apresentar divergências. Isso é explicado pelo fato da necessidade de ajustes experimentais.
Captação da amostra
A captação de amostras, nos casos mais gerais envolve o uso de uma sonda, acoplada ao processo. Essas sondas, a depender do teor de particulados presentes na amostra, podem possuir filtros internos ou externos que retenham partículas maiores (fig.1).
	
Figura 2 - Sonda com filtro interno (superior), e sonda com filtro externo (inferior)
O material da sonda varia de acordo com as condições de temperatura. Na maioria das vezes utiliza-se a sonda fabricada em material inox, e em casos de temperaturas elevadas a de material cerâmico.
Transporte da amostra
Após coletada, a amostra deve ser transportada por meio de tubulações, cujos materiais devem ser escolhidos de acordo com as restrições de cada material. Alguns tipos de materiais, por exemplo, podem necessitar até mesmo de tubos com reguladores de temperatura e/ou pressão. A pressão, para impulsionar o fluido, e a temperatura muitas vezes para o condicionamento da amostra.
Secagem e Filtração
A secagem é necessária para a desumidificação do gás. A secagem normalmente é realizada por um secador por condensação; por um secador com peneira molecular; pelo secador Nafion; ou ainda pelo processo de secagem por produtos químicos (processo menos utilizado devido a vários fatores, como a oxidação, por exemplo).
Figura 3 - Exemplo de secagem por condensação
Na filtração normalmente são usados filtros secos, que podem ser de papel, fibras ou polímeros, ou de qualquer outro material que após a filtragem, não interfira de maneira significativa na amostra.
Analisadores
Analisadores de oxigênio
É uma classe bem particular, pois se constitui de aparelhos específicos para a análise de oxigênio. Esses analisadores normalmente são utilizados no controle da combustão.
Analisadores de Óxido de Zircônio
O óxido de zircônio é um tipo de cerâmica que conduz eletricidade a altas temperaturas através do movimento de íons de oxigênio carregados. Esta capacidade pode ser utilizada para medir o oxigênio em uma mistura gasosa.
Dentro de um aquecedor, é montado um disco de óxido de zircônio entre o gás a ser medido e o gás de referência. Conectam-se eletrodos a ambos os lados do disco. A diferença na concentração de oxigênio gera uma tensão elétrica, detectada pelos eletrodos (fig. 4).
Figura 4 - Analisador de óxido de zircônio
É o analisador mais utilizado no controle da combustão, por possuir baixo custo; alta confiabilidade; bom tempo de resposta e uma grande vida útil.
Figura 5 – Analisador industrial de óxido de zircônio
Analisadores paramagnéticos
 A propriedade paramagnética do oxigênio induz uma amostra de gás contendo oxigênio a se mover dentro de um campo magnético. Este é o principio básico utilizado pelosos analisadores de O2 do tipo paramagnético.
Desta maneira, o oxigênio é atraído para a região de maior intensidade no campo magnético, expulsando os materiais diamagnéticos ali encontrados (fig. 6).
Figura 6 - Representação da atração do oxigênio
Analisadores por absorção de radiação infravermelha
A redução da energia de um feixe de radiação eletromagnética devido à absorção de radiação infravermelha obedece à lei de Lambert-Beer:
						
Onde I é a intensidade do feixe após atravessar a substância; I0 é a intensidade do feixe sem a substância absorvente; a é o fator de absorção; b é a distância percorrida pela radiação na substância e c a concentração.
Figura 7 - Analisador por Radiação
Figura 8 - Espectro de absorção de alguns gases
Analisadores de líquidos
Analisadores de pH
O Potencial Hidrogeniônico (pH) consiste num índice que indica a acidez, neutralidade ou alcalinidade de um meio qualquer. Dissolver ácidos em água origina íons hidrôneos (H3O+) ou, simplificadamente, íons hidrogêneo (H+).
Em resumo, o pH varia numa faixa de 0 a 14, porém a obtenção de medidas nos extremos, por se tratarem de ácidos e bases fortes, o que pode causar danos ao analisador.
A medição do pH é efetuada por meio de um eletrodo de vidro, cujo potencial hidrogeniônico é medido em relação a um eletrodo de referência (com pH conhecido).
Figura 9 - Eletrólito de vidro
Analisadores de potencial Redox
Trata-se de um analisador relativamente novo e utilizado em situações de alta pressão. O método consiste na diferença de potencial entre dois eletrodos. Mesmo o eletrodo de referência sendo o mesmo, o eletrodo de medição utiliza uma superfície de platina onde os processos de óxido-redução acontecem. 
Cromatógrafos
São analisadores quantitativos para a identificação de substâncias, usando propriedades como solubilidade, tamanho e massa. Para a identificação usa-se a comparação dos resultados da análise com outros resultados previamente conhecidos, como por exemplo, usa-se tabela de gráficos conhecidos e através desta compara-se os resultados obtidos que também são em gráficos achando-se os que mais se assemelham assim descobrindo quais as substancias que pertence a mistura.
Figura 10 - Comparação de cromatogramas
Espectrometria de massa
O espectrômetro de massa é um poderoso analisador que analisa vários componentes da amostra, assim como os cromatógrafos. A vantagem está no tempo de obtenção dos resultados,que na espectrometria é menor, quando comparada à cromatografia. Uma das desvantagens do uso desse analisador é a destruição da amostra.
O processo é resumido de acordo com o seguinte diagrama:
Figura 11 - Diagrama explicativo sobre a espectrometria de massa
Após a realização dos processos mostrados no diagrama (fig.11), confecciona-se um gráfico cujo eixo vertical representa a abundância em relação ao pico base, e o eixo horizontal representado pelas relações carga/massa.
DETECTORES DE SEGURANÇA
Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) que tem como finalidade a Segurança Operacional de Unidades e Equipamentos Industriais. Tem como uma de suas funções impedir uma operação insegura com intuito de que os limites de segurança preestabelecidos sejam respeitados, a fim de evitar acidentes dentro ou fora dos limites físicos da indústria.
Existem alguns sistemas de segurança chamados de shutdown que vem se modernizando e se tornando cada vez mais utilizados em processos industriais para a concepção, projetos e implementação. Tal evolução se deu a partir da análise do número de acidentes de algumas indústrias, visto que à medida que cresceram os números de acidentes, as medidas para evitá-los também aumentaram.
OS MODELOS MODERNOS
	Existe um modelo para medidas de proteção em um processo industrial que tem como objetivo a redução do risco. As antes de citar tal modelo é importante ressaltar que o risco é uma combinação de dois elementos: a probabilidade da ocorrência do evento que não se quer; e a consequência da ocorrência. O modelo referido anteriormente pode ser chamado de “modelo-cebola”. Pois, por analogia, o núcleo seria o processo que apresenta um risco inerente (natureza não perigosa); a camada que envolve o núcleo seria o controle de processo que servem para impedir que as variáveis de processo cheguem às condições de risco elevado; posteriormente vem a camada “operador” que intervém manualmente no processo para evitar perigo. Tais operadores são auxiliados pelos sistemas de alarme. Em caso desses sistemas falharem existe muitos dispositivos autônomos para impedir o acidente; no caso do modelo ser insuficiente pode-se utilizar o Desligamento de Emergência que irá desligar os aparelhos, mesmo que ocorra prejuízo na produção.
FORMAS DE OPERAÇÃO
O Sistema Instrumentado de Segurança pode ocorrer provocando a parada segura da unidade quando os limites das variáveis de processos ultrapassarem os limites estabelecidos; o SIS também possui a capacidade de impedir de equipamentos sejam ligados quando estes estiverem inseguros.
Para execução adequada, um SIS requer um nível superior de diagnóstico do que o normalmente solicitado para um equipamento genérico de controle de processo. É necessária, nos processos industriais, a separação de sistemas de segurança dos sistemas de controle gerais. Com isso umas das principais finalidades da utilização do SIS é: 
- Levar automaticamente um processo industrial para um estado seguro quando condições específicas forem violadas; 
- Permitir que o processo seja executado normalmente quando condições específicas permitirem (funções que dão permissão); 
- Executar ações que reduzam as consequências de um acidente industrial. 
DEMAIS ELEMENTOS DE PROTEÇÃO
	Em uma indústria, além do SIS, existem outros meios de proteção tais como os EPI’s, que são equipamentos de proteção individual, e os instrumentos autônomos. Esses dois meios servem para evitar acidentes, porém não fazem parte do SIS. Contudo, ao se elaborar um SIS tais elementos são levados em consideração. É importante a consideração destes elementos, visto que quando combinados eles resultam na redução de risco total para determinada indústria.
DETERMINAÇÃO DO NÍVEL DE INTEGRIDADE DE SEGURANÇA
O conceito de Nível de Integridade de Segurança – SIL estabelece uma ordem de grandeza para a redução do risco. O SIL da malha (função) é determinado pela soma das probabilidades de falha em demanda de cada um dos componentes da malha. Todos os equipamentos que fazem parte do SIS são certificados para determinar qual o nível de integridade de segurança SIL do sistema e sua probabilidade de falha em demanda.
Uma das maneiras de determinação do nível de integridade de segurança para as malhas são:
- Identificação dos riscos;
- Determinação do que acarretará na redução do risco para um nível aceitável;
- Após realização dos passos anteriores, é preciso verificar se o SIL foi alcançado, constatando se a probabilidade de falha sob demanda para malha foi atingida.
IDENTIFICAÇÃO DOS RISCOS
Uma das técnicas mais utilizadas para a identificação de riscos é a HAZOP, porém tal técnica exige um grande volume e recursos. Em casos, cujo processo a ser analisado é conhecido pode-se usar a técnica de check lists.
SISTEMA DE SEGURANÇA E SISTEMA DE CONTROLE
O sistema de controle pode atuar de duas formas: ou o sistema está bom, ou em falhas, necessitando de reparos. Pode funcionar como:
- Sistema bom: aquele que possui segurança garantida;
- Sistema em falha segura: pode ocorrer desligamento inesperado e desta forma, trazer prejuízos para a produção;
- Sistema com falha oculta: pode ocorrer acidente mesmo quando tudo parecer está normal.
A diferença do sistema de controle para o SIS é que o primeiro consegue contatar as falhas imediatamente, enquanto que no segundo algumas falhas podem resistir e expor a unidade a um risco.
PROBABILDADE DE FALHA
Sabe-se que um SIS é especificado para reduzir a ocorrência de acidentes para uma taxa aceitável. Em casos em que o risco inerente for aceitável não e preciso tomar providências para reduzi-lo; já em outras circunstâncias em que o risco for maior que considerável deve-se fazer alterações no seu processo ou controle.
	Existem inúmeras maneiras de encontrar o SIL, entretanto não há normas para exigir um procedimento específico, sendo que a determinação de tal ocorre com avaliação de componentes subjetivos.
PROBABILIDADE DE FALHA SOB DEMANDA (PFD)
A PFD serve somente para informar a probabilidade de o equipamento não funcionar da maneira desejada quando uma demanda ocorrer; permite a comparação do desempenho relativo de diferentes equipamentos, seja qual for sua aplicação. 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://www.dequi.eel.usp.br/~felix/Instrumentacaobasica2_pdf.pdf
http://www.infowester.com/missaocritica.php
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a3/Friedrich_condenser.png/80px-Friedrich_condenser.png
http://www.servomex.com/Servomex/web/web.nsf/pb/zirconia-oxygen-analysis
http://analisadoresindustriais.blogspot.com.br/2013/02/analisadores-de-gases-em-linha.html
http://www.gvaautomacao.com.br/manuais-tecnicos/instr_analisadores.pdf
http://www.brasilescola.com/quimica/conceito-ph.htm
http://www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/PH.html
http://www.tratamentodeagua.com.br/r10/Biblioteca_Detalhe.aspx?codigo=785
 http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/1470-sistemas- instrumentados-de-segurana-sis
 http://www.smar.com/newsletter/marketing/index80.html 
 http://www.editoravalete.com.br/site_petroquimica/edicoes/ed_283/283.html
 http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc07/atual.pdf
 http://www.bvsde.paho.org/tutorial1/p/monimedi/Image7.gif
 http://www.ufrgs.br/uniprote-ms/Content/02PrincipiosDeAnalise/especto
 metria.html
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL. BEGA, Egídio Alberto. 3ªEd, 2011.