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05/12/2017 1 Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Variáveis de processo que fogem das convencionais (pressão, nível, temperatura e vazão), e requerem tecnologia específica para medição. • pH • condutividade elétrica • turbidez • cloro livre • O2 e CO2 • etc... Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Os analisadores são classificados de duas formas quanto ao modo em que fornecem os resultados da medição. • Analisador off-line • Analisador on-line Sem sinal de instrumentação. IHM apresenta resultado localmente. Com sinal de instrumentação. Pode ou não possuir IHM. 05/12/2017 2 Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Onerosos, são utilizados para monitoramento de variáveis importantes do processo ou para fechar uma malha de controle. Alguns analisadores apresentam elevado tempo para medição da variável, característica intrínseca da tecnologia do equipamento. No caso de utilização em malhas de controle, é necessário avaliar se o tempo de amostragem do instrumento não é fator limitante para a estabilidade da malha de controle. ! Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Os analisadores apresentam particularidades quanto ao seu funcionamento de modo que é necessária integração da empresa fornecedora no projeto e na instalação do equipamento. Geralmente são equipamentos com componentes sensíveis a choques mecânicos, a ação de intempéries e por isso devem ser corretamente instalados. 05/12/2017 3 Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Os analisadores são classificados de duas formas quanto a retirada de alíquotas do meio para a medição. São elas: • Analisadores in-situ • Analisadores extrativos Não extraem alíquotas do meio para análise Proporcionam menor tempo de resposta Ex.: pHmetro; sondas de O2 e CO2, condutivímetro, etc... Realizam a extração de amostras, com seu devido condicionamento, para análise externamente ao ponto amostrado Ex.: Cromatógrafos on-line Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores in-situ Instalação mais simplificada, não há condicionamento da alíquota amostrada, simplificando também a forma de análise. Normalmente gera dados com menor tempo de amostragem, sendo capaz de detectar oscilações na variável analisada com maior frequência. 05/12/2017 4 Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores extrativos O condicionamento da amostra é essencial para que esta se mantenha representativa, tornando a análise confiável. O condicionamento de amostras abrange: • Retirar a amostra • Transportar até o sensor • Secar a amostra (se necessário) • Descartar o resíduo Ponto de amostragem deve gerar amostras representativas. Em caso de elevada presença de particulados, pode-se empregar filtros para separá-los do fluido. Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores extrativos O condicionamento da amostra é essencial para que esta se mantenha representativa, tornando a análise confiável. O condicionamento de amostras é: • Retirar a amostra • Transportar até o sensor • Secar a amostra (se necessário) • Descartar o resíduo Geralmente realizado em tubos de inox, estes devem ter o menor comprimento possível e não ter sifão que acumule amostras. Podem apresentar aquecimento via linha de vapor para evitar condensação de gases. Condicionamento da pressão pode ser necessária para evitar danos ao analisador. 05/12/2017 5 Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores extrativos O condicionamento da amostra é essencial para que esta se mantenha representativa, tornando a análise confiável. O condicionamento de amostras abrange: • Retirar a amostra • Transportar até o sensor • Secar a amostra (se necessário) • Descartar o resíduo No caso de amostras com elevada umidade, pode ser necessária a remoção desta água para a análise. A secagem pode ser feita via condensação ou peneira molecular para a água. Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores extrativos O condicionamento da amostra é essencial para que esta se mantenha representativa, tornando a análise confiável. O condicionamento de amostras abrange: • Retirar a amostra • Transportar até o sensor • Secar a amostra (se necessário) • Descartar o resíduo Amostras gasosas que não sejam tóxicas e inflamáveis são enviadas a um vent. Amostras inflamáveis e tóxicas são armazenadas para incineração ou neutralização. 05/12/2017 6 Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores de gases Analisadores de O2 são normalmente usados em caldeiras e fornos para garantir quantidade de oxigênio próxima a estequiométrica para ocorrer a combustão completa do combustível, e em processos fermentativos submersos para medir quantidade de oxigênio dissolvido. • Célula de óxido de zircônio • Paramagnéticos • Membrana eletroquímica Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores de gases Analisadores de CO2; CH4; C6H6; NH3; C2H4 entre outros gases são muito utilizados de forma geral na indústria. O principal método utilizado é o infravermelho que é capaz de determinar concentrações na escala de ppm. 05/12/2017 7 Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores de gases Funcionamento baseia-se na lei de Lambert-Beer E2 – energia não absorvida E1 – energia absorvida pelo gás a – coeficiente de absorção do gás b – distância entre os pontos emissor e receptor de infravermelho c – concentração do gás Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores de líquidos • pHmetro • Íons seletivos • Potencial redox • Condutivímetros • Turbidímetros • Cloro residual livre e combinado • Silicômetros 05/12/2017 8 Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores de líquidos O pHmetro mede a concentração de íons H+ e retornam o valor em escala de 0 a 14. São fortemente afetados pela presença de material particulado em suspensão no líquido, sendo que as sondas apresentam geralmente vida útil de 1 ano. Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores de líquidos Analisadores de íons seletivos possuem funcionamento análogo ao pHmetro, porém medem íons diferentes ao H+. Alguns exemplos de aplicação são os analisadores de íons fluoreto em estações de tratamento de água e os analisadores de Na+ em usinas de geração de energia na linha de vapor de entrada das turbinas. 05/12/2017 9 Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores de líquidos Analisadores de condutividade elétrica medem a quantidade de corrente elétrica que circula no líquido. Medem a quantidade de íons presentes no líquido, sendo normalmente empregados em unidade produtora de utilidades para verificar a concentração de contaminantes em linhas de condensado e água deionizada. Os condutivímetros empregam corrente alternada no sensor para minimizar a eletróliseda água. Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores de líquidos Turbidímetros são analisadores que medem a quantidade de material particulado suspenso no líquido. A turbidez é medida através do grau de espalhamento da luz emitida devido a material particulado presente no líquido. Podendo ser projetados com luz branca ou infravermelha, são aplicados principalmente em estações de tratamento de água para sua análise de qualidade. Os resultados são, geralmente, em unidade nefelométrica (NTU). 05/12/2017 10 Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores de líquidos Analisadores de cloro residual livre (ácido hipocloroso e íons hipoclorosos) ou combinado (cloroaminas) são empregados principalmente em estações de tratamento de água para regular a cloração da água. Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Analisadores de líquidos Silicômetros são empregados principalmente em unidades geradores de utilidades para medir a concentração de sílica na água, uma vez que sua elevada concentração pode causar danos à caldeira e turbina. A análise é realizada adicionando-se molibdato de amônio, ácido oxálico e um agente redutor na amostra. A solução final adquiri uma coloração azulada em que a intensidade da cor azul é proporcional a concentração de sílica na amostra. 05/12/2017 11 Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Cromatógrafos on-line Os cromatógrafos permitem medir a concentração de diversos produtos químicos diferentes em uma amostra. Cromatografia baseia-se no tempo de eluição dos compostos químicos (fase móvel) em uma coluna (fase fixa) com base na afinidade entre os compostos e a coluna. Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Cromatógrafos on-line O cromatograma gerado em uma análise gera uma curva com vários picos que representam a presença de cada substância na amostra. A área abaixo da curva indica a sua concentração. 05/12/2017 12 Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Cromatógrafos on-line Os cromatógrafos a gás analisam a amostra no estado gasoso. Se a amostra se encontrar no estado líquido, a mesma deverá ser vaporizada antes de analisada. O gás de arraste deve ser inerte, sendo normalmente utilizado N2 e He. Cromatógrafos on-line modernos possuem conectividade com redes industriais e CLPs. Coluna do cromatógrafo Condicionador de amostras IHM Instrumentação e Controle de Processos Variáveis Analíticas Espectrofotômetro de massa Assim como os cromatógrafos, medem a concentração de variadas substâncias na amostra, entretanto possuem respostas mais rápidas que os cromatógrafos. Seu funcionamento se baseia no bombardeamento da amostra com elétrons gerando sua ionização, em seguida os íons são separados por massa e carga. Cada substância gera um espectro de detecção único. São muito empregados na análise de hidrocarbonetos na indústria petroquímica. 05/12/2017 13 Instrumentação e Controle de Processos Exercício 1 Um pHmetro on-line é utilizado para verificar a acidez de uma solução e sabe- se que a acidez é provocada pela presença apenas de ácido acético. Caso o pH seja menor ou igual a 4, um alarme deve ser acionado. a) Supondo que o pHmetro possua sinal de instrumentação de 4 a 20 mA, qual a corrente gerada na medição da solução com 0,05M de ácido acético. Dados: Ka=1,75.10 -5 b) O alarme é acionado com qual concentração de ácido acético? Instrumentação e Controle de Processos Exercício 1 Um pHmetro on-line é utilizado para verificar a acidez de determinado produto. Sabe-se que a acidez é provocada pela presença apenas de ácido acético. Caso o pH seja menor ou igual a 4, um alarme deve ser acionado. Solução: a) [Acético] = 0,05M ; pH = 3,03 ; i = 7,46 mA b) pH = 4 ; [Acético] = 5,7.10-4M 05/12/2017 14 Instrumentação e Controle de Processos Exercício 2 Um cromatógrafo on-line é utilizado para medir a concentração de paracetamol em uma linha de um processo farmacêutico. O cromatógrafo possui uma saída analógica que envia um sinal 0-10Vcc para um CLP e uma saída a relé (NO) que aciona um sistema de alarme quando a concentração de paracetamol se mantém acima de 100 ppm por ao menos 2 amostragens seguidas. Supondo que o range de medição do cromatógrafo foi ajustado para 0 a 1000 ppm, responda: a) Para um sinal de 5,45Vcc, qual a concentração de paracetamol em ppm? b) Foi observada a variação no sinal de instrumentação representada a seguir. Qual o tempo de análise do cromatógrafo? E quantas vezes o alarme foi acionado? Instrumentação e Controle de Processos Exercício 2 Solução: a) [paracetamol] = 545 ppm b) tam = 10 min ; 2 vezes
