Análisis de humedad

El análisis de humedad cubre una variedad de métodos para medir el contenido de humedad en sólidos , líquidos o gases . Por ejemplo, la humedad (generalmente medida como un porcentaje) es una especificación común en la producción comercial de alimentos. ^[1] Hay muchas aplicaciones en las que las mediciones de trazas de humedad son necesarias para la fabricación y el aseguramiento de la calidad del proceso . La humedad traza en sólidos debe conocerse en procesos que involucran plásticos , productos farmacéuticos y tratamiento térmico . ^{[ cita requerida ]} Los campos que requieren medición de humedad en gases o líquidos incluyen procesamiento de hidrocarburos , gases semiconductores puros , gases puros o mixtos a granel, gases dieléctricos como los de transformadores y plantas de energía , y transporte de gas natural por tuberías . Las mediciones del contenido de humedad se pueden informar en múltiples unidades, como: partes por millón , libras de agua por millón de pies cúbicos estándar de gas, masa de vapor de agua por unidad de volumen o masa de vapor de agua por unidad de masa de gas seco.

El punto de rocío de la humedad es la temperatura a la que la humedad se condensa a partir de un gas. Este parámetro está relacionado de manera inherente con el contenido de humedad, que define la cantidad de moléculas de agua como una fracción del total. Ambos pueden utilizarse como medida de la cantidad de humedad en un gas y uno puede calcularse a partir del otro con bastante precisión.

Si bien ambos términos a veces se usan indistintamente, estos dos parámetros , aunque relacionados, son mediciones diferentes . ^{[2] [3]}

El método clásico de laboratorio para medir la humedad de alto nivel en materiales sólidos o semisólidos es la pérdida por desecación. ^[4] En esta técnica, se pesa una muestra de material, se calienta en un horno durante un período apropiado, se enfría en la atmósfera seca de un desecador y luego se vuelve a pesar. Si el contenido volátil del sólido es principalmente agua, la técnica de pérdida por desecación proporciona una buena medida del contenido de humedad. ^[5] Debido a que el método de laboratorio manual es relativamente lento, se han desarrollado analizadores de humedad automatizados que pueden reducir el tiempo necesario para una prueba de un par de horas a solo unos minutos. Estos analizadores incorporan una balanza electrónica con una bandeja de muestra y un elemento calefactor circundante. Bajo el control del microprocesador , la muestra se puede calentar rápidamente. La tasa de pérdida de humedad se mide durante todo el proceso y luego se representa gráficamente en forma de una curva de secado. ^[6]

Un método preciso para determinar la cantidad de agua es la titulación de Karl Fischer , desarrollada en 1935 por el químico alemán que le da nombre. Este método detecta únicamente el agua, a diferencia de la pérdida por desecación, que detecta cualquier sustancia volátil . ^{[7] [5]}

El gas natural plantea un problema único en términos de análisis del contenido de humedad porque puede contener niveles muy altos de contaminantes sólidos y líquidos , así como corrosivos en concentraciones variables.

Las mediciones de humedad en el gas natural se realizan normalmente con una de las siguientes técnicas: ^[8]

• tubos indicadores de color
• espejos enfriados
• Espejo enfriado combinado con espectroscopia
• electrolítico
• sorción piezoeléctrica, también conocida como microbalanza de cristal de cuarzo
• óxido de aluminio y óxido de silicio
• espectroscopia.

Existen otras técnicas de medición de humedad, pero no se utilizan en aplicaciones de gas natural por diversas razones. Por ejemplo, el higrómetro gravimétrico y el sistema de “dos presiones” que utiliza la Oficina Nacional de Normas son precisos, pero no son adecuados para su uso en aplicaciones industriales.

Un tubo indicador de color (también conocido como tubo detector de gas ^[9] ) es un dispositivo que utilizan las tuberías de gas natural para realizar una medición rápida y aproximada de la humedad. Cada tubo contiene sustancias químicas que reaccionan con un compuesto específico para formar una mancha o color cuando pasan a través del gas. Los tubos se utilizan una vez y luego se desechan. Un fabricante calibra los tubos, pero como la medición está directamente relacionada con el tiempo de exposición, el caudal y la técnica de extracción , es susceptible a errores. En la práctica, el error puede alcanzar hasta el 25 por ciento. Los tubos indicadores de color son adecuados para estimaciones poco frecuentes y aproximadas de la humedad en el gas natural.

Este tipo de dispositivo se considera el más popular cuando se trata de medir el punto de rocío del agua en medios gaseosos. En este tipo de dispositivo, cuando el gas fluye a través de una superficie de enfriamiento reflectante, el espejo enfriado homónimo . Cuando la superficie está lo suficientemente fría, la humedad disponible comenzará a condensarse sobre ella en pequeñas gotas. La temperatura exacta a la que ocurre esta condensación por primera vez se registra y el espejo se calienta lentamente hasta que el agua condensada comienza a evaporarse. Esta temperatura también se registra y el promedio de las temperaturas de condensación y evaporación se informa como el punto de rocío . ^[10] Todos los dispositivos de espejo enfriado, tanto manuales como automáticos, se basan en este mismo método básico. Es necesario medir las temperaturas tanto de condensación como de evaporación, porque el punto de rocío es la temperatura de equilibrio a la que el agua se condensa y se evapora al mismo ritmo. Al enfriar el espejo, la temperatura sigue bajando después de haber alcanzado el punto de rocío, por lo tanto, la medición de la temperatura de condensación es menor que la temperatura real del punto de rocío antes de que el agua comience a condensarse. Por lo tanto, la temperatura del espejo se aumenta lentamente hasta que se observa que se produce la evaporación y el punto de rocío se informa como el promedio de estas dos temperaturas. Al obtener una temperatura de punto de rocío precisa, se puede calcular el contenido de humedad en el gas. La temperatura del espejo se puede regular mediante el flujo de un refrigerante sobre el espejo o mediante un enfriador termoeléctrico también conocido como elemento Peltier .

La formación de condensación en la superficie del espejo se puede registrar por medios ópticos o visuales. En ambos casos, se dirige una fuente de luz hacia el espejo y los cambios en la reflexión de esta luz debidos a la formación de condensación se detectan mediante un sensor o el ojo humano, respectivamente. El punto exacto en el que comienza a producirse la condensación no es perceptible a simple vista, por lo que los instrumentos modernos operados manualmente utilizan un microscopio para mejorar la precisión de las mediciones tomadas mediante este método. ^{[11] [12]}

Los analizadores de espejo enfriado están sujetos a los efectos de confusión de algunos contaminantes , sin embargo, en niveles similares a otros analizadores. Con sistemas adecuados de filtración y preparación de análisis de gases, otros líquidos condensables como hidrocarburos pesados, alcohol y glicol no distorsionarán los resultados proporcionados por estos dispositivos. También vale la pena señalar que en el caso del gas natural, en el que los contaminantes antes mencionados son un problema, los analizadores en línea miden rutinariamente el punto de rocío del agua a presión de línea, lo que reduce la probabilidad de que cualquier hidrocarburo pesado, por ejemplo, se condense antes que el agua.

Por otro lado, los dispositivos de espejo enfriado no están sujetos a deriva y no se ven influenciados por fluctuaciones en la composición del gas o cambios en el contenido de humedad.

Este método de análisis combina algunos de los beneficios de una medición con espejo enfriado con la espectroscopia . En este método, un material inerte transparente se enfría a medida que un haz de infrarrojos (IR) se dirige a través de él en un ángulo con la superficie exterior. Cuando encuentra esta superficie, el haz de infrarrojos se refleja de vuelta a través del material. Un medio gaseoso pasa a través de la superficie del material en el punto correspondiente a la ubicación donde se refleja el haz de infrarrojos. Cuando se forma un condensado en la superficie del material que se enfría, un análisis del haz de infrarrojos reflejado mostrará la absorción en las longitudes de onda que corresponden a la estructura molecular del condensado formado. De esta manera, el dispositivo puede distinguir entre condensación de agua y otros tipos de condensados, como, por ejemplo, hidrocarburos cuando el medio gaseoso es gas natural. Una ventaja de este método es su relativa inmunidad a los contaminantes gracias a la naturaleza inerte del material transparente. Similar a un verdadero dispositivo de espejo frío, este tipo de analizador puede medir con precisión la temperatura de condensación de líquidos potenciales en un medio gaseoso, pero no es capaz de medir el punto de rocío del agua real, ya que esto también requiere la medición precisa de la temperatura de evaporación.

El sensor electrolítico utiliza dos bobinados paralelos y muy espaciados, recubiertos con una fina película de pentóxido de fósforo (P2O5 ) _. A medida que este recubrimiento absorbe el vapor de agua entrante _, se aplica un potencial eléctrico a los bobinados que electrolizan el agua para convertirla en hidrógeno y oxígeno. La corriente consumida por la electrólisis determina la masa de vapor de agua que entra en el sensor. El caudal y la presión de la muestra entrante deben controlarse con precisión para mantener un caudal másico de muestra estándar en el sensor.

El método es bastante económico y se puede utilizar de manera efectiva en corrientes de gas puro donde las tasas de respuesta no son críticas. La contaminación de aceites, líquidos o glicoles en los devanados provocará una desviación en las lecturas y dañará el sensor. El sensor no puede reaccionar a cambios repentinos en la humedad, es decir, la reacción en las superficies de los devanados tarda un tiempo en estabilizarse. Grandes cantidades de agua en la tubería (llamadas slugs) mojarán la superficie y requerirán decenas de minutos u horas para "secarse". El acondicionamiento eficaz de la muestra y la eliminación de líquidos son esenciales cuando se utiliza un sensor electrolítico.

El instrumento de sorción piezoeléctrica compara los cambios en la frecuencia de osciladores de cuarzo revestidos higroscópicos . A medida que la masa del cristal cambia debido a la adsorción de vapor de agua, cambia la frecuencia del oscilador. El sensor es una medición relativa, por lo que se utiliza con frecuencia un sistema de calibración integrado con secadores desecantes, tubos de permeación y conmutación de líneas de muestreo para correlacionar el sistema.

El sistema ha tenido éxito en muchas aplicaciones, incluido el gas natural. Es posible que haya interferencias de glicol, metanol y daños por sulfuro de hidrógeno , lo que puede dar lugar a lecturas erráticas. El sensor en sí es relativamente económico y muy preciso. El sistema de calibración necesario no es tan preciso y aumenta el costo y la complejidad mecánica del sistema. La mano de obra para el reemplazo frecuente de secadores desecantes, componentes de permeación y cabezales de sensor aumenta en gran medida los costos operativos. Además, las gotas de agua hacen que el sistema no funcione durante los largos períodos de tiempo en que el cabezal del sensor tiene que "secarse".

El sensor de óxido está formado por un material de sustrato inerte y dos capas dieléctricas , una de las cuales es sensible a la humedad. Las moléculas de humedad pasan a través de los poros de la superficie y provocan un cambio en la propiedad física de la capa que se encuentra debajo.

Un sensor de óxido de aluminio tiene dos capas de metal que forman los electrodos de un condensador . La cantidad de moléculas de agua adsorbidas provocará un cambio en la constante dieléctrica del sensor. La impedancia del sensor se correlaciona con la concentración de agua . Un sensor de óxido de silicio puede ser un dispositivo óptico que cambia su índice de refracción a medida que el agua se absorbe en la capa sensible o un tipo de impedancia diferente en el que el silicio reemplaza al aluminio.

En el primer tipo (óptico), cuando la luz se refleja a través del sustrato, se puede detectar un cambio de longitud de onda en la salida, que se puede correlacionar con precisión con la concentración de humedad. Se puede utilizar un conector de fibra óptica para separar el cabezal del sensor y la electrónica.

Este tipo de sensor no es extremadamente caro y se puede instalar a presión de tubería ( in situ ). Las moléculas de agua tardan en entrar y salir de los poros, por lo que se observarán algunos retrasos en la humectación y el secado, especialmente después de un tapón . Los contaminantes y corrosivos pueden dañar y obstruir los poros, lo que provoca una "deriva" en la calibración , pero los cabezales del sensor se pueden renovar o reemplazar y funcionarán mejor en corrientes de gas muy limpias. Al igual que con los sensores piezoeléctricos y electrolíticos, el sensor es susceptible a la interferencia del glicol y el metanol, la calibración se desviará a medida que la superficie del sensor se vuelva inactiva debido a daños o bloqueos, por lo que la calibración es confiable solo al comienzo de la vida útil del sensor.

En el segundo tipo (sensor de óxido de silicio), el dispositivo a menudo está controlado por temperatura para mejorar la estabilidad y se considera que es químicamente más estable que los tipos de óxido de aluminio y responde mucho más rápido debido al hecho de que retienen menos agua en equilibrio a una temperatura de funcionamiento elevada .

Si bien la mayoría de los dispositivos de absorción se pueden instalar a presiones de tuberías (hasta 130 barg), la trazabilidad con respecto a las normas internacionales se ve comprometida. El funcionamiento a una presión cercana a la atmosférica sí proporciona trazabilidad y ofrece otros beneficios importantes, como permitir la validación directa frente a un contenido de humedad conocido.

La espectroscopia de absorción es un método relativamente simple para hacer pasar la luz a través de una muestra de gas y medir la cantidad de luz absorbida en una longitud de onda específica. Las técnicas espectroscópicas tradicionales no han tenido éxito en este proceso en el gas natural porque el metano absorbe la luz en las mismas regiones de longitud de onda que el agua. Pero si se utiliza un espectrómetro de muy alta resolución, es posible encontrar algunos picos de agua que no se superponen con otros picos de gas.

El láser sintonizable proporciona una fuente de luz de longitud de onda estrecha y sintonizable que se puede utilizar para analizar estas pequeñas características espectrales. Según la ley de Beer-Lambert , la cantidad de luz absorbida por el gas es proporcional a la cantidad de gas presente en el camino de la luz; por lo tanto, esta técnica es una medición directa de la humedad. Para lograr una longitud de camino de luz lo suficientemente larga, se utiliza un espejo en el instrumento. El espejo puede quedar parcialmente bloqueado por contaminaciones líquidas y sólidas, pero como la medición es una relación de la luz absorbida sobre la luz total detectada, la calibración no se ve afectada por el espejo parcialmente bloqueado (si el espejo está totalmente bloqueado, debe limpiarse).

Un analizador TDLAS tiene un costo inicial más alto en comparación con la mayoría de los analizadores anteriores. Sin embargo, la espectroscopia de absorción por láser de diodo sintonizable es superior en lo que respecta a lo siguiente: la necesidad de un analizador que no sufra interferencias o daños causados ​​por gases, líquidos o sólidos corrosivos, o un analizador que reaccione muy rápidamente a cambios drásticos de humedad o un analizador que permanezca calibrado durante períodos muy largos de tiempo, suponiendo que la composición del gas no cambie.

• Titulación Karl Fischer