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 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 garantizar la calidad de los procesos y la fabricación . Es necesario conocer las trazas de humedad en los sólidos en procesos que involucran plásticos , productos farmacéuticos y tratamientos térmicos . [ cita necesaria ] Los campos que requieren medición de humedad en gases o líquidos incluyen el procesamiento de hidrocarburos , gases semiconductores puros , gases puros o mixtos a granel, gases dieléctricos como los de transformadores y plantas de energía , y transporte por tuberías de gas natural . Las mediciones del contenido de humedad se pueden informar en varias unidades, tales 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 de un gas. Este parámetro está inherentemente relacionado con el contenido de humedad, que define la cantidad de moléculas de agua como una fracción del total. Ambos pueden usarse 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 medidas diferentes . [2] [3]
El método clásico de laboratorio para medir niveles altos de humedad en materiales sólidos o semisólidos es la pérdida por secado. [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 secado 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 muestras y un elemento calefactor circundante. Bajo el control de un microprocesador , la muestra se puede calentar rápidamente. La tasa de pérdida de humedad se mide durante todo el proceso y luego se representa en forma de curva de secado. [6]
Un método preciso para determinar la cantidad de agua es la titulación Karl Fischer , desarrollada en 1935 por el químico alemán , cuyo nombre lleva. Este método detecta sólo agua, a diferencia de la pérdida por secado, que detecta sustancias volátiles . [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 generalmente se realizan con una de las siguientes técnicas: [8]
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” utilizados por la Oficina Nacional de Normas son precisos, pero no 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 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 usan 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 de error. En la práctica, el error puede alcanzar hasta el 25 por ciento. Los tubos indicadores de color son muy adecuados para estimaciones aproximadas y poco frecuentes de la humedad del 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, se produce el espejo enfriado del mismo nombre . Cuando la superficie esté lo suficientemente fría, la humedad disponible comenzará a condensarse sobre ella en pequeñas gotas. Se registra la temperatura exacta a la que se produce esta condensación por primera vez 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 punto de rocío . [10] Todos los dispositivos de espejos fríos, 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 a la misma velocidad. Al enfriar el espejo, la temperatura sigue bajando después de haber alcanzado el punto de rocío, por lo que la medición de la temperatura de condensación es inferior a la temperatura del punto de rocío real antes de que el agua comience a condensarse. Por lo tanto, la temperatura del espejo aumenta lentamente hasta que se observa que se produce evaporación y el punto de rocío se informa como el promedio de estas dos temperaturas. Al obtener una temperatura precisa del punto de rocío, se puede calcular el contenido de humedad en el gas. La temperatura del espejo se puede regular mediante el flujo de refrigerante sobre el espejo o mediante un refrigerador termoeléctrico, también conocido como elemento Peltier .
El comportamiento de formación de condensación en la superficie del espejo se puede registrar de forma óptica o visual. En ambos casos, se dirige una fuente de luz hacia el espejo y los cambios en el reflejo de esta luz debido a la formación de condensación son detectados por un sensor o por el ojo humano, respectivamente. El punto exacto en el que comienza a producirse la condensación no es discernible a simple vista, por lo que los instrumentos modernos operados manualmente utilizan un microscopio para mejorar la precisión de las mediciones tomadas con este método. [11] [12]
Los analizadores de espejo enfriado están sujetos a los efectos de confusión de algunos contaminantes , aunque a niveles similares a los de otros analizadores. Con sistemas de preparación de análisis de gases y filtración adecuados, 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 la presión de la línea, lo que reduce la probabilidad de que cualquier hidrocarburo pesado, por ejemplo, se condense. antes del agua.
Por otra parte, los dispositivos de espejos fríos no están sujetos a la 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 frío con la espectroscopia . En este método, un material inerte transparente se enfría mientras un haz infrarrojo (IR) se dirige a través de él en ángulo con respecto a la superficie exterior. Cuando encuentra esta superficie, el haz de infrarrojos se refleja a través del material. Se pasa un medio gaseoso a través de la superficie del material en el punto correspondiente al lugar donde se refleja el haz de infrarrojos. Cuando se forma un condensado en la superficie del material enfriado, un análisis del haz de infrarrojos reflejado mostrará absorción en las longitudes de onda que corresponden a la estructura molecular de la condensación formada. De esta forma, el dispositivo es capaz de 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 requiere también una medición precisa de la temperatura de evaporación. .
El sensor electrolítico utiliza dos devanados paralelos muy próximos y recubiertos con una fina película de pentóxido de fósforo (P 2 O 5 ). A medida que este recubrimiento absorbe el vapor de agua entrante , se aplica un potencial eléctrico a los devanados que electrolizan el agua en hidrógeno y oxígeno. La corriente consumida por la electrólisis determina la masa de vapor de agua que ingresa al 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 puede usarse eficazmente 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 daños al sensor. El sensor no puede reaccionar a cambios repentinos de humedad, es decir, la reacción en las superficies de los devanados tarda algún tiempo en estabilizarse. Grandes cantidades de agua en la tubería (llamadas babosas) mojarán la superficie y requerirán decenas de minutos u horas para "secarse". El acondicionamiento eficaz de las muestras y la eliminación de líquidos son esenciales cuando se utiliza un sensor electrolítico.
El instrumento de sorción piezoeléctrico compara los cambios en la frecuencia de osciladores de cuarzo con revestimiento higroscópico . A medida que la masa del cristal cambia debido a la adsorción de vapor de agua, la frecuencia del oscilador cambia. El sensor es una medición relativa, por lo que con frecuencia se utiliza un sistema de calibración integrado con secadores desecantes, tubos de permeación y conmutación de líneas de muestra para correlacionar el sistema.
El sistema ha tenido éxito en muchas aplicaciones, incluido el gas natural. Es posible que haya interferencias por glicol, metanol y daños por sulfuro de hidrógeno , lo que puede provocar lecturas erráticas. El sensor en sí es relativamente económico y muy preciso. El sistema de calibración requerido no es tan preciso y aumenta el costo y la complejidad mecánica del sistema. La mano de obra necesaria para el reemplazo frecuente de secadores desecantes, componentes de permeación y cabezales de sensores aumenta considerablemente los costos operativos. Además, las gotas de agua hacen que el sistema no funcione durante largos períodos de tiempo, ya que el cabezal del sensor tiene que "secarse".
El sensor de óxido se compone de 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 las propiedades físicas de la capa debajo de ella.
Un sensor de óxido de aluminio tiene dos capas metálicas 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 es absorbida por 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 costoso y puede instalarse 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 el mojado y secado, especialmente después de una babosa . Los contaminantes y corrosivos pueden dañar y obstruir los poros, provocando una "desviación" en la calibración , pero los cabezales de los sensores se pueden restaurar 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 vuelve 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 suele tener temperatura controlada 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 a que retienen menos agua en equilibrio a una temperatura de funcionamiento elevada .
Si bien la mayoría de los dispositivos de tipo absorción se pueden instalar a presiones de tubería (hasta 130 barg), la trazabilidad según las normas internacionales está comprometida. El funcionamiento a una presión cercana a la atmosférica proporciona trazabilidad y ofrece otros beneficios importantes, como permitir la validación directa frente al contenido de humedad conocido.
La espectroscopia de absorción es un método relativamente simple para hacer pasar 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 logrado hacer esto en el gas natural porque el metano absorbe 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 un recorrido de luz lo suficientemente largo, 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 espectroscopía de absorción con láser de diodo sintonizable es superior cuando se trata de 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 permanecerá calibrado durante períodos de tiempo muy largos, suponiendo que la composición del gas no cambie.