ORSAT Manual de Procedimentos de Amostragem

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ORSAT
Manual de Procedimentos de Amostragem
MANUAL TÉCNICO
Baseado no “Sampling Procedures Manual” do Texas Air Control Board
ÍNDICE
1.0
2.0
3.0
4.0
GERAL
REAGENTES E SOLUÇÕES AUXILIARES
MANUTENÇÃO, CUIDADOS E REABASTECIMENTO
OPERAÇÃO DO ANALISADOR ORSAT
ANALISADOR ORSAT – PASSO A PASSO
5.0 PROCEDIMENTO DE CAMPO (PESO MOLECULAR NA BASE
SECA)
6.0 EXERCÍCIO – DETERMINAÇÃO DO PESO MOLECULAR NA
BASE SECA
TABELA 6-1 – FORMULÁRIO DE DADOS DE CAMPO
1
2
2
4
6
11
13
15
Responsáveis:
Tradução: José Walderley Coêlho Dias
Revisão: Rosângela Rita Serpa Rajoy
ENERGÉTICA – Rio de Janeiro
DATA: 10/08/2012
REVISÃO: 0
Pág. 1
1.0 GERAL
Um dos mais conhecidos e mais simples aparelhos para análise de gases é o Analisador Orsat.
Ele é utilizado para se determinar a composição e peso molecular de gases. Trata-se de um
método volumétrico envolvendo absorção e oxidação seletivas. Ele é geralmente utilizado para
detectar dióxido de carbono (CO2), oxigênio (O2) e monóxido de carbono (CO). Ver esquema do
analisador Orsat na Figura 1.1
As absorções são realizadas em pipetas de contato ou pipetas borbulhadoras. A redução do
volume na pipeta à medida que a absorção ocorre corresponde ao volume do componente
particular sendo absorvido. A oxidação é obtida usando-se um catalisador e tubos de óxido de
cobre. Vários tipos de analisadores Orsat são encontrados no mercado. O instrumento discutido
aqui é um analisador de gases de combustão, modelo gabinete, da Burrell Corporation.
Este analisador Orsat determina as composições de CO2, O2 e CO, presentes num gás numa
base volumétrica seca, pela passagem do gás através de uma série de soluções de purificação
em pipetas de contato onde cada constituinte é seletivamente removido. O gás residual nas
pipetas é normalmente considerado como nitrogênio. Correções quanto ao teor de umidade
devem ser realizadas quando se converter os níveis de concentração de gás na base seca para
base úmida. O Método 3 de referência da EPA descreve a coleta e análise de uma amostra de
gás.
Figura 1-1 Esquema do Orsat
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2.0 REAGENTES E SOLUÇÕES AUXILIARES
Os requisitos gerais para as soluções reagentes são:
1. Alta solubilidade para um componente específico e estabilidade do composto formado na
solução;
2. Tempo curto de absorção;
3. Baixa pressão de vapor (menos perigoso);
4. Nenhuma ação corrosiva na mangueira de borracha;
5. Não causem emperramento das torneiras no manifold.
Os seguintes reagentes químicos, disponíveis no mercado, são recomendados para análise de
gases em chaminé:
• CO2: Solução de hidróxido de potássio (KOH) ou hidróxido de sódio (NaOH) ou “dissorvente”
(esta solução também absorve, lentamente, H2S, SO2 e SO3).
• O2: solução de pirogalol alcalino, que é uma mistura de ácido pirogálico com solução de KOH,
ou solução “oxsorvente”, que é uma solução de cloreto cromoso estabilizado. Ambas estas
soluções também absorvem CO2 em quantidades bem pequenas.
• CO: Solução de cloreto cuproso, que também absorve O2, forma Cu2Cl2 .2CO (cloreto cuproso
e monóxido de carbono) quando colocado em contacto com CO. Visto que este composto é
relativamente instável, deve-se colocar fio ou tela de cobre dentro da pipeta a fim de impedir
oxidação.
ATENÇÃO: Esta solução deve ser mantida longe de contato com ar.
• Pó cossorvente: Este pó é misturado com ácido sulfúrico e água deionizada. Esta solução
forma o composto estável Cu2SO4.2CO (sulfato cuproso e monóxido de carbono) em contato
com CO, mas também absorverá, lentamente, etileno, propileno, acetileno e oxigênio.
• Solução de Bureta: Esta solução consiste em Na2SO4, saturado, acidificado 20 % em peso,
H2SO4 5 % em volume, e algumas gotas de metilorange para cor. É usado como líquido
confinante em buretas e recipientes de gás.
3.0 MANUTENÇÃO, CUIDADOS E REABASTECIMENTO
Lubrificação de torneiras: Uma lubrificação adequada com uma graxa resistente a ácido e a
álcali impedirá que as torneiras vazem, emperrem e se desgastem. Para lubrificar a torneira,
limpe o plugue e o corpo externo; então aplique uma pequena quantidade de graxa de torneira
nos lados opostos do plugue entre as aberturas dos orifícios. O plugue é então inserido de
modo que as aberturas dos orifícios coincidam. O plugue é pressionado e girado até que uma
película de graxa cubra toda a superfície. Não se deve usar quantidade de graxa em excesso.
As torneiras devem ser limpadas e reengraxadas a cada três meses, ou na primeira indicação
de afinamento ou contaminação da película de graxa.
Utilização de líquido confinante (solução de bureta): Utiliza-se solução salina aquosa para
encher a bureta e o frasco de nivelamento. Apenas água não é adequado como líquido
confinante visto que pode absorver parte da amostra de gás. Algumas gotas de metilorange
farão com que a solução na bureta fique fácil de ser observada, e também indicará qualquer
alteração de um ácido para uma condição alcalina. A solução deve ser substituída quando a
cor rósea desaparecer.
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Nota: Exposição ao frio pode causar cristalização da solução. Isto pode ser remediado pela
diluição com água da torneira ou destilada até que cesse a cristalização.
Enchimento das pipetas: As pipetas devem ser abertas ao longo do manifold e os tampões e as
bolsas de gás removidos de cada pipeta. As pipetas devem ser lavadas com água morna e
rinsadas com água destilada. Deve-se tomar cuidado para não derramar reagentes na pele ou
na roupa.
Atenção: As pipetas não devem ser sacolejadas durante a lavagem, visto que isso pode causar
aquecimento excessivo das mesmas.
A primeira pipeta é enchida pela metade com solução dissorvente. A segunda, a pipeta de
absorção de oxigênio, é enchida pela metade com soluções 1 e 2 de pirogalol alcalino,
misturado na proporção de 8 para 1. A solução cossorvente é preparada adicionando-se 200
mL de H2SO4 concentrado a 19 mL da água e misturando-se a solução com agitador
magnético. Enquanto a solução estiver morna, o pó cossorvente é adicionado em pequenas
porções. A solução deve ser agitada enquanto o pó estiver sendo adicionado a fim e evitar
coagulação. Aproximadamente metade do pacote de pó (~ 120 g) é utilizada. Quando
misturada completamente, a terceira pipeta fica aproximadamente cheia pela metade com a
solução.
Por outro lado, pode-se utilizar solução ácida de Cu2Cl2 como solução absorvente de CO. Caso
duas pipetas sejam utilizadas para CO, a primeira pipeta é enchida com Cu2Cl2 ácido e a
segunda com Cu2Cl2 cossorvente ou ácido. Todas as pipetas são então reconectadas ao
manifold e o líquido em cada pipeta é elevado à marca de referência gravada em sua haste
capilar.
Conexões de borracha: Em todos os pontos de junção onde sejam utilizadas mangueiras de
borracha, tais como as conexões das pipetas ao manifold, deve-se manter contacto vidro-vidro
a fim de evitar vazamentos.
Verificação de vazamentos no aparelho: Os líquidos em todas as pipetas devem ser nivelados
a pontos adequados, e todas as torneiras fechadas. O frasco de nivelamento da bureta é
baixado e aproximadamente 100 mL de ar são injetados no sistema. A torneira de entrada do
manifold é então fechada. O frasco de nivelamento é erguido até o topo do Orsat enquanto o
nível do líquido na bureta é checado. Caso haja vazamentos em qualquer das torneiras ou
conexões de borracha, o nível de líquido na bureta subirá.
Limpeza do manifold: Ao utilizar o Orsat, pode-se passar uma solução da pipeta através da
torneira do manifold e daí para dentro do manifold. Caso faça isso, deve-se aplicar uma
descarga de água acidulada no manifold e repetir a análise. Caso contrário, a pequena
quantidade de solução remanescente no manifold poderá absorver parte da amostra de gás e
causar erros na análise.
Reabastecimento: As soluções absorventes devem ser trocadas a cada três meses ou quando
aparecer coagulação ou alteração de cor. A utilização frequente do Orsat pode requerer
reabastecimento mais frequente.
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Figura 3-1
4.0 OPERAÇÃO DO ANALISADOR ORSAT
1) Antes de iniciar a análise, a solução de cada pipeta deve ser checada para assegurar
sua passagem através dos tubos capilares dentro da pipeta, utilizando-se o frasco para
mover o líquido para cima e para baixo através destes tubos. O nível do líquido é então
trazido para a marca de referência na haste capilar da pipeta.
2) A bolsa do Orsat contendo a amostra de gás deve ser conectada à entrada do manifold
e a linha do manifold purgada três ou quatro vezes com o gás da amostra.
3) As medições de volume na análise do gás são comumente realizadas à pressão
constante, geralmente atmosférica, eliminando a necessidade de correções. A pressão
atmosférica é estabelecida na bureta segurando-se o frasco de nivelamento ao lado da
bureta de modo que a solução na bureta e o frasco de nivelamento estejam no mesmo
nível. O balanceamento da pressão deve ser realizado a cada leitura do volume de gás
na bureta.
4) Aproximadamente 100 mL de gás de amostra são injetados na bureta. A solução da
bureta e os frascos do reservatório são então mantidos ao mesmo nível, como por
exemplo, na marca de 0 mL.
5) A torneira da primeira pipeta é aberta e o gás de amostra é passado através da solução
várias vezes até que o nível da solução na pipeta seja trazido de volta à marca de
referência. O volume diminui na bureta e é então lido. Este procedimento é repetido até
que duas leituras consecutivas indiquem nenhuma alteração. Esta diminuição total de
volume (mL) é a percentagem de volume de CO2 no gás de amostra.
6) O procedimento 5 é então repetido para a segunda e terceira pipetas.
7) A bureta é envolvida por uma jaqueta de água, que mantém a amostra de gás a uma
temperatura constante de modo a serem desnecessárias correções de temperatura.
Geralmente a temperatura da água na jaqueta não se alterará significativamente durante
a análise. A temperatura da amostra de gás deve ser tão próxima quanto possível à
temperatura da água antes que a amostra seja trazida para a bureta.
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8) Visto que o gás na bureta é mantido saturado com água pela solução da bureta, os
resultados obtidos são na base seca.
9) Após terminada a análise, drene a solução da bureta para o frasco de nivelamento a fim
de reduzir a possibilidade de quebra da bureta durante o transporte
Figura 4-1
Soluções do Orsat
Absorvedor CO2 – 200 mL de 45% Hidróxido de Potássio em água
Absorvedor O2 – 12 a 14 g de Ácido Pirogálico em 200 mL de 45% KOH
Absorvedor CO – Solução de Cloreto Cuproso ou HCl fumegante em pedaços de cobre no
absorvedor
Figura 4-2
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ANALISADOR ORSAT – PASSO A PASSO
Passo 1
Purgue a bureta levantando o frasco e
girando a válvula da bureta
Passo 2
Gire a válvula da bureta no sentido
anti-horário e abaixe o frasco para
encher a bureta.
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Passo 3
Gire a válvula da bureta no sentido
horário. Levante o frasco lentamente até
que o nível esteja no “0”.
Passo 4
Gire todas as válvulas como mostrado. A
válvula da bureta deve ser girada no
sentido anti-horário e todas as outras
válvulas, no sentido horário.
De agora em diante:
Jamais gire a válvula da bureta para a
entrada da bolsa ou a válvula do CO2 para
a saída.
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Passo 5
Levante o frasco, gire a válvula da bureta e
do CO2 no sentido horário.
Observe o fluido subindo.
Deixe o fluido subir até próximo ao
topo da bureta e aí vá para o próximo passo.
Passo 6
Abaixe o frasco.
Sempre observe o fluido subindo.
Jamais deixe o fluido no borbulhador do CO2
ir acima da marca.
Repita os passos 5 e 6 cinco vezes.
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Passo 7
Gire a válvula do CO2 no sentido antihorário e nivele a bureta e frasco ao
mesmo nível e faça a leitura.
Repita Passos 5 e 6 cinco vezes e, após,
o Passo 7.
Caso você obtenha a mesma leitura,
registre-a e vá para o Passo 8; caso
contrário volte para o Passo 5.
Passo 8
Levante o frasco, gire a válvula da bureta e
do CO2 no sentido anti-horário.
Observe o fluido subindo.
Deixe o fluido subir até próximo ao topo da
bureta e então vá para o próximo passo.
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Passo 9
Abaixe o frasco.
Sempre observe o fluido subindo.
Jamais deixe o fluido no borbulhador do
O2 ir acima da marca.
Repita os passos 8 e 9 cinco vezes.
Passo 10
Gire a válvula do O2 no sentido anti-horário e
nivele a bureta e o frasco ao mesmo nível e faça
a leitura.
Repita os passos 8 e 9 cinco vezes, e então vá
para o Passo 10.
Caso você obtenha a mesma leitura, registre-a;
caso contrário volte para o Passo 8.
Analise o CO da mesma maneira que o O2.
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5.0 PROCEDIMENTO DE CAMPO (PESO MOLECULAR NA BASE SECA)
Nota: Este procedimento compreende três diferentes tipos de técnicas de amostragem. Selecione
o procedimento apropriado para o teste.
A. Ponto Único, Amostragem Aleatória (Grab Sampling) e Análise
1.
Veja esquema de amostragem na Figura 5.1.
2.
Opcional: Caso utilize o Orsat, faça teste de vazamento no mesmo.
3.
Insira a ponta da sonda no centróide da seção transversal da chaminé ou num ponto com
no mínimo 1 m das paredes.
4.
Purgue a linha de amostragem distante suficientemente para permitir pelo menos cinco
trocas.
5.
Puxe uma amostra para o analisador e imediatamente faça análise do CO2 e do O2
6
Calcule o peso molecular na base seca.
7.
Repita os procedimentos de amostragem, análise e cálculos até que os pesos
moleculares na base seca de quaisquer amostras aleatórias difiram de sua média por não
mais que 0,3 g/g-mol.
8.
Reporte a média destes três pesos moleculares com aproximação de 0,1 g/g-mol.
Figura 5.1 Aparelhagem para amostragem instantânea
B. Amostragem Integrada, Monopontual e Análise
1. Veja esquema de amostragem na Figura 5.2.
2. Opcional: Faça teste de vazamento na bolsa flexível.
3. Prepare o equipamento conforme o método.
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4. Opcional: Faça teste de vazamento no trem
5. Evacue a bolsa flexível e conecte a sonda.
6. Coloque a ponta da sonda no centróide da seção transversal da chaminé ou num ponto
com no mínimo 1 m da parede interna.
7. Amostre à vazão constante, simultaneamente com, e para o mesmo período de tempo, à
medida que sejam coletados 30 L de amostra de gás à vazão de emissão do poluente ou
seja coletado o volume desejado.
8. Obtenha uma amostra integrada de gás de emissão durante a determinação da taxa de
emissão do poluente.
9. Opcional: Caso seja utilizado o Orsat, realize teste de vazamento no analisador antes da
determinação.
10. Dentro de 8 horas após a tomada da amostra, faça as análises de %CO2 e %O2.
11. Calcule o peso molecular na base seca.
12. Repita os procedimentos de análise e cálculos até que os pesos moleculares na base seca
individuais de quaisquer três análises difiram de sua média por não mais que 0,3 g/g-mol.
13. Reporte a média destes três pesos moleculares com aproximação de 0,1g/g-mol.
Figura 5.2 Aparelhagem para amostragem integrada
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C. Amostragem Integrada, Multipontual, e Análise
1.
Para chaminés com diâmetro equivalente (De) < 61 cm, utilize ≥ 8 pontos transversos para
chaminés circulares e≥ 9 para chaminés retangulares, e ≥ 12 pontos transve rsos para
todos os outros casos.
2.
Localize os pontos transversos segundo o Método 1 da US EPA.
3.
Siga os procedimentos esboçados no método, exceto para o seguinte: Percorra todos os
pontos transversos e amostre a cada ponto por um período igual de tempo. Registre os
dados de amostragem conforme mostrado na Tabela 6.1. Veja também se a amostragem
for conduzida com amostragem de particulado.
D. Alternativas e Modificações
1.
Em vez de utilizar uma amostra integrada, pode-se utilizar um Orsat para analisar
amostras aleatórias individuais obtidas em cada ponto.
2.
Se for medido o CO2 ou o O2, pode-se utilizar cálculos estequiométricos para se determinar
Md.
3.
Um Md = 30,0 pode ser utilizado para os combustíveis gás natural, carvão ou óleo.
6.0 EXERCÍCIO - DETERMINAÇÃO DO PESO MOLECULAR NA BASE
SECA
Introdução
Neste exercício, a composição da mistura de gases será medida utilizando-se um analisador
Orsat de modo que o peso molecular da mistura seca seja determinado. O Orsat permite uma
análise na base seca (isto é, não inclui vapor d’água).
O Orsat é comumente utilizado para determinar o efluente da combustão onde N2, O2, CO e CO2
são os principais constituintes do fluxo gasoso. Ele analisa uma mistura gasosa pela sucessiva
remoção de CO2, O2 e CO por absorventes apropriados e medição de alterações de volume. O N2
é medido subtraindo-se os outros volumes determinados do volume total.
Descrição
É importante manusear o frasco de nivelamento de modo que seja sempre mantido o controle do
fluido. Na Figura 6-1, pode-se ver três métodos para se segurar o frasco de nivelamento,
começando pelo mais preferido. Seja cuidadoso para não misturar os reagentes. Sempre observe
o fluido subindo!
Meça cada componente do gás e transfira os dados para a Tabela 6-1.
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Figura 6-1 – Modos de manuseio do frasco de nivelamento
Calcule o peso molecular da mistura utilizando a seguinte fórmula:
𝑀𝑀𝑑𝑑 = ∑ 𝑀𝑀𝑥𝑥 𝐵𝐵𝑥𝑥 = 𝑀𝑀𝐶𝐶𝐶𝐶2 𝑀𝑀𝐶𝐶𝐶𝐶2 + 𝑀𝑀𝑂𝑂2 𝐵𝐵𝑂𝑂2 + 𝑀𝑀𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐵𝐵𝐶𝐶𝐶𝐶 +𝑀𝑀𝑁𝑁2 𝐵𝐵𝑁𝑁2
Bx = proporção em volume do componente = %x/100
Mx = peso molecular do componente
Md = peso molecular da mistura
Transfira o valor de Md para a Tabela 6.1. Para melhor compreensão, ver Seção 3.
Discussão
Estime sua exatidão na determinação de um componente, por exemplo CO2. Considere seu erro
de leitura e habilidade de reproduzir resultados.
ɸR = ± ___________
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TABELA 6-1 – FORMULÁRIO DE DADOS DE CAMPO
Peso Molecular na Base Seca
Nome Cliente/Fábrica_________________________________ Tarefa nº ___________________
Cidade/Estado ______________________________________ Data ______________________
Local da amostragem/ Rodada nº ______________________ Resp. _______________________
Orsat/Fyrite (Ponto único, Aleatória ou integrada, Amostra e Análise
Orsat nº:
Fyrite nº:
Teste de vazamento Analisador OK? __
Tempo de
Tempo de
Leitura
Leitura %O2
%O2
%(CO + N2)
Md
Coleta da
Análise
%CO2 (A)
(B)
(B-A)
(100-B)
g/g-mol
Amostra
Md = 0,440 %CO2 + 0,320 %O2 + 0,280 %(CO + N2)
Média
Identificação Bolsa:
Cada Md ≤ 0,3 g/g-mol a partir da média? ______
Teste Vazamento da Bolsa OK? ____
Teste de Vazamento do Trem OK? _____
Nota: A equação para Md não considera o argônio no ar (cerca de 0,9%, M = 39,9) e introduz um
erro negativo de 0,4%.
Tempo
Amostragem Integrada, Multiponto
Ponto Transverso
Vazão, Q
Média
% desvio
< ± 10%?
%Desvio = (Q – Qméd)/Qméd x 100 < ± 10%
Verificação CQ/GC
Completude ____ Legibilidade ____ Exatidão _____ Especificações ____ Razoabilidade ____
Verificado por: ________________________________ ________________________________
Executante (ass./data)
Líder do time (ass./data)