Uso de detectores de gases inflamables PPM para aumentar la seguridad

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Figura 1: Respuesta selectiva de ppm H2 en presencia de gases de interferencia.

Una de las tecnologías de detección de gases inflamables más utilizadas es el sensor LEL.

LEL, abreviatura de "Límite explosivo inferior", se define como la concentración más baja (por porcentaje) de un gas o vapor en el aire que puede propagar una explosión. Por ejemplo, el metano (CH4) y el hidrógeno (H2), dos de los gases industriales inflamables más comunes, exhiben valores LEL de cinco por ciento y cuatro por ciento por volumen en el aire, respectivamente. El enfoque en los detectores LEL como tecnología de referencia para productos inflamables es natural debido al claro peligro de las explosiones, el historial de minería y las leyes de entrada a espacios confinados que exigen específicamente la detección LEL.

Los detectores de gases inflamables LEL son claramente una parte importante de un programa de detección de gases, pero debido a su tecnología subyacente, son más efectivos para medir concentraciones de gases inflamables relativamente altas. Las concentraciones del 100 por ciento LEL (la concentración mínima de un gas inflamable presente para apoyar la combustión) mencionadas anteriormente para CH4 y H2 corresponden a 50,000 ppm y 40,000 ppm, respectivamente. Las normas típicas contra incendios exigen alarmas de gas al 10 por ciento LEL y 20 por ciento LEL. La tecnología habitual en estos sensores 100 por ciento LEL es un circuito de puente de Wheatstone con un pelistor activo (con catalizador) y un pelistor pasivo (sin catalizador) que interactúan con el gas inflamable que se mide. En la práctica, esta tecnología a menudo no es muy confiable al cinco por ciento de LEL o menos, a pesar de que a menudo se implementa como la única tecnología de detección para mediciones de inflamables. Aunque los detectores de gases inflamables LEL se usan a menudo en la industria, no son muy efectivos para medir H2 por debajo de 2000 ppm y CH4 por debajo de 2500 ppm.

Figura 2: Gabinete de gas típico para contener cilindros y controlar la entrega del gas a los procesos.

Aunque se utilizan con menos frecuencia, se han desarrollado y están disponibles en el mercado sensores de gas inflamable de alta calidad optimizados para el rango de concentración de ppm. Dichos sensores son ideales para escenarios de detección de gas donde las concentraciones que deben medirse están significativamente por debajo del rango LEL normal de un detector de gas inflamable típico. Algunos de los sensores de mayor calidad de este tipo utilizan la llamada tecnología de semiconductores de "alambre caliente" en combinación con la tecnología de tamiz molecular, incluso tienen la capacidad de medir específicamente el gas inflamable de interés. Vea el gráfico de la curva de respuesta (Figura 1) que utiliza un sensor de ppm de H2 específico de hidrógeno a continuación. El sensor no solo responde a una concentración de gas inflamable por debajo de las capacidades de un sensor LEL normal, una mezcla de H2 y etanol (Et-OH) y alcohol isopropílico (IPA) reacciona casi exclusivamente al H2, no a las otras sustancias.

Para ilustrar la efectividad de esta tecnología en la práctica, describimos un ejemplo específico de gabinetes de gas donde los sensores de gases inflamables ppm son particularmente efectivos. Una situación común en las plantas de gas y semiconductores, entre otros entornos industriales, es el uso de botellas de gas dopante con una pequeña cantidad de una sustancia en una alta concentración de gas inflamable; típicamente, más del 90 por ciento de gas inflamable. El H2 se utiliza comúnmente de esta manera con una cantidad menor de una sustancia dopante como la fosfina (PH3). Tenga en cuenta que el PH3 es muy tóxico y tiene un TLV de 50 ppb. Estas botellas de gas se usan a menudo en un gabinete de gas (consulte la Figura 2).

En la Tabla 1 a continuación, enumeramos varias concentraciones hipotéticas que podría ver en una botella de gas dopante de este tipo.

Tabla 1: Escenario modelo para dopante de fosfina PH3 en un equilibrio de hidrógeno H2.

Incluso con concentraciones de gas PH3 (dopante) del 10 por ciento, la botella contiene un 90 por ciento de hidrógeno. Eso está muy por encima del 100 por ciento LEL para hidrógeno (cuatro por ciento por volumen) arriba. Si tuviera una falla catastrófica del sistema y el gas fluyera libremente hacia las áreas ambientales o hacia el escape, podría tener mezclas explosivas que un sensor LEL normal de alta concentración podría detectar. Sin embargo, las emisiones de gas en gabinetes de gas u otros sistemas de suministro de gas rara vez son catastróficas. Por lo general, son fugas muy pequeñas que se desarrollan con el tiempo. En nuestro ejemplo, en la Tabla I, hemos imaginado una pequeña fuga realista que entrega solo 250 ppm de H2 a los detectores y calcula varias concentraciones ambientales del gas PH3 (dopante) que se produce. Es importante señalar que un sensor típico de 100 por ciento LEL estándar no detectará este pequeño evento de fuga en absoluto. Además, a las concentraciones de PH3 dopante utilizadas con mucha frecuencia, incluso este escenario de fuga de bajo nivel está produciendo niveles de PH3 > LDL en el medio ambiente. También es cierto que las fugas grandes casi siempre comienzan como fugas pequeñas. Desde la perspectiva de aumentar el factor de seguridad para dichos sistemas y, con suerte, prevenir una fuga catastrófica, existen claramente algunas ventajas. Además, en este escenario, puede advertir a los usuarios sobre los peligros tóxicos configurando los rangos de detección de gases inflamables alrededor de los valores TLV del gas dopante.

Figura 3: Sistema DOD EC20 con sensores de hidrógeno PPM para una aplicación dopante

Un ejemplo del mundo real de una configuración de detección de gas que utiliza detectores de gas inflamable de ppm se muestra en la Figura 3, donde 20 puntos de detección de gas están monitoreando 20 puntos en áreas ambientales y de escape donde comúnmente pueden ocurrir fugas de gas de ppm. Existen muchos otros escenarios comunes en los que la medición de concentraciones de gases inflamables a niveles bajos dará como resultado un mayor nivel de seguridad. Argumentamos que siempre es mejor tener una indicación lo antes posible de una fuga de mezcla de gas potencialmente inflamable/explosiva y que la tecnología de detección de gas ppm debe utilizarse como parte del sistema de seguridad de gas. Además, a través de la detección del gas portador inflamable, también puede aumentar la seguridad frente a los peligros de los gases dopantes altamente tóxicos que a veces se introducen en las mezclas de gases con altas concentraciones de gases inflamables.

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