Primero hay que precisar qué significa el título

La afirmación «los VOC y los gases combustibles no se detectan con el mismo sensor» no significa que ambos grupos de riesgo no compartan ninguna sustancia. Muchas sustancias, como el benceno, el tolueno y el hexano, son a la vez volátiles y combustibles. Según las condiciones, un detector de fotoionización (PID) y un sensor de gases combustibles pueden responder al mismo vapor. Sin embargo, ambos equipos miden magnitudes físicas distintas y difieren en su rango de respuesta, unidades de indicación y finalidad de la evaluación de seguridad. La idea central del título es que la respuesta de un sensor no permite asumir que también se ha cuantificado el otro peligro.

En las plantas petroquímicas, el PID se utiliza principalmente para cribar vapores orgánicos a bajas concentraciones del orden de ppm y localizar fugas o cambios de concentración. Los sensores de gases combustibles por combustión catalítica o infrarrojos expresan la concentración como porcentaje del límite inferior de explosividad (%LEL) desde la perspectiva del riesgo de incendio y explosión. Por ejemplo, aunque el vapor de un disolvente sea detectado tanto por el PID como por el sensor LEL, los «50 ppm» del PID y el «5% LEL» del sensor LEL no pertenecen a la misma escala. El primero es una respuesta de ionización respecto al gas de referencia seleccionado; el segundo, una respuesta relativa al límite inferior de explosividad del gas de calibración.

Por tanto, antes del trabajo la pregunta no debe ser «¿este equipo también detecta VOC?», sino «¿con qué rango y precisión debemos evaluar por separado la exposición tóxica y el riesgo de explosión de la sustancia objetivo?». Por eso, en muchos procesos es necesario utilizar conjuntamente un PID para comprobar los criterios de toxicidad y un canal LEL para evaluar el riesgo de explosión.

El PID detecta vapores ionizables por luz ultravioleta

El PID ilumina una muestra de aire con una lámpara ultravioleta y mide la corriente generada al ionizarse las moléculas. Según el manual técnico de OSHA, la energía de la lámpara debe ser igual o superior a la energía de ionización de la sustancia para que pueda detectarla. Las energías habituales de las lámparas son 9.5, 10.6 y 11.7 eV. Una lámpara de mayor energía puede ionizar más sustancias, pero también presenta diferencias de vida útil y selectividad.

Este principio explica por qué un PID no es un «sensor para todos los VOC». Una lámpara de 10.6 eV puede responder bien al tolueno o al benceno, pero responder débilmente o no responder en absoluto a sustancias con una energía de ionización superior. La documentación operativa de la EPA sobre PID explica que estos detectores no son selectivos y ofrecen una cuantificación aproximada de los VOC totales, y señala expresamente que no responden a hidrocarburos de bajo peso molecular, como el metano y el etano. Por tanto, aunque una fuga de metano esté creando un riesgo de explosión, la pantalla de un PID convencional de 10.6 eV puede permanecer sin indicación.

También puede ocurrir lo contrario. Aunque el PID indique decenas de ppm, ese valor por sí solo no permite afirmar que la concentración se esté acercando al intervalo explosivo. En muchos disolventes orgánicos, el rango de ppm en el que la toxicidad o la irritación se vuelven problemáticas está muy por debajo de la concentración necesaria para alcanzar el LEL. El PID es útil para detectar tendencias de fuga a estas bajas concentraciones, pero, cuando entra una mezcla, no separa por sí mismo qué componente está presente ni en qué cantidad. El método 3815 de la EPA también advierte que la respuesta del PID varía mucho según el tipo de VOC y que, en particular, la respuesta de los alcanos puede ser inferior en más de un orden de magnitud a la de los compuestos aromáticos o ciertos compuestos halogenados.

La humedad, la contaminación de la ventana de la lámpara, el envejecimiento de esta y la extinción causada por gases no ionizables también pueden reducir la respuesta. Por ello, hay que ajustar el cero con aire limpio a una temperatura y humedad similares a las del lugar de trabajo, y realizar la comprobación previa al uso y la calibración con el gas indicado por el fabricante. Si se pretende utilizar la lectura del PID como resultado de identificación de una sustancia, debe confirmarse mediante un método selectivo, como tubos colorimétricos, un GC portátil o la toma de muestras seguida de análisis en laboratorio.

El sensor LEL de combustión catalítica mide el calor de combustión

El sensor de combustión catalítica también se denomina pellistor. El calor generado cuando el gas combustible se oxida sobre la superficie de una perla catalítica calentada modifica su resistencia eléctrica, y un circuito en puente mide la diferencia respecto a una perla de referencia. La revisión tecnológica de sensores de gases del NIST también explica el principio por el que un sensor catalítico convierte el calor de la reacción de oxidación de la sustancia detectada en una señal de concentración. La pantalla suele mostrar el %LEL tomando como referencia un gas de calibración, como metano o pentano.

La ventaja de este método es su amplia respuesta a diversos gases y vapores combustibles. Sin embargo, la reacción necesita oxígeno. Un informe de investigación de incidentes de NIOSH explica que una perla catalítica necesita aproximadamente entre 8 y 10 vol% de oxígeno para detectar correctamente y que, en una atmósfera formada casi por un 100% de gas o vapor, puede parecer que indica 0% LEL. Interpretar inmediatamente una lectura baja como segura puede ser mortal cerca de equipos purgados con nitrógeno, tanques inertizados o fuentes de fuga de alta concentración. Hay que comprobar primero el oxígeno y, ante un valor LEL que sube bruscamente y luego baja o que es inestable, considerar también la posibilidad de falta de oxígeno, superación del rango de medida o inhibición del sensor.

La perla catalítica puede sufrir inhibición temporal o envenenamiento irreversible por siliconas y compuestos de azufre o plomo, entre otros. Los hidrocarburos clorados y los gases ácidos también pueden reducir la respuesta. Los vapores de alto punto de ebullición pueden condensarse en la manguera de muestreo y dar una lectura inferior a la real. La prueba funcional confirma que la vía de gas y la alarma funcionan, pero no garantiza toda la sensibilidad exacta ni la respuesta a la sustancia objetivo. El procedimiento operativo debe incluir la comprobación de la calibración después de una exposición, el gas de prueba especificado por el fabricante y los criterios para sustituir el sensor.

El sensor LEL infrarrojo mide la absorción a longitudes de onda específicas

El sensor infrarrojo de gases combustibles aprovecha la propiedad de ciertos hidrocarburos de absorber radiación infrarroja. Calcula la concentración comparando la intensidad de la longitud de onda de medida y la de referencia después de que la luz de una fuente atraviese la muestra. El NIST explica que cada gas tiene una «huella» infrarroja propia y que su concentración puede determinarse por la cantidad de luz absorbida en la longitud de onda correspondiente. Los sensores infrarrojos no dispersivos (NDIR) de campo utilizan el mismo principio básico.

Al no quemar el gas sobre una superficie catalítica, el sensor infrarrojo puede medir en atmósferas con poco o ningún oxígeno y es relativamente resistente al envenenamiento catalítico. Por eso resulta ventajoso para procesos inertizados o para la detección fija donde hay hidrocarburos de forma continua. Sin embargo, «no necesita oxígeno» y «detecta todos los gases combustibles» son afirmaciones completamente distintas. Las moléculas que no absorben suficientemente la radiación infrarroja, como el hidrógeno, no pueden medirse con un sensor IR LEL convencional diseñado para hidrocarburos. Para el acetileno y otros gases también deben comprobarse el diseño de longitudes de onda del sensor y la lista de gases certificados. La contaminación de los elementos ópticos, la condensación, la obstrucción del haz y las diferencias de absorción entre gases objetivo son asimismo fuentes de error.

Por consiguiente, instalar únicamente un sensor IR para hidrocarburos en un proceso de hidrogenación donde pueda generarse hidrógeno, o solo un sensor catalítico en un tanque purgado con nitrógeno, crea puntos ciegos. Antes de decidir la combinación de sensores hay que definir la lista de gases objetivo, las condiciones de oxígeno, los criterios de toxicidad, las concentraciones previstas y el entorno de instalación.

El factor de corrección cambia el número, no el sensor

El PID suele calibrarse con isobutileno. Cuando se sabe con certeza que hay una sustancia concreta, se aplica a la indicación su factor de respuesta o factor de corrección para obtener una concentración estimada. Como explica OSHA, este factor depende no solo de la sustancia, sino también de la energía de la lámpara instalada. Por ejemplo, si la tabla del fabricante indica un factor de corrección de 0.5, se multiplica por 0.5 la indicación equivalente en isobutileno. Sin embargo, según el fabricante, el factor puede definirse como «factor multiplicador» o «factor de respuesta», por lo que no debe calcularse de manera arbitraria. Hay que comprobar como un único conjunto la biblioteca del equipo, el tipo de lámpara y la fórmula del manual.

En una mezcla de VOC, un único factor de corrección resulta mucho menos fiable. Si el tolueno, el hexano y la acetona cambian simultáneamente, las corrientes del PID se suman, pero el equipo no separa la composición. Debe fijarse la alarma respecto a la sustancia más conservadora, o establecer una correlación de campo cuando la composición del proceso sea estable, y confirmar las decisiones cuantitativas mediante análisis selectivo. También debe registrarse si el valor al que se aplicó el factor de corrección es una «concentración equivalente de la sustancia» o una «concentración equivalente de isobutileno».

Los sensores LEL también presentan diferencias según el gas de calibración. La sensibilidad de un sensor catalítico calibrado con metano no es la misma ante propano, pentano o hidrógeno. Los sensores infrarrojos también responden de forma distinta según las características de absorción de cada hidrocarburo. OSHA aconseja utilizar la tabla o curva de corrección del fabricante cuando la atmósfera real difiere del gas de referencia. No obstante, los factores de corrección LEL no son intercambiables con los factores de corrección de VOC del PID. Aunque aparezca el mismo nombre de sustancia en ambas tablas, una corrige la respuesta de ionización y la otra la respuesta relativa al límite inferior de explosividad.

Además, en mezclas de gases, el método de multiplicar cada indicación por un factor y sumar los resultados no suele estar validado. Si no es posible calibrar con la mezcla objetivo real, hay que revisar con el fabricante si la alarma se activará con suficiente antelación incluso para el componente previsto al que el sensor sea menos sensible. Un factor de corrección no permite detectar una nueva sustancia fuera del principio de funcionamiento del sensor. Introducir un factor de corrección en el PID no hace visible el metano, ni introducirlo en un sensor IR para hidrocarburos hace visible el hidrógeno.

En una planta petroquímica se combinan canales según su finalidad

En procesos donde coexisten crudo, nafta, disolventes, aditivos y productos intermedios, es difícil completar un permiso de trabajo con un único tipo de instrumento. Separar los objetivos de medición como se indica a continuación reduce las omisiones.

  1. Comprobar primero con el canal de oxígeno la deficiencia o el exceso de oxígeno y las condiciones necesarias para interpretar el canal LEL catalítico.

  2. Vigilar continuamente el riesgo de incendio y explosión mediante un canal LEL de combustión catalítica o infrarrojo. Si existen hidrógeno y atmósferas inertes, revisar por separado el principio del sensor.

  3. Utilizar el PID para cribar fugas a baja concentración de VOC ionizables, gradientes de concentración y cambios en la exposición de los trabajadores.

  4. Comprobar sustancias tóxicas individuales, como benceno, sulfuro de hidrógeno y monóxido de carbono, mediante sensores dedicados o métodos analíticos selectivos.

  5. Fijar los puntos de medición y los valores de alarma teniendo en cuenta las materias primas del proceso, las SDS, el funcionamiento normal y anómalo, los productos de limpieza, la purga y los escenarios de mantenimiento.

Tomando como ejemplo la apertura de un tanque, antes de entrar deben medirse las zonas superior, media e inferior, dejando un tiempo suficiente para el transporte de la muestra y la respuesta del sensor. También hay que vigilar durante el trabajo, porque la apertura o la alteración de los lodos puede modificar la composición del vapor. Aunque el PID indique 0 ppm, no significa que no haya metano u otras sustancias que la lámpara no pueda ionizar; aunque el LEL indique 0%, tampoco significa que los VOC tóxicos estén por debajo de los límites de exposición. Por el contrario, si el PID y el LEL aumentan a la vez, ambos podrían estar respondiendo al mismo vapor, pero no deben convertirse entre sí los dos valores sin identificar la sustancia.

Conviene indicar en paralelo, en la tabla de selección de equipos, la sustancia objetivo, el intervalo de concentración previsto, el criterio de toxicidad, el LEL, la energía de ionización para el PID, la lámpara instalada, el requisito de oxígeno del sensor catalítico, la capacidad de detección por IR, el gas de calibración y la fuente del factor de corrección. Antes del uso, cada canal debe comprobarse con un gas de prueba adecuado y volver a comprobarse tras exponerse a sustancias que puedan envenenar el sensor. También se necesita un procedimiento que impida registrar como «0» un fallo de medición o una indicación de fuera de rango.

Conclusión: se distingue la finalidad de la medición, no solo si el sensor responde

Los rangos de respuesta de los sensores PID, LEL de combustión catalítica y LEL infrarrojos se solapan para algunos compuestos, pero los sensores no se sustituyen entre sí. El PID utiliza luz ultravioleta para obtener una respuesta relativa en ppm de las sustancias ionizables; el sensor catalítico utiliza el calor de oxidación en presencia de oxígeno; y el sensor IR utiliza la absorción a las longitudes de onda para las que fue diseñado para evaluar la concentración combustible. El solapamiento puede aportar un margen de seguridad, pero no significa que ambos realicen la misma medición.

La configuración más segura no es el equipo con más sensores, sino aquella en la que los principios de los sensores coinciden con los escenarios de peligro. La exposición tóxica a VOC y el riesgo de incendio y explosión deben plantearse como preguntas separadas, y deben documentarse la calibración y corrección adecuadas para las sustancias objetivo, las condiciones de oxígeno, la sensibilidad cruzada y las sustancias que no pueden detectarse. Entonces, el PID y el sensor LEL dejan de ser equipos competidores y pasan a complementarse para reducir puntos ciegos distintos.

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