Uma sala seca não é simplesmente um local de trabalho com baixa umidade

Na fabricação de baterias de íon-lítio, uma sala seca é um ambiente de produção no qual a quantidade de umidade no ar é reduzida a um nível extremamente baixo para lidar com eletrodos e eletrólitos sensíveis à umidade. Uma instalação de fabricação de baterias do Laboratório Nacional de Oak Ridge, apresentada em material do Departamento de Energia dos Estados Unidos, operou a sala seca para montagem de células e enchimento de eletrólito a cerca de 20°C, com ponto de orvalho de -56°C ou inferior e umidade relativa de 0.1% ou inferior. Isso não significa que outros processos de fabricação de baterias devam seguir exatamente os mesmos números, mas deixa claro que se trata de um ambiente muito além da faixa de uso de sensores comuns de umidade interna.

O objetivo de uma sala seca está principalmente na qualidade do produto e na estabilidade do processo. A umidade entra por matérias-primas, entrada de trabalhadores, abertura de portas, equipamentos de processo e vazamento de ar externo. Portanto, em vez de observar apenas um ponto na saída do desumidificador, é necessário monitorar separadamente locais com diferentes cargas de umidade, como áreas de trabalho, pontos de enchimento de eletrólito, entradas de materiais, antecâmaras e dutos de retorno da ventilação. Mesmo que a média atenda ao critério, podem formar-se áreas localmente úmidas.

Por que o ponto de orvalho é mais importante que a umidade relativa

A umidade relativa é a proporção em relação à quantidade de umidade que o ar pode conter quando saturado à temperatura atual. Quando a temperatura muda, a umidade relativa muda mesmo com a mesma quantidade de vapor d’água. Já o ponto de orvalho é a temperatura à qual a condensação começa quando o ar é resfriado, sendo mais direto para interpretar o estado absoluto da umidade em ar seco. Em condições de umidade extremamente baixa, os valores de umidade relativa ficam comprimidos perto de 0%, o que dificulta distinguir pequenas diferenças de modo confiável. Por isso, as especificações de controle de salas secas normalmente são gerenciadas não apenas por umidade relativa, mas também por ponto de orvalho ou ponto de geada.

Ao examinar as especificações de um sensor, não basta verificar apenas o limite inferior de indicação. É preciso considerar conjuntamente a faixa de medição, a precisão na faixa em questão, a repetibilidade, o tempo de resposta e a deriva de longo prazo. Por exemplo, mesmo que a faixa de medição seja indicada até -70°C, se a precisão perto do ponto de controle real for ±2°C, a margem de alarme e a tolerância de processo devem ser projetadas mais amplas do que isso. O fato de um sensor exibir um dígito a mais não significa que tenha maior precisão.

Critérios para selecionar instrumentos de medição de umidade

Primeiro, assegure um limite inferior de medição suficientemente abaixo do ponto de orvalho normal esperado. Inclua na faixa não somente a meta de operação normal, mas também o comissionamento, o teste de desempenho do desumidificador e as condições de reinicialização após a parada do processo. Segundo, verifique o tempo de recuperação. Mesmo que um sensor para umidade extremamente baixa detecte rapidamente um aumento brusco de umidade causado pela entrada de trabalhadores ou pela abertura de portas, ele pode distorcer a decisão de retomar a produção se continuar indicando valor alto durante várias horas enquanto o ambiente volta a secar. Devem ser examinadas tanto as respostas na subida quanto na descida.

Terceiro, avalie a resistência química. Os processos de baterias podem conter vapores de solventes, componentes do eletrólito e agentes de limpeza. Confirme na documentação do fabricante se a exposição desses materiais aos elementos do sensor, filtros, vedações e prensa-cabos não causa perda de sensibilidade, inchamento ou fragilização. Funções de ajuste automático ou de purga do sensor podem contribuir para a estabilidade de longo prazo, mas não significam que a contaminação possa ser ignorada.

Quarto, inclua os pontos de instalação na especificação. Sensores de parede que medem um valor interno representativo e sensores de controle de processo em dutos de desumidificadores diferem quanto à velocidade do ar, pressão, temperatura e acessibilidade. Em dutos com fluxo de ar rápido ou variações de pressão, examine a velocidade e a pressão permitidas, bem como a profundidade de inserção. Os sensores internos devem evitar a respiração dos trabalhadores, jatos de ar de portas e locais imediatamente ao lado da exaustão local, e devem ser distribuídos em vários pontos para que seja possível verificar a variação espacial.

Os sensores de gases têm limites de umidade próprios

O fato de um sensor de ponto de orvalho para sala seca funcionar em umidade extremamente baixa não significa que todos os sensores de gases no mesmo espaço funcionarão normalmente. Sensores eletroquímicos de gases são afetados pelo equilíbrio de umidade de seu eletrólito interno e têm faixas de umidade permitidas específicas de cada produto. As instruções de uso seguro Honeywell iSeries indicam faixa de umidade para operação contínua de 5~95%RH sem condensação para alguns sensores de CO, H2S e O2, e de 15~90%RH sem condensação para sensores de SO2. A combinação de ponto de orvalho de -56°C e 20°C pode corresponder a uma umidade relativa muito inferior a essa.

Portanto, um sensor não deve ser escolhido somente pelo nome do gás a detectar. Temperatura e umidade normais e anormais, sensibilidade cruzada, concentração de oxigênio, concentração de gás esperada, tempo de resposta, tempo de recuperação e possibilidade de envenenamento do sensor devem ser examinados conjuntamente. A exposição direta, em uma sala seca, de um sensor cujo fabricante não garante operação contínua em umidade extremamente baixa pode causar desvio de zero, perda de sensibilidade e resposta lenta. Mesmo que um gás de teste apresente resposta normal, isso não comprova o desempenho após exposição prolongada à umidade extremamente baixa.

Existem três opções: usar um detector cuja exposição direta a umidade extremamente baixa tenha sido verificada; colocar o sensor em um ambiente adequado fora da área classificada e transferir a amostra; ou estabelecer, com o fabricante, um método de calibração e correção condicionais. Em qualquer caso, a decisão deve basear-se não na faixa geral de medição do catálogo, mas no desempenho ambiental e no escopo de certificação do detector completo.

Projeto de pré-tratamento para detecção por amostragem

A amostragem remota protege o sensor e facilita a manutenção, mas, no momento em que se acrescenta tubulação, surgem novos erros de medição. O comprimento e o diâmetro interno da linha de amostragem, assim como a vazão da bomba, determinam o atraso de chegada. Vazamentos aspiram ar externo, diluem a concentração e alteram as condições de baixo ponto de orvalho da sala seca. Filtros bloqueiam partículas e gotículas, mas podem adsorver o gás-alvo ou retardar a resposta. O material do tubo também deve ser escolhido com base na adsorção de vapores de solventes e na compatibilidade química.

Evitar condensação é importante, mas não é uma questão simples de aquecer mecanicamente. Em nenhum trecho da linha a temperatura da parede deve ficar abaixo do ponto de orvalho da amostra, e deve-se examinar o efeito da queda de pressão sobre o comportamento da umidade e do gás-alvo. Por outro lado, ajustar a condição de umidade para o sensor de gases com umidificador ou regulador de membrana pode levar à perda ou à reação do componente-alvo. O equipamento de pré-tratamento deve ser verificado obrigatoriamente, incluindo a taxa de recuperação para cada gás-alvo e o tempo total de resposta.

Os pontos de amostragem devem ser posicionados de acordo com os cenários de vazamento. Identifique primeiro locais que podem se tornar fontes de emissão, como máquinas de enchimento de eletrólito, conexões de transferência de solvente, recipientes de armazenamento e de resíduos líquidos e pontos de captação da exaustão local, refletindo a densidade do vapor e o fluxo de ar real. Aplicar apenas a regra de piso ou teto pode deixar de considerar as trajetórias de deslocamento criadas pelo ar de recirculação da desumidificação e pela exaustão local. Falha da bomba, redução de vazão, obstrução do filtro e ruptura da linha devem ser monitoradas como estados de falha distintos.

Processos com solventes e eletrólitos exigem uma avaliação de riscos separada

No processo de revestimento de eletrodos, podem ser usados solventes como NMP, dependendo da formulação; na área de montagem de células, eletrólitos à base de carbonatos orgânicos são injetados e selados. Mesmo equipamentos normalmente fechados podem liberar vapores durante enchimento, desconexão, limpeza, coleta de amostras, tratamento de resíduos líquidos, vazamentos e manutenção. A escolha do gás a detectar deve basear-se na SDS mais recente das substâncias efetivamente usadas, na temperatura do processo, na quantidade utilizada, na ventilação e nos cenários de vazamento.

Não se deve supor que um único sensor de VOC quantifique da mesma forma todos os riscos de solventes e eletrólitos. Detectores por fotoionização têm energias de ionização e fatores de correção diferentes para cada substância; sensores catalíticos de combustão são afetados pelas condições de oxigênio e pelo envenenamento do catalisador; e sensores infravermelhos dependem das características de absorção da molécula-alvo. Monitoramento da tendência de VOC total, avaliação de exposição a substância específica e monitoramento do limite inferior de explosividade têm finalidades e unidades diferentes; portanto, a indicação de um instrumento não deve ser interpretada como se pudesse substituir a de outro.

Não se deve confundir a sala seca com uma área classificada para risco de explosão

O simples fato de haver baixo ponto de orvalho não torna um espaço uma área classificada para risco de explosão. A sala seca é um ambiente definido por critérios de controle de umidade. Em contraste, uma área classificada é categorizada com base na possibilidade e na duração da presença de gases, vapores, névoas inflamáveis ou poeiras combustíveis em concentrações que possam ser inflamadas. A OSHA 29 CFR 1910.307 também exige que cada sala, compartimento ou área seja avaliado individualmente e classificado conforme a natureza das substâncias presentes e a possibilidade de ocorrência de concentração inflamável.

O inverso também é verdadeiro. A instalação de um sensor com certificação para atmosfera explosiva não assegura automaticamente o desempenho de medição em umidade extremamente baixa da sala seca. A marcação de proteção contra explosão significa que o equipamento foi avaliado para não se tornar uma fonte de ignição em determinado grupo de gases, classe de temperatura, tipo de proteção e área. Precisão em baixo ponto de orvalho, resistência a solventes, adsorção da amostra e intervalo de calibração são itens de desempenho distintos. Em última análise, o sensor deve ser verificado em dois eixos: desempenho ambiental e adequação à área classificada.

A classificação de área deve resultar de uma avaliação de riscos do processo que reflita o nível de ventilação e de confinamento, emissões normais e vazamentos anormais, propriedades de inflamabilidade das substâncias e frequência e duração das emissões. O interior e o entorno das conexões da máquina de enchimento de eletrólito, uma sala de armazenamento de solventes separada e pontos de manuseio de resíduos líquidos podem ter classificações diferentes; classificar toda a sala seca de uma vez ou deixá-la toda sem classificação tem base frágil. Um especialista qualificado em proteção contra explosão deve documentar isso segundo as leis e normas do país aplicável.

Relação entre medidas de ESD e projeto de proteção contra explosão

A umidade extremamente baixa pode dificultar a dissipação de carga nas superfícies, aumentando a possibilidade de acúmulo de eletricidade estática. Cargas podem ser geradas por roupas dos trabalhadores, movimentação de filmes e pós, tubos plásticos, recipientes de transferência e substituição de filtros. A eletricidade estática pode não apenas causar problemas de qualidade em componentes eletrônicos sensíveis, mas também tornar-se fonte de ignição quando houver uma mistura inflamável.

As medidas básicas são equipotencialização e aterramento de equipamentos condutivos, pisos, calçados e roupas de controle eletrostático, dispositivos de ionização, velocidade de transferência adequada, minimização de materiais não condutivos e verificação periódica da continuidade do aterramento. O material técnico da OSHA explica a equipotencialização como uma conexão que iguala o potencial entre objetos condutivos e o aterramento como uma conexão que dissipa a carga acumulada para a terra. Contudo, o aterramento por si só não elimina a carga de todos os isolantes; por isso, é necessária uma avaliação de ESD que inclua os materiais e as operações reais do processo.

Sensores, bombas, medidores de vazão, caixas de conexão e equipamentos de comunicação dentro da área classificada devem ter tipos de proteção adequados à área e às substâncias. Circuitos intrinsecamente seguros devem ser analisados como um sistema, incluindo barreiras e fiação, e prensa-cabos e vedações para proteção contra explosão não devem ser substituídos por componentes arbitrários. Mesmo ao enviar uma amostra a um analisador fora da área classificada, devem-se examinar o caminho pelo qual vapor ou chama pode ser transmitido pela tubulação, o tratamento seguro do gás de descarga e o próprio local de instalação da bomba.

Plano de instalação e manutenção

A tabela de seleção de sensores deve registrar, no mínimo, os itens a seguir.

  • Finalidade da medição e substância-alvo, função de alarme ou de controle

  • Ponto de orvalho, temperatura, pressão, velocidade do ar e exposição química, normais e anormais

  • Faixa de medição, precisão, repetibilidade, tempos de resposta e recuperação, sensibilidade cruzada

  • Instalação direta ou método de amostragem e tempo total de atraso

  • Classificação da área, grupos de gases e poeiras, classe de temperatura, tipo de proteção

  • Método de calibração, gás de teste, intervalo de inspeção, peças sobressalentes e critérios de substituição

  • Sinais de falha, tratamento de dados ausentes, intertravamento de alarmes e condições de parada segura

No comissionamento, compare com instrumentos de referência para mapear a variação espacial e confirmar a resposta a perturbações reais, como abertura de portas, entrada de trabalhadores, entrada de materiais e mudança de desumidificador. O sistema de detecção de gases deve ser submetido a teste funcional, com gás de teste de concentração conhecida, desde o sensor até a linha de amostragem, alarmes e intertravamentos. Em um sistema por amostragem, meça se o tempo de transporte calculado coincide com o tempo real de alarme.

A manutenção não termina com a calibração por calendário. Gerencie como indicadores de condição o achatamento anormal da tendência do ponto de orvalho, diferenças entre sensores adjacentes, redução da vazão da bomba, pressão diferencial do filtro, vazamento da linha e falha no retorno ao zero. Após vazamento de solvente, exposição a alta umidade, parada prolongada ou substituição do sensor, não espere o ciclo regular e realize uma inspeção adicional. Também é preciso confirmar que gás, tubos e reguladores de calibração são adequados às condições da sala seca.

A seleção final começa com duas perguntas

A primeira pergunta é: “Este sensor mantém a precisão e a capacidade de resposta necessárias no ponto de orvalho-alvo e no ambiente químico real?”. A segunda é: “Se o ponto de instalação estiver em uma área classificada, este sistema completo é certificado e projetado de modo adequado para essa área e essas substâncias?”. Satisfazer apenas uma das duas perguntas não é suficiente.

O ponto central do projeto de sensores para salas secas de baterias não é instalar o maior número de sensores. É definir separadamente os cenários de entrada de umidade e de liberação de substâncias químicas, escolher a tecnologia adequada à finalidade de cada medição e verificar toda a cadeia de medição, da amostragem aos alarmes e à manutenção. Quando essa estrutura estiver estabelecida, será possível conectar a gestão de qualidade em baixo ponto de orvalho e a prevenção de incêndio e explosão em um único sistema operacional, sem confundi-las.

Materiais de referência

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