É preciso começar entendendo exatamente o sentido do título

Dizer que “VOC e gases inflamáveis não são detectados pelo mesmo sensor” não significa que os dois grupos de risco não compartilhem nenhuma substância. Muitas substâncias, como benzeno, tolueno e hexano, são ao mesmo tempo voláteis e inflamáveis. Dependendo das condições, um detector por fotoionização (PID) e um sensor de gases inflamáveis podem responder ao mesmo vapor. No entanto, os dois equipamentos diferem quanto à grandeza física observada, à faixa de resposta, à unidade exibida e ao objetivo da decisão de segurança. O ponto central do título é que a resposta de um sensor, por si só, não significa que o outro risco também tenha sido quantificado.

Em instalações petroquímicas, o PID é usado principalmente para fazer uma triagem de vapores orgânicos em baixos níveis de ppm e localizar vazamentos ou mudanças de concentração. Sensores de gases inflamáveis por combustão catalítica ou infravermelho expressam a concentração, do ponto de vista do risco de incêndio e explosão, como porcentagem do limite inferior de explosividade (%LEL). Por exemplo, mesmo que um vapor de solvente seja detectado tanto pelo PID quanto pelo sensor LEL, “50 ppm” no PID e “5% LEL” no sensor LEL não pertencem à mesma escala. O primeiro é uma resposta de ionização relativa ao gás de referência escolhido; o segundo é uma resposta relativa ao limite inferior de explosividade do gás de calibração.

Portanto, a pergunta antes do trabalho não deve ser “Este aparelho também detecta VOC?”, mas “Em que faixa e com que exatidão precisamos avaliar separadamente a exposição tóxica e o risco de explosão da substância-alvo?”. É por isso que muitos processos exigem o uso simultâneo de um PID para verificar critérios toxicológicos e de um canal LEL para verificar o risco de explosão.

O PID detecta vapores que podem ser ionizados por luz ultravioleta

O PID projeta a luz de uma lâmpada ultravioleta sobre uma amostra de ar e mede a corrente gerada quando as moléculas são ionizadas. Segundo o Manual Técnico da OSHA, a detecção só é possível quando a energia da lâmpada é igual ou superior à energia de ionização da substância. Energias comuns de lâmpadas são 9.5, 10.6 e 11.7 eV. Lâmpadas de maior energia podem ionizar mais substâncias, mas também apresentam diferenças de vida útil e seletividade.

Esse princípio explica por que o PID não é um “sensor de todos os VOC”. Uma lâmpada de 10.6 eV pode responder bem ao tolueno ou benzeno, mas responder pouco ou nada a substâncias de maior energia de ionização. O material operacional da EPA sobre PID descreve o equipamento como não seletivo, capaz de quantificar aproximadamente o total de VOC, e afirma explicitamente que ele não responde a hidrocarbonetos de baixa massa molecular, como metano e etano. Em outras palavras, a tela de um PID comum de 10.6 eV pode permanecer silenciosa mesmo quando um vazamento de metano está criando risco de explosão.

A situação inversa também ocorre. Um PID pode exibir dezenas de ppm, mas esse valor sozinho não permite dizer que a atmosfera esteja prestes a entrar na faixa explosiva. Para muitos solventes orgânicos, o risco tóxico ou irritante torna-se relevante em uma faixa de ppm muito inferior à concentração necessária para chegar ao LEL. O PID é útil para encontrar tendências de vazamento em baixas concentrações, porém, diante de uma mistura, não separa por conta própria quais componentes existem nem em que quantidade. O EPA Method 3815 também adverte que a resposta do PID varia muito entre os VOC e, em especial, que a resposta a alcanos pode ser mais de uma ordem de grandeza inferior à resposta a aromáticos ou a certas substâncias halogenadas.

Umidade, contaminação da janela da lâmpada, envelhecimento da lâmpada e supressão causada por gases não ionizáveis também podem reduzir a resposta. Por isso, o zero deve ser ajustado com ar limpo em condições de temperatura e umidade semelhantes às do local, e o aparelho deve ser verificado e calibrado antes do uso com o gás indicado pelo fabricante. Para usar um valor de PID como se fosse um resultado de identificação da substância, é preciso confirmá-lo por um método seletivo, como tubos detectores, cromatógrafo a gás portátil ou análise laboratorial após a coleta da amostra.

O sensor LEL por combustão catalítica mede o calor da combustão

O sensor por combustão catalítica também é chamado de pellistor. Quando um gás inflamável se oxida na superfície de uma pastilha catalítica aquecida, o calor gerado altera a resistência elétrica da pastilha, e um circuito em ponte lê a diferença em relação a uma pastilha de referência. A avaliação técnica de sensores de gás do NIST também explica o princípio pelo qual o sensor catalítico converte o calor da reação de oxidação da substância detectada em sinal de concentração. Em geral, a tela exibe %LEL tomando como referência um gás de calibração, como metano ou pentano.

A vantagem desse método é responder amplamente a diversos gases e vapores inflamáveis. Entretanto, a reação requer oxigênio. Um relatório de investigação de acidente do NIOSH explica que uma pastilha catalítica geralmente precisa de cerca de 8~10 vol% ou mais de oxigênio para detectar com exatidão, e que uma atmosfera composta quase 100% de gás ou vapor pode parecer indicar 0% LEL. Interpretar uma leitura baixa como segurança perto de equipamentos purgados com nitrogênio, tanques inertizados ou fontes de vazamento de alta concentração pode ser fatal. O oxigênio deve ser verificado primeiro; se o LEL subir bruscamente e depois cair ou ficar instável, também devem ser consideradas deficiência de oxigênio, excedência da faixa de medição ou inibição do sensor.

Pastilhas catalíticas podem sofrer inibição temporária ou envenenamento irreversível por silicone e compostos de enxofre ou chumbo. Hidrocarbonetos clorados e gases ácidos também podem reduzir a resposta. Vapores de alto ponto de ebulição podem condensar na mangueira de amostragem e produzir uma leitura menor que a real. O teste funcional confirma apenas se o caminho do gás e o alarme funcionam; não garante toda a exatidão da sensibilidade nem a resposta a cada substância-alvo. O procedimento operacional deve incluir verificação de calibração após a exposição, gases de teste especificados pelo fabricante e critérios de substituição do sensor.

O sensor LEL infravermelho mede a absorção em comprimentos de onda específicos

O sensor infravermelho de gases inflamáveis utiliza a propriedade de determinados hidrocarbonetos de absorver radiação infravermelha. Depois que a luz da fonte atravessa a amostra, o aparelho compara a intensidade no comprimento de onda de medição e no de referência para calcular a concentração. O NIST explica que cada gás possui uma “impressão digital” infravermelha própria e que a concentração pode ser determinada pela quantidade de luz absorvida no comprimento de onda correspondente. Sensores infravermelhos não dispersivos (NDIR) de campo usam o mesmo princípio básico.

Como não queima o gás sobre uma superfície catalítica, o sensor infravermelho pode medir em atmosferas com pouco ou nenhum oxigênio e é relativamente resistente ao envenenamento do catalisador. É por isso que ele apresenta vantagens em processos inertizados ou na detecção fixa em que hidrocarbonetos estão presentes continuamente. Porém, “não requer oxigênio” e “detecta todos os gases inflamáveis” são afirmações totalmente diferentes. Moléculas como o hidrogênio, que não absorvem radiação infravermelha em quantidade suficiente, não podem ser medidas por um sensor IR LEL comum para hidrocarbonetos. Para acetileno e outros gases, também é preciso consultar o projeto de comprimentos de onda do sensor e a lista de gases certificados. Contaminação dos componentes ópticos, condensação, bloqueio do feixe e diferenças de absorção entre gases-alvo também causam erros.

Assim, instalar apenas um sensor IR para hidrocarbonetos em um processo de hidrogenação onde possa haver geração de hidrogênio, ou somente um sensor catalítico em um tanque purgado com nitrogênio, cria pontos cegos. É preciso primeiro definir a lista de gases-alvo, as condições de oxigênio, os critérios toxicológicos, as concentrações esperadas e o ambiente de instalação para então escolher a combinação de sensores.

O fator de correção muda o número, não o sensor

O PID geralmente é calibrado com isobutileno. Quando se sabe com segurança que há uma única substância específica, seu fator de resposta ou de correção pode ser aplicado ao valor exibido para obter uma concentração estimada. Como a OSHA explica, o fator depende não apenas da substância, mas também da energia da lâmpada instalada. Por exemplo, se a tabela do fabricante indicar um fator de correção de 0.5, pode-se multiplicar por 0.5 o valor exibido em equivalente de isobutileno. Contudo, como cada fabricante pode definir o fator como “fator multiplicador” ou “fator de resposta”, não se deve fazer cálculos arbitrários. A biblioteca do instrumento, o tipo de lâmpada e a fórmula do manual precisam ser conferidos como um único conjunto.

Em uma mistura de VOC, um único fator de correção torna-se muito menos confiável. Se tolueno, hexano e acetona variam ao mesmo tempo, as correntes do PID se somam, mas o aparelho não separa a composição. O alarme deve ser definido com base na substância mais conservadora; ou, quando a composição do processo for estável, pode-se estabelecer uma correlação de campo e confirmar as decisões quantitativas por análise seletiva. O registro também deve informar se o valor corrigido é uma “concentração equivalente da substância indicada” ou uma “concentração equivalente de isobutileno”.

Sensores LEL também diferem conforme o gás de calibração. Um sensor catalítico calibrado com metano não apresenta a mesma sensibilidade a propano, pentano ou hidrogênio. Sensores infravermelhos também têm características de absorção diferentes para cada hidrocarboneto. A OSHA orienta usar a tabela ou a curva de correção do fabricante quando a atmosfera real difere do gás de referência. No entanto, o fator de correção do LEL não é compatível com o fator de correção de VOC do PID. Ainda que a mesma substância apareça nas duas tabelas, uma corrige a resposta de ionização e a outra, a resposta relativa ao limite inferior de explosividade.

Além disso, em misturas gasosas, a prática de simplesmente multiplicar cada valor exibido pelo fator e somar os resultados muitas vezes não foi validada. Se não for possível calibrar com a mistura-alvo real, deve-se examinar com o fabricante se o alarme tocará cedo o suficiente até mesmo para o componente previsto ao qual o sensor tenha a menor sensibilidade. Um fator de correção não faz o sensor detectar uma nova substância fora de seu princípio de funcionamento. Inserir um fator de correção no PID não torna o metano visível, assim como inserir um fator em um IR para hidrocarbonetos não torna o hidrogênio visível.

Em instalações petroquímicas, os canais são combinados conforme a finalidade

Em processos onde coexistem petróleo bruto, nafta, solventes, aditivos e intermediários, é difícil concluir uma permissão de trabalho com um único tipo de instrumento. Separar as finalidades de medição como abaixo ajuda a reduzir omissões:

  1. Use primeiro o canal de oxigênio para verificar deficiência ou enriquecimento e as condições de interpretação do LEL catalítico.

  2. Monitore continuamente o risco de incêndio e explosão com um canal LEL por combustão catalítica ou infravermelho. Se houver hidrogênio ou uma atmosfera inerte, analise separadamente o princípio do sensor.

  3. Use o PID para fazer triagem de vazamentos de baixa concentração, gradientes de concentração e mudanças na exposição dos trabalhadores a VOC ionizáveis.

  4. Verifique substâncias tóxicas específicas, como benzeno, sulfeto de hidrogênio e monóxido de carbono, com sensores dedicados ou métodos de análise seletiva.

  5. Defina os locais de medição e os valores de alarme considerando matérias-primas do processo, fichas de dados de segurança, operação normal e anormal, agentes de limpeza, purga e cenários de manutenção.

Tomando a abertura de um tanque como exemplo, antes da entrada devem-se medir as zonas superior, intermediária e inferior, considerando tempo suficiente de transporte e resposta, e manter o monitoramento durante o trabalho porque a abertura ou a perturbação do lodo pode alterar a composição do vapor. Um PID que indique 0 ppm não significa que não haja metano ou substâncias que a lâmpada não ionize; um LEL que indique 0% tampouco significa que os VOC tóxicos estejam abaixo de seus limites de exposição. Por outro lado, se PID e LEL subirem ao mesmo tempo, pode haver resposta sobreposta ao mesmo vapor, mas os dois números não devem ser convertidos entre si sem identificar a substância.

Na tabela de seleção de equipamentos, convém registrar lado a lado a substância-alvo, a faixa de concentração esperada, o critério toxicológico, o LEL, a energia de ionização do PID, a lâmpada instalada, o requisito de oxigênio do sensor catalítico, a possibilidade de detecção por IR, o gás de calibração e a fonte do fator de correção. Antes do uso, cada canal deve ser verificado com um gás de teste adequado e revisto depois de uma exposição a substâncias que possam envenenar o sensor. Também é necessário um procedimento que impeça registrar uma falha de medição ou indicação de faixa excedida como “0”.

Conclusão: diferencie a finalidade da medição, não apenas a presença de resposta

Sensores PID, LEL por combustão catalítica e LEL infravermelho apresentam faixas de resposta sobrepostas para alguns compostos, mas não substituem uns aos outros. O PID usa a resposta relativa em ppm de substâncias ionizadas por luz ultravioleta; o catalítico utiliza o calor de oxidação quando há oxigênio; e o IR usa a absorção nos comprimentos de onda projetados para avaliar concentrações inflamáveis. A sobreposição pode acrescentar uma margem de segurança, mas não significa que as medições sejam iguais.

A configuração mais segura não é o aparelho com o maior número de sensores, e sim aquela em que os princípios dos sensores correspondem aos cenários de risco. A exposição tóxica a VOC e o risco de incêndio ou explosão devem ser tratados como perguntas independentes; calibração e correção para as substâncias-alvo, condições de oxigênio, sensibilidades cruzadas e substâncias não detectáveis devem ser documentadas. Nesse arranjo, PID e LEL não são equipamentos concorrentes, mas complementares, que reduzem pontos cegos diferentes.

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