Diapositiva 1

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Departamento de Química Analítica y Tecnología de
Alimentos
QUIMICA ANALITICA APLICADA

• TEMA 3.- Métodos automáticos y analizadores de
  procesos
• Métodos automáticos de análisis.
• Clasificaciones.
• Analizadores automáticos continuos y
  discontinuos.
• Analizadores de procesos. Componentes.
• Analizadores fotométricos, electroquímicos y
  cromatógrafos de procesos.

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METODOS AUTOMATICOS DE ANALISIS
OPERACIONES QUE SE PUEDEN AUTOMATIZAR DURANTE EL PROCESO ANALÍTICO OPERACIONES QUE SE PUEDEN AUTOMATIZAR DURANTE EL PROCESO ANALÍTICO OPERACIONES QUE SE PUEDEN AUTOMATIZAR DURANTE EL PROCESO ANALÍTICO
OPERACION EJEMPLOS TIPO
Preparación de la muestra Trituración, homogeneización, secado D
Definición de la muestra Determinación de peso o volumen D
Disolución de la muestra Tratamiento con disolventes y dilución. C, D
Disolución de la muestra Calentamiento, calcinación, fusión D
Separación Precipitación y filtración D
Separación Extracción, diálisis y cromatografiado C, D
Medida Absorbancia, I de emisión, potencial, I de corriente y conductividad C, D
Calibración Análisis de los patrones C, D
Tratamiento de datos Calcular el resultado, analizando exactitud precisión C, D
Presentación de datos Imprimir los resultados numéricos, representar gráficamente los datos C, D
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METODOS AUTOMATICOS DE ANALISIS
DEFINICIONES DE LA COMISION DE NOMENCLATURAS DE LA IUPAC DEFINICIONES DE LA COMISION DE NOMENCLATURAS DE LA IUPAC
CONCEPTO DEFINICIÓN
Mecanización Uso de aparatos o maquinas para sustituir, mejorar, ampliar o suplementar el esfuerzo humano
Instrumento Aparato usado para observar, medir o comunicar una propiedad ( parámetro) que reemplaza o suplementa la actividad humana
Automatización Uso combinado de dispositivos mecánicos e instrumentales para sustituir, mejorar, ampliar o suplementar el esfuerzo y la inteligencia humana en el desarrollo de un proceso , en el cual una de las operaciones mas importantes es controlada mediante un sistema de realimentación
Sistema de realimentación Un dispositivo en el que se combinan elementos de recepción y envío de señales que pueden modificar el funcionamiento del proceso en diversos momentos
Dispositivos automáticos Originan acciones previamente programadas en un proceso sin tomar decisiones
Dispositivos automatizados Realizan la acción de automatizar. Se diseñan para que un sistema de realimentación les permita tomar decisiones
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METODOS AUTOMATICOS DE ANALISIS CLASIFICACIÓN

• SEGUN SU METODOLOGIA
• CONTINUOS
• La muestra se introducen en un canal por el que
  fluye un liquido en el que esta disuelto el
  reactivo. El flujo pasa por el detector. La
  muestra origina una señal transitoria en forma de
  curva, su altura se relaciona con la
  concentración
• DISCONTINUOS
• La muestra se mantiene en un receptáculo (cubeta
  o pocillo), donde tienen lugar las etapas
  analíticas mecánicamente. Finalmente la muestra
  se lleva al detector
• ROBOTIZADOS
• Se basan en el uso de un robot controlado por un
  microprocesador que mimetiza las funciones de un
  operador en el desarrollo de un método de
  análisis
• SEGUN SU VERSATILIDAD
• MONOCANAL
• Sirven para analizar un parámetro en cada
  muestra
• MULTICANAL
• Pueden analizar hasta 20 componentes en cada
  muestra. Disponen de una unidad de análisis con
  detector individual para cada parámetro
• ESPECIFICOS
• Sirven para determinar un único o un numero
  reducido de componentes en un mismo tipo de
  muestras

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ANALIZADORES AUTOMATICOS DISCONTINUOS

• EN SERIE
• La muestra permanece en el mismo receptáculo
  tanto en las operaciones previas (dilución,
  adición de reactivo, mezcla), como en la
  detección.
• Modelo RA-1000 (Technicon)
• Consta de tres discos
• -Unidad central Bandeja de reacción con 100
  cubetas
• 2.-Disco de la izquierda Plato de muestras (0.5
  ml)
• 3.-Disco de la derecha Plato de reactivos (25ml)
  
• Las pipetas de aspiración , trasvasan muestras
  (3 a 20 µL) y reactivos (300 µL) a la bandeja
  central.
• El detector es un colorímetro con filtros.

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ANALIZADORES AUTOMATICOS DISCONTINUOS

• EN PARALELO O CENTRÍFUGOS
• La medida se lleva a cabo en una cubeta
  diferente al receptáculo donde se lleva a cabo el
  primer trasvase y tratamiento de la muestra
• Analizador centrifugo 600 de Union Carbide
• Consta de dos módulos separados , el dosificador
  de muestras y reactivos y el analizador , en el
  que se realiza la mezcla y la medida
  colorimétrica

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ANALIZADORES AUTOMATICOS CONTINUOS

• METODOS AUTOMATICOS CONTINUOS
• FLUJO SEGMENTADO
• Las muestras se aspiran secuencialmente, y entre
  ellas se sitúan burbujas de aire que separan las
  muestras entre si
• Componentes esenciales
• Sistema de toma de muestra
• Sistema de propulsión
• Sistema de separación
• Sistema de calefacción
• Sistema de eliminación de burbujas
• Sistema de detección

ANALIZADOR DE FLUJO CONTINUO SEGMENTADO (CFA)
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ANALIZADORES DE FLUJO CONTINUO NO SEGMENTADO

• FLUJO NO SEGMENTADO
• Las muestras se inyectan en el flujo. En la
  detección no se alcanza ni el equilibrio físico
  ni el equilibrio químico.
• Se distinguen dos modalidades
• CON INYECCION
• Análisis por inyección en flujo (FIA )
• Análisis por inyección en flujo segmentado,
  interrumpido y almacenado (SF/USA)
• SIN INYECCION
• Análisis en flujo completamente continuo

• CON INYECCION
• ANALISIS POR INYECCION EN FLUJO (FIA)
• Son una consecuencia de los métodos de flujo
  segmentado sin las burbujas de aire.
• En la figura a se muestra un sistema FIA para la
  determinación colorimétrica de calcio en suero,
  leche y agua potable.
• El tampón y el reactivo se mezclan en un
  serpentín antes de la inyección de la muestra.
• En la figura b se muestran los fiagramas para
  tres muestras por triplicado y cuatro patrones
  por duplicado.

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ANALIZADORES DE FLUJO CONTINUO NO SEGMENTADO

• CON INYECCION
• ANALISIS POR INYECCION EN FLUJO (FIA)
• En la figura se muestra un sistema FIA mas
  complicado, para la determinación de cafeína en
  preparados farmacéuticos después de su
  extracción con cloroformo. El cloroformo enfriado
  en un baño de hielo se mezcla con el canal
  alcalino de la muestra en un tubo en forma de T

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ANALIZADORES DE FLUJO CONTINUO NO SEGMENTADO

• SIN INYECCCIÓN
• EN FLUJO COMPLETAMENTE CONTINUO
• ( Ejemplo 1)
• Analizador continuo de bajo caudal para la
  determinación de la DQO en aguas residuales.
• En un sistema de cuatro canales, se introduce
  la muestra continuamente y se mezcla con un flujo
  de ácido, el catalizador y un oxidante.
• El flujo mezclado llega finalmente al reactor de
  oxidación que esta sumergido en un baño de agua
  hirviendo donde reacciona durante 30 minutos.
• La mezcla llega al detector electroquímico
  ,donde se registra la reducción electrolítica del
  permanganato.

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ANALIZADORES DE FLUJO CONTINUO NO SEGMENTADO

• SIN INYECCION
• ANALISIS EN FLUJO COMPLETA-MENTE CONTINUO
  (Ejemplo 2)
• Equipo totalmente automatizado para controlar
  mercurio en aguas residuales.
• Consta de dos bombas peristálticas.
• La 2 manipula el aire la muestra y agua
  refrigerada que alimenta un condensador.
• La 1 introduce tres reactivos.
• La muestra se mezcla primero con ácido sulfúrico
  y con el oxidante.
• Esta mezcla pasa a un reactor que se mantiene en
  un baño de agua a 80 º C.
• En este reactor se oxidan los componentes
  orgánicos de la matriz y el Hg se transforma en
  Hg(II).
• La disolución oxidada pasa a un segundo reactor
  después de haberse mezclado con una disolución de
  cloruro estannoso y una corriente de burbujas de
  aire.
• La mezcla pasa a través de un separador
  gas-liquido que dirige el vapor hacia un
  condensador en el que se enfría a 0 ºC.
• El vapor de Hg seco se lleva al detector (un
  fotómetro que mide su absorbancia a 253,7 nm).
• La A se relaciona con la concentración de Hg y
  se va registrando con el tiempo.

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ANALIZADORES DE PROCESOS INTRODUCCION

• Objetivo de la Química Analítica de Procesos
  
• Conseguir a través de la automatización y
  miniaturización una mayor integración de la
  Química Analítica con los procesos industriales
  con objeto de suministrar mayor información
  acerca de los procesos químicos la cual puede
  ser utilizada para monitorizar, optimizar y
  controlar dichos procesos.
• Analizadores de procesos
  
• Son aparatos automáticos diseñados para realizar
  medidas continuas o periódicas, de uno o mas,
  parámetros físicos o químicos en los procesos
  industriales en línea, permitiendo correcciones
  en las condiciones de operación del proceso,
  basándose en los resultados en las medidas
  realizadas

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ANALIZADORES DE PROCESOS INTRODUCCION

• Características ideales de un analizador de
  procesos
• Emplea métodos químicos sencillos.
• Lleva a cabo el muestreo y preparación de la
  muestra y el análisis en continuo.
• Produce resultados suficientemente precisos y
  exactos para controlar la línea de proceso.
• Produce resultados rápidos que permiten
  correcciones en de la línea de proceso
• Es fácil de manipular por personal no
  especializado.
• No necesita mantenimiento durante largos
  períodos.
• El mantenimiento se puede llevar a cabo sin
  interrumpir la línea de proceso.
• Es capaz de autocalibrarse.
• Es capaz de trabajar en ambientes peligrosos.
• Su uso debe ser económicamente ventajoso para la
  empresa.

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ANALIZADORES DE PROCESOS INTRODUCCION
COMPARACION COMPARACION
Instrumentos de laboratorio Analizadores de procesos
Flexibles en cuanto a las especies que pueden ser analizadas y las condiciones operacionales Concebidos para análisis muy específicos en condiciones experimentales establecidas
Complejos y delicados. Simples y robustos
Trabajan 8 horas/día y 5 días/semana. Trabajan 24 horas/día y 7 días/semana
Atendidos por personal especializado Atendidos por personal no especializado
Calibrados antes de una serie de análisis No necesitan calibración frecuente
Las muestras suelen ser procesadas manualmente Trabaja en línea con el sistema de toma y tratamiento de muestras
El analista y el instrumento trabajan en la misma habitación la cual a menudo se encuentra en unas condiciones óptimas El analista se encuentra en un lugar distante del analizador el cual está a menudo en condiciones extremas de humedad, temperatura y corrosión
La responsabilidad de las empresas fabricantes se limita a la garantía de buen funcionamiento del equipo La responsabilidad de las empresas fabricantes de analizadores de procesos es mucho mayor
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ANALIZADORES DE PROCESOS INTRODUCCION

• Ventajas de los analizadores de procesos (1)
• Rapidez
• Introducción de cambios rápidos en las
  condiciones operacionales de la línea de proceso.
  
• La calidad de los productos es más uniforme.
• No se producen cambios significativos en la
  composición de las muestras.
• Detección de cambios rápidos en la composición.
• El control de la línea de proceso automatizada.
• Muestreo
• Se eliminan los errores de muestreo y de
  etiquetado debidos a la intervención humana.
• No se requieren contenedores especiales.
• Se pueden muestrear sustancias peligrosas.

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ANALIZADORES DE PROCESOS INTRODUCCION

• Ventajas de los analizadores de procesos (2)
• Economía
• Se reducen costes de personal.
• Se reduce el coste de análisis (automatización).
• Se reduce el consumo de energía y los costes de
  producción.
• Se reducen costes en el reprocesado de
  materiales que no están de acuerdo con las
  especificaciones.
• Problemas o inconvenientes en su implantación
• Reticencias de la industria a introducir nuevas
  técnicas analíticas.
• Falta de comunicación entre los físicos y
  químicos que trabajan en desarrollo de nueva
  instrumentación analítica y los ingenieros que
  trabajan en la industria.
• Instrumentación necesaria para extraer muestras
  de la línea de producción y transferirlas al
  analizador es más costosa que el propio
  analizador.
• Los errores de funcionamiento pueden conducir a
  importantes pérdidas económicas

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CLASIFICACIÓN DE LOS ANALIZADORES DE PROCESOS.

• De acuerdo a la Localización en la línea de
  proceso
• Off Line Las muestras se extraen desde la
  línea de procesos para su análisis posterior
• In Line Tienen sus sensores insertados dentro
  de la línea de proceso. El analito se determina
  sin extraer la muestra
• On Line Llevan un sistema para la recogida ,
  acondicionamiento y transporte de la muestra al
  analizador
• De acuerdo a su Objetivo
• Analizadores de seguridad Diseñados para la
  medida de contaminantes en los efluentes
  industriales o en la atmósfera de trabajo. Su uso
  se justifica por razones legales.
• Controladores de la línea de producción
  Análisis de uno o más componentes en la línea de
  proceso con objeto de controlar la calidad de los
  productos finales o la eficacia de un proceso. Se
  justifican por razones económicas

Off-Line
On-line
In-line
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CLASIFICACIÓN DE LOS ANALIZADORES DE PROCESOS.

• De acuerdo a la Interpretación de los
  resultados.
• Analizadores de control de procesos indirecto
• Un ordenador recibe los resultados y toma
  decisiones sin la intervención humana.
• Analizadores de control de procesos directo
• Un técnico recibe los resultados y toma las
  decisiones.
• De acuerdo a los Parámetros a determinar
• Analizadores físicos
• Medida y control de una propiedad física del
  fluido (conductímetros, viscosímetros,
  refractómetros, medidores de presión y
  temperatura).
• Analizadores químicos
• Medida de la concentración de una (pH-metros,
  electrodos de iones) o varias simultáneamente
  (cromatógrafos de líquidos y de gases) o
  sucesivamente (fotómetros).

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COMPONENTES DE LOS ANALIZADORES DE PROCESOS

• Los analizadores de procesos tienen los
  siguientes componentes comunes
• Un sistema automático de muestreo.
• Un sistema de protección del analizador
• El propio analizador
• Un sistema de salida de resultados
• SISTEMA AUTOMATICO DE MUESTREO (1)
• CARACTERISTICAS
• Que opere de manera veraz y requiera un mínimo
  mantenimiento.
• Que pueda ser totalmente automatizado.
• Que el tiempo empleado en acondicionar y
  transportar la muestra sea mínimo.
• Que los materiales no contaminen la muestra ni
  dañen el sistema

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COMPONENTES DE LOS ANALIZADORES DE PROCESOS

• SISTEMA AUTOMATICO DE MUESTREO (2)
• COMPONENTES (1)
• Sistema de acondicionamiento de la muestra
  Adapta la muestra extraída a los requerimientos
  del analizador, lo que implica las siguientes
  etapas
• Filtración
• Eliminación de la corrosividad o agresividad
• Homogenización de la muestra
• Tamponamientos
• Eliminación de interferencias
• Control de la presión y la temperatura
• Control de la velocidad de flujo y tamaño de la
  muestra
• Eliminación parcial o completa de la muestra
• Dilución de la muestra

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COMPONENTES DE LOS ANALIZADORES DE PROCESOS

• SISTEMA AUTOMATICO DE MUESTREO (2)
• COMPONENTES (2)
• 2. Sistema de recogida, transporte y eliminación
  de muestra La selección de un diseño adecuado
  se basa en las siguientes premisas
• Elección apropiada del punto de muestreo
• La muestra extraída debe ser representativa del
  proceso que se controla
• La composición de la muestra no debe cambiar
  durante su transporte
• La muestra analizada y el sobrante no analizado
  debe ser devuelto bien a la línea de proceso de
  donde se extrajo o debe eliminarse como residuo
• El muestreo debe implicar varias corriente no
  sujetas a contaminación cruzada, mediante el uso
  de válvulas

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COMPONENTES DE LOS ANALIZADORES DE PROCESOS

• PROTECCION DEL ANALIZADOR
• Los sistemas analizadores deben protegerse de
  las condiciones climatológicas, del medio
  ambiente y del flujo de los procesos que
  controlan.
• Para ello se utilizan cámaras de distintos
  materiales y características donde se introducen
  los Analizadores, junto con detectores de fugas
• ANALIZADORES DE PROCESOS
• Los analizadores de procesos usan diferentes
  técnicas de detección como Fotometría,
  Potenciometria, Espectrometría IR, Cromatografía,
  etc.
• Permiten analizar todo tipo de muestras
  basándose en sus propiedades
• Propiedades físicas conductividad, densidad,
  presión de vapor, índice de refracción, ect. Los
  cambios de estas propiedades durante el proceso
  se deben a especies que pueden controlarse
  indirectamente.
• Propiedades químicas La líneas de proceso
  pueden llevan una gran variedad de especies
  químicas, que pueden ser controladas con el
  analizador adecuado.

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ANALIZADORES DE PROCESOS

• FOTOMETRICOS
• Se basan según el principio de la fotometría, en
  la relación entre la concentración de la especie
  analizada y la radiación absorbida por esta a una
  determinada longitud de onda (Ley de Lambert
  Beer)
• Las regiones del espectro electromagnético
  utilizadas en este tipo de analizadores son la IR
  y la UV.
• ELECTROQUIMICOS
• Se basan en los métodos electroquímicos.
• Pueden ser
• Potenciometricos de pH y selectivos de iones
• Culombimetricos miden el tiempo que tarda en
  completarse la reacción en la celda
  culombimetrica cuando circula una corriente
  eléctrica . Pueden ser a potencial o corriente
  controlados
• Amperometricos miden la corriente eléctrica de
  un analito que reacciona en el electrodo
• De conductividad Miden la variación de la
  conductividad entre distintos puntos de la línea
  de procesos
• CROMATOGRAFICOS
• Las técnicas cromatográficas son muy útiles
  para seguir una conversión química en un proceso
  o seguir en el proceso las concentraciones de
  diversos componentes.
• La Cromatografía de gases es la mas utilizada a
  nivel industrial.
• Se utilizan en el control de los productos
  obtenidos en el fraccionamiento del petróleo
  (refinería), en la destilación del crudo , en el
  crakeo catalítico , etc..

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ANALIZADORES EN LA PLANTA DE DESULFURIZACION Y
RECUPERACIÓN DE AZUFRE DE UNA REFINERÍA La
figura se muestra un esquema relacionado con
algunas propiedades que se miden y controlan en
una línea de procesos
A la atmósfera
H2S, An
H2S en efluente
10 ppm de H2S
H2S, An
H2S en gas
Sistema de tratamiento del gas
H2S al 10
Regenerador de aminas
Planta de Claus
Tanque de azufre
H2S, An
H2S en SO2
H2S, An
H2S en gas
Hidrocarburo en H2S
HC, An
Controlador de flujo
Producto desulfurizado
Unidad de desulfuración catalitica
Alimentación
Absorbente
H2S, An
HC, An
Analizador de H2S
Analizador de Hidrocarburos
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ANALIZADORES DE PROCESO EN UNA PLANTA DE
PRODUCCIÓN DE CERVEZA
Agua
O3
Ozonización
O3, An
O2, An
levadura
Malta
Tanque de fermentación
Separación de la levadura
Producción del caldo
Almacenamiento
Mezcla
d, An
Lúpulo
O2, An
Aditivos
Filtrado
L, An
T, An
Tanque de CO2
CO2
CO2
CO2, An
Planta de embotellado
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ANALIZADORES DE PROCESOS EN UNA PLANTA DE
PRODUCCION DE AMONIACO
?
K
L
P
M
A.- Reformador primario B.-Reformador secundario
C.- Conversor D.- Absorbente E.- Limpiador
F.- Trampa de aceite G.- Separador secundario
H.- Conversor de amoníaco I.- Separador
primario J.- Flasher K.- Alimentación de
hidrocarburo L.- Agua M.- Aire N.-
Alimentación al sistema de la recuperación O.-
Amoníaco P.- Gas combustible ? Toma
de muestras
A
D
E
C
B
?
?
?
?
?
?
?
N
G
F
?
J
I
H
?
O
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ANALIZADORES DE PROCESOS

• Analizador para medir la presión
• de vapor en línea
• Rango de medición de 0- 35 psi (0-2500 mbar)
• Tiempo de respuesta de 5 minutos
• Precisión de 0.05 psi (3.5 mbar)
• Reproducibilidad de 99

• Analizador en línea para cuantificar hidrocarburo
• en agua en líneas de proceso
• Intervalo de medición de 0-100 ppm
• Tiempo de respuesta de 15 seg.
• Precisión de 0.5 ppm
• No requiere acondiciona-miento de la muestra
• No necesita químicos para la cuantificación

• Analizador en línea de punto de fluidez
• de un hidrocarburo
• Intervalo de operación de -76C a 77C
• Tiempo de respuesta de 10 a 45 minutos
• No requiere sistema de recuperación atmosférica
• Precisión de 0.5C

• Analizador para medición continua de la salinidad
  en crudo
• Intervalo de medición de 0-400 PTB
• Tiempo de respuesta de 6 minutos
• Presición de 2
• Sistema de enjuagado integrado
• sistema de validación de la muestra