BRPI0608799B1 - processo para fazer misturas gasosas padrão primário, e, aparelho para produzir misturas gasosas padrão primário - Google Patents

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Abstract

sistema para fazer misturas gasosas primárias padrões, e, aparelho para produzir misturas gasosas primarias padrões são fornecidos sistema e aparelho inovadores (200) para produzir misturas gasosas primárias padrões. o sistema inclui fornecer um dispositivo de permeação de gás (210) que tem uma taxa de difusão constante para um recipiente de temperatura controlada (220); conectar uma fonte de suprimento (230) de um componente para o dispositivo de permeação (210), rotear o componente a partir do dispositivo de permeação de gás (210) até um recipiente de produto (290) até que uma quantidade desejada de dito componente seja alcançada no recipiente de produto (290); e fornecer um complemento de gás purificado para o recipiente de produto (290) para obter uma concentração conhecida de componente na mistura primária de gás padrão.

Description

“PROCESSO PARA FAZER MISTURAS GASOSAS PADRÃO PRIMÁRIO, E, APARELHO PARA PRODUZIR MISTURAS GASOSAS PADRÃO PRIMÁRIO”
FUNDAMENTO DA INVENÇÃO
Campo da Invenção
A presente invenção é relativa a um sistema e aparelho para a preparação de misturas padrão primário de baixa concentração. As misturas padrão da presente invenção são utilizadas para calibrar detectores analíticos, tais como espectrômetros de massa, e para análise de emissões a partir de câmaras de combustão e ferramentas de processo.
Descrição de Técnica Relacionada
A demanda para misturas gasosas padrão primário de baixa concentração na faixa de 100 a 1000 partes por bilhão (ppb) está aumentando em inúmeras indústrias. É de interesse particular para testes de emissões ambientais uma mistura de óxido nítrico em nitrogênio, uma vez que regulamentos ambientais se tornam crescentemente estritos.
A necessidade para fornecer gás com níveis de pureza UHP conduziu a indústria a desenvolver técnicas analíticas para medir impurezas do gás. Avanços em instrumentação de análise de gás na mesma faixa de impurezas que poderiam ser encontradas em instrumentação de análise de gás típica conduziu a demanda crescente por misturas padrão primário de baixa concentração empregadas como gases de calibração. Atualmente, misturas primárias de baixa concentração são preparadas por dois métodos, como descrito por G. O. Nelson, Gás Mixtures Preparation and Control (Preparação e controle de misturas gasosas), Lewis Publishers, Ann Arbor, Michigan (1992). Uma é uma mistura estática, onde um volume da mistura desejada é gerado e então contido em um cilindro ou em pressão baixa ou alta. A mistura é em seguida utilizada para a aplicação particular. Uma outra é a mistura dinâmica, onde os componentes de interesse são introduzidos em uma
10/25 corrente de gás diluente purificado essencialmente em pressão atmosférica, e a concentração desejada é gerada. A mistura é daí em diante consumida como um gás de calibração para um instrumento analítico.
Durante os anos, inúmeros métodos foram previstos para controlar a adição dinâmica dos componentes de interesse ao gás diluente. Com relação a isto, Leggett e outros, na Patente U.S. 5.214.952, divulga um dispositivo de calibração que utiliza uma série de controladores de escoamento de massa altamente precisos, para fornecer distribuição rápida de misturas gasosas de calibração ultra elevada e gás de amostra para um analisador de gás em temperaturas elevadas.
Ridgeway e outros, na Patente U.S. 5.661.225 divulga um sistema para a diluição dinâmica de um analito de concentração elevada que contém gás para calibração de detectores analíticos. Os sistemas de calibração descritos em Leggett e outros e Ridgeway e outros, incluem tubos de permeação e controladores de escoamento de massa para adição dinâmica dos componentes de interesse ao gás diluente.
Algumas das desvantagens associadas com a técnica relacionada à mistura estática incluem o número de diluições em seqüência necessárias para cada componente adicionado chegar à mistura gasosa padrão. Por exemplo, a incerteza na concentração final aumenta com o número de diluições. Como tal, na técnica relacionada é necessário ter um mínimo de três diluições para gerar um padrão primário em concentrações abaixo de uma parte por milhão. Diversas diluições também podem contribuir de maneira negativa para a contaminação do processo, uma vez que exposição à atmosfera ambiente é aumentada. Em adição, o método de diversas diluições requer gasto de capital considerável, uma vez que um operador com talento é requerido para monitorar e intervir no processo.
Para superar as desvantagens da técnica relacionada é um objetivo desta invenção fornecer um sistema e aparelho para produzirem
11/25 misturas estáticas de baixa concentração, isto é, 10 ppb e até 1000 ppb de misturas padrão primário.
É um outro objetivo desta invenção utilizar um dispositivo de permeação como um dispositivo dosador preciso, para distribuir componentes menores diretamente em um cilindro por um período de tempo predeterminado, permitido com isto pesar de forma rastreável de volta para um padrão do National Institute of Standards Technology (NIST).
Outros objetivos e aspectos da presente invenção se tornarão evidentes para alguém versado na técnica em uma revisão da especificação e reivindicações anexadas a ela.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Os objetivos precedentes são alcançados pelos sistema e aparelho para a presente invenção, para produzir misturas padrão primário.
De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é fornecido um sistema para produzir misturas gasosas padrão primário.
O sistema inclui fornecer um dispositivo de permeação de gás que tem taxa de difusão constante para um recinto de temperatura controlada, conectar uma fonte de suprimento de um componente a um dispositivo de permeação; rotear o componente a partir do dispositivo de permeação de gás até um recipiente de produto até que uma quantidade desejada de dito componente no recipiente de produto seja alcançada; e suprir um complemento de gás purificado para o recipiente de produto, para obter uma concentração conhecida de componente na mistura gasosa padrão.
De acordo com um segundo aspecto da invenção, é fornecido sistema para produzir mistura gasosa padrão. O sistema inclui fornecer uma fonte de pureza ultra elevada para um componente gasoso; comunicar o componente gasoso através de um conduto até um dispositivo de permeação colocado em um recinto de temperatura controlada, difundir o componente gasoso através do dispositivo de permeação e remover dele o componente
12/25 difundido; distribuir por um período predeterminado de tempo o componente difundido até um cilindro de produto através de um conduto; e, ao alcançar o ponto ajustado, um complemento de gás purificado é distribuído a partir de uma fonte de alta pressão para o recipiente de produto, para obter uma concentração conhecida de componente na mistura gasosa padrão.
De acordo com um outro aspecto da invenção, um aparelho para produzir misturas gasosas padrão primário é fornecido. O aparelho inclui um dispositivo de permeação de gás que tem taxa de difusão constante, colocado em um recinto de temperatura controlada; uma fonte de suprimento em comunicação com dispositivo de permeação de gás, para fornecer um componente; um recipiente de produto para receber o componente líquido ou gasoso a partir do dispositivo de permeação de gás, e uma fonte de suprimento de gás purificado em comunicação com o recipiente de produto, para suprir o complemento do gás e obter uma concentração conhecida do componente no gás padrão.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
A invenção será melhor entendida por meio de referência às Figuras a seguir, nas quais:
A Figura 1 que ilustra uma vista em perspectiva de um dispositivo de permeação; e
A Figura 2 ilustra vista esquemática de um sistema para calibrar misturas gasosas padrão.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Os objetivos da invenção são alcançados utilizando um sistema e um aparelho que fornece uma preparação em uma única etapa de uma mistura gasosa padrão primário estática com operação mínima de um operador. O sistema emprega um dispositivo de permeação de gás que tem uma taxa de difusão que pode ser controlada para permanecer dentro de uma faixa ao redor de um ponto de ajuste constante.
13/25
O sistema é projetado para produzir tal padrão de calibração na forma de uma mistura gasosa de calibração de baixa concentração do gás portador desejado ou diluente, genericamente em forma de pureza ultra elevada e uma quantidade calculada da impureza ou analito apropriado, genericamente fornecido como um componente líquido ou gasoso, para finalidades de calibrar instrumentos analíticos. Como aqui utilizados, os termos “gás portador”, “diluente”, “gás purificado” e “gás portador purificado” são utilizados de maneira intercambiável para se referir ao gás de complemento empregado em gerar a mistura gasosa padrão primário. Da mesma maneira, os termos “analito” e “impureza” são empregados de maneira intercambiável para se referir ao componente líquido ou gasoso adicionado para gerar a mistura gasosa padrão calibrada. Equipamento de calibração é utilizado para certificar a pureza de produtos químicos utilizados para corresponder aos requisitos da indústria eletrônica, ou para monitorar as emissões a partir de um equipamento de processamento de semicondutores, automóveis, indústrias de produtos químicos e de processo. A baixa concentração do componente líquido ou gasoso no gás portador está tipicamente na faixa de cerca de 10 ppb até 1000 ppb e preferivelmente cerca de 10 ppb até 400 ppb.
Para fornecer o nível de precisão e de consistência necessários na preparação de tais misturas gasosas padrão primário, o aparelho é projetado para fornecer mistura estática de um ou mais componentes líquidos ou gasosos com o gás portador em uma única etapa.
Na configuração ilustrada na Figura 1, um dispositivo de permeação 210 é fornecido, o qual distribui uma quantidade conhecida de componente que é fornecida aí. O dispositivo de permeação contém um meio de permeação 212, por exemplo, um tubo de politetrafluoroetileno polimérico que tem uma taxa de permeação conhecida na temperatura operacional do dispositivo. Componente líquido ou gasoso tomado como exemplo
14/25 introduzido e difundido através do dispositivo de permeação, inclui monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxido nítrico, óxido dinitrogênio, metano e etc. Os dispositivos de permeação são tipicamente disponível como o Trace Source™ do Kin-Tek Laboratories, Inc. O componente gasoso contata uma membrana e o gás permeia lentamente através de uma membrana em dadas condições.
Gases portadores de pureza elevada típicos, que podem ser utilizados no aparelho da presente invenção, incluem nitrogênio, hélio, argônio, oxigênio, dióxido de carbono, etc. Por outro lado, o componente líquido ou gasoso de baixa concentração, isto é, o analito, pode ser escolhido entre monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxido nitroso, metano, fluoreto de hidrogênio, cloreto de hidrogênio, e cloro, hexafluoroetano, e hexafluoreto de enxofre, etc.
Dependendo do componente líquido ou gasoso particular utilizado, o dispositivo de permeação é aquecido até uma temperatura predeterminada para obter uma taxa de difusão constante. Assim, o tempo de distribuição a partir do dispositivo de permeação é conhecido, e a massa exata do componente difundido a partir do dispositivo de permeação pode ser calculada. Se o analito está na fase liquida, a temperatura predeterminada é utilizada para estabelecer a pressão de vapor do componente/analito e daí a diferença de pressão através do meio de permeação, para obter uma taxa de difusão constante.
Por outro lado, se o analito está na fase vapor, um cilindro de suprimento (não mostrado) é fornecido a montante do dispositivo de permeação, e a pressão do componente distribuído para o dispositivo de permeação é mantida em um nível predeterminado para estabelecer uma diferença de pressão constante através da permeação no meio, de modo a obter uma taxa de difusão constante. A concentração de analito na extremidade do meio de permeação 212 é mantida em um nível baixo e
15/25 constante, preferivelmente próximo a zero, varrendo o componente/analito permeado com o gás portador para o recipiente de produto.
Mais especificamente, e com referência à Figura 2, o sistema para produzir uma mistura gasosa padrão primário de acordo com uma outra configuração da invenção está ilustrada. A mistura gasosa padrão primário de baixa concentração é gerada misturando quantidades conhecidas de gás portador e o analito. O sistema 200 inclui no mínimo um dispositivo de permeação 210, que distribui uma quantidade conhecida do analito. Naturalmente o dispositivo de permeação deve ser calibrado pelo fabricante/vendedor para produzir uma taxa de difusão conhecida constante. Para esta finalidade, o fabricante/vendedor irá encher o dispositivo com o componente, pesá-lo, aquecê-lo até uma temperatura constante, e mantê-lo por um tempo conhecido e então removê-lo e pesar. A diferença de peso dividida pelo tempo conhecido fornece a taxa de difusão naquela temperatura.
A Figura 2 está mais explicada com relação a produzir uma mistura onde o analito é óxido nitroso. Contudo, será entendido por aqueles versados na técnica que este sistema pode ser utilizado por qualquer dos analitos gases portadores mencionados anteriormente. Uma fonte 230 de óxido nítrico de pureza ultra elevada é colocada a montante do dispositivo de permeação 210 e em comunicação direta com ele. Um regulador 232 na linha de suprimento mantém a pressão de suprimento em cerca de 50 psig (0,35 MPa man.) e fixa a pressão do óxido nítrico suprido para o dispositivo de permeação 210. O dispositivo de permeação é envolvido no recinto 220 onde o dispositivo de permeação é mantido dentro de um recinto monitorado de maneira próxima, a uma temperatura de cerca de 100°C. Separadamente e através de um pequeno orifício, gás nitrogênio em velocidade de vazão suficiente para varrer o componente é fornecido de maneira contínua ao dispositivo de permeação 210 através de um captador 240 colocado em uma linha. O captador remove impurezas nos gases portadores os quais, de
16/25 outra forma, poderiam reagir com o analito. O gás nitrogênio adicionado tem um efeito desprezível sobre a taxa de difusão do dispositivo de permeação 210, uma vez que existe somente um ligeiro aumento na contrapressão que resulta no cilindro de produto 290. Além disto, esta porção de gás nitrogênio fornecido ao dispositivo de permeação 210 contribui para o equilíbrio de gás nitrogênio de pureza ultra elevada finalmente distribuído para o cilindro de produto.
Quando o analito difunde através do dispositivo de permeação 210, é transportado para o cilindro de produto 290 abrindo a válvula 230 e fechando as válvulas 250 e 260. Opcionalmente, quando o dispositivo de permeação não está em utilização, a válvula 230 é fechada e a válvula 250 é aberta para descarregar o analito. Este procedimento mantém a estabilidade do dispositivo de permeação, e permite que misturas sejam fornecidas sob demanda, isto é, a taxa de difusão apropriada ao mesmo tempo que mantém a perda do analito em uma quantidade desprezível, isto é, no caso de óxido nítrico 0,5 g por dia, ou menos. Estas válvulas podem ser selecionadas dentre quaisquer válvulas de alta pressão que não poderiam contaminar o gás que passa através delas.
A massa de analito distribuída para o cilindro de produto é conhecida de forma gravimétrica, a partir da taxa de emissão conhecida do dispositivo de permeação e do tempo de distribuição (o tempo que a válvula 230 está aberta). Ao alcançar o peso desejado no cilindro de produto 290, a válvula 230 é fechada. A válvula 260 é aberta e o complemento de gás portador de pureza ultra elevada é suprido para o cilindro de produto 290 a partir da fonte de suprimento de gás portador 270. A massa de gás portador adicionada é determinada de maneira precisa na balança 280. Com base na taxa de difusão do dispositivo de permeação, o tempo necessário para distribuir o peso solicitado de analito para o cilindro de produto a massa do complemento adicionado de gás portador, a concentração da mistura final
17/25 pode ser calculada. Com relação a isto, a concentração final é determinada
como a seguir: t * D 1 λ-9 c = *10 , onde w
c = concentração em peso, ppbp, t = tempo durante o qual a válvula 230 está aberta, minutos d = taxa de difusão do componente, gramas por minuto w = peso de gás portador, g
O nível de concentração pode ser feito sob medida por um fator tão elevado quanto cem, alterando o tempo que o dispositivo de permeação 210 é deixado descarregar o analito para o cilindro de produto 290. No caso de uma faixa de concentração mais larga ser desejada, a temperatura operacional do dispositivo de permeação 210 pode ser mudada. Isto iria requerer um dispositivo de permeação calibrado em duas temperaturas diferentes. Alternativamente, o dispositivo de permeação pode ser modificado de modo ou aumentar ou diminuir a sua área superficial, o que poderia, por sua vez, mudar as características de permeação do dispositivo, isto é, a taxa de difusão. Se o dispositivo está em utilização em uma temperatura, então ele será aquecido/resfriado para produzir uma taxa de difusão diferente porém conhecida na segunda temperatura. Durante este período de transição, a válvula 230 irá permanecer fechada e a válvula 250 será aberta.
Acima de tudo, o sistema 200 pode ser controlado através do emprego de um controlador lógico programável PLC, ou um computador. O controle da válvula, a leitura da balança do cilindro podem ser introduzidos para o PLC, e a adição de analito para interior do cilindro de produto sincronizada de maneira precisa. Daí em diante o PLC poderia realizar os cálculos de concentração. Em adição, o sistema 200 pode ser modificado para incluir uma linha de purga, onde umidade e oxigênio são monitorados. Neste
18/25 caso, por exemplo, o PLC poderia purgar o sistema 200 e contornar a introdução de analitos para o cilindro de produto até que os níveis de contaminantes alcancem níveis aceitáveis, isto é, menos do que 10 ppb. Uma fonte de alta pressão de gás portador nitrogênio tal como o tanque 270 colocado a jusante do dispositivo de permeação fornece o complemento de gás para o cilindro de produto 290.
O sistema descrito acima pode ser modificado em inúmeras maneiras. Em uma outra configuração, por exemplo, as misturas gasosas padrão calibradas podem compreender diversos componentes ou analitos. Para implementar este sistema, uma quantidade de dispositivos de permeação 210 podem ser fornecidos em paralelo. Cada dispositivo difunde um analito particular que é roteado para o cilindro de produto. O operador irá monitorar o sistema e assegurar que os diversos analitos não têm retro-escoamento para fora do cilindro de produto 290 ao qual eles são distribuídos, seja seqüencialmente ou simultaneamente.
De acordo com uma outra configuração, o sistema 200 pode ser configurado para distribuir os analitos para um número de cilindros de produto 290 em uma maneira seqüencial. Portanto, um número de cilindros de produto que contém a mesma mistura gasosa padrão calibrada pode ser gerada em uma maneira de produção em linha de montagem. Para assegurar a precisão da mistura gasosa calibrada, esta pode ser alcançada colocando cada cilindro de produto em uma balança individual para determinar o complemento de gás portador necessário. Será reconhecido que a balança que pode ser empregada inclui balança de onda acústica e balanças de célula de carga, que podem ser utilizadas em conjunto com o PLC para controlar diversos aspectos do processo.
O sistema descrito na Figura 2 da invenção será ainda descrito em detalhe com referência ao exemplo a seguir que é, contudo, construído não como limitativo da invenção.
19/25
EXEMPLO
A mistura gasosa padrão primário desejada foi ajustada para 100 ppb em peso de óxido nítrico (NO) em uma mistura de nitrogênio (N2). O componente/analito óxido nítrico foi suprido para um dispositivo de permeação 210 que tem uma taxa de difusão de 367 microgramas por minuto a 100 °C. O tempo necessário para fornecer 100 ppb de analito NO no cilindro de produto 290 foi calculado como a seguir:
O cilindro de produto mantém 300 cuft (8,5 m3) em CNTP. A densidade de nitrogênio é conhecida ser 32,86 g/cuft (1095,3 g/m3) em CNTP.
Portanto 300 cuft (8,5 m3) de N2 = 9858 g em CNTP ppb em peso = g NO/9858 G N2 * 1E9 g NO = 100 ppbp * 9858 g N2 / 1E9 g NO = 0,0009858 ou 0,9868 mg ou 985,8 microgramas
O dispositivo de permeação era um modelo 57 HÁ que tem a taxa de difusão descrita acima.
Assim, 985,8 microgramas/367 microgramas/ minuto é igual a 2, 687 minutos ou 161,22 segundos para fornecer 100 ppb de analito para o cilindro de produto.
Ao calcular o tempo necessário para fornecer os 100 ppb de analito para o cilindro de produto 290, a concentração da mistura gasosa calibrada foi determinada. Como resultado, a concentração da mistura final foi calculada como a seguir:
t * D 1 λ-9
----*10 , onde w
c = concentração em peso, ppbp, t = tempo durante o qual a válvula 230 está aberta, minutos d = taxa de difusão do componente, gramas por minuto w = peso de gás portador, g
Daí em diante o complemento de gás portador N2 foi
20/25 fornecido, e a mistura gasosa padrão de calibração foi formada através de uma mistura estática e sem diluentes.
Claramente uma mistura gasosa padrão primário é fornecida através de uma mistura primária e sem diversas diluições.
Embora a invenção tenha sido descrita em detalhe com referência às modificações específicas dela, será evidente a alguém versado na técnica que diversas mudanças e modificações podem ser feitas e equivalentes empregados, sem se afastar do escopo das reivindicações anexas.

Claims (10)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Processo para fazer misturas gasosas padrão primário, caracterizado pelo fato de compreender:
    fornecer um dispositivo de permeação de gás (210) que tem uma taxa de difusão aproximadamente constante em um recinto de temperatura controlada (220);
    conectar uma fonte de suprimento (230) de um componente ao dispositivo de permeação;
    rotear o componente a partir do dispositivo de permeação de gás até um recipiente de produto (290) até que uma quantidade desejada de dito componente no recipiente de produto seja alcançada; e suprir um complemento de gás purificado para o recipiente de produto, para obter uma concentração conhecida de componente na mistura gasosa padrão.
  2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da temperatura na temperatura no recinto controlado (220) ser mantida constante.
  3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do componente ser óxido nítrico e o complemento de gás purificado ser nitrogênio.
  4. 4. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do componente selecionado dentre o grupo que consiste de monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxido nitroso, metano, fluoreto de hidrogênio, cloreto de hidrogênio e cloro, hexafluoroetano e hexafluoreto de enxofre e misturas deles.
  5. 5. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do complemento de gás purificado ser selecionado dentre o grupo que consiste de hélio, nitrogênio, ar, oxigênio, dióxido de carbono, e argônio.
  6. 6. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado
    Petição 870170015869, de 10/03/2017, pág. 9/11 pelo fato da concentração conhecida de componentes na mistura padrão primário que contém gás purificado estar na faixa de cerca de 10 partes por bilhão até cerca de 1000 partes por bilhão.
  7. 7. Processo para fazer misturas gasosas padrão primário, caracterizado pelo fato de compreender:
    fornecer uma fonte de pureza ultra elevada (230) para componente gasoso;
    comunicar o componente gasoso através de um conduto até um dispositivo de permeação (210) colocado em um recinto de temperatura controlada (220);
    difundir o componente gasoso através do dispositivo de permeação e remover um componente difundido a partir dele;
    distribuir o componente difundido até um cilindro de produto (290) através de um conduto por um período de tempo predeterminado; e ao alcançar o período de tempo predeterminado, um complemento de gás purificado ser distribuído a partir de uma fonte de alta pressão (270) para o recipiente de produto (290), para obter uma concentração conhecida de componente na mistura gasosa padrão.
  8. 8. Aparelho para produzir misturas gasosas padrão primário obtidas por um processo definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender:
    um dispositivo de permeação de gás (210) que tem taxa de difusão constante colocado em um recinto de temperatura controlada (220);
    uma fonte de suprimento (230) em comunicação com o dispositivo de permeação de gás, para fornecer um componente gasoso;
    um recipiente de produto (290) para receber o componente gasoso do dispositivo de permeação de gás; e uma fonte de suprimento (270) de gás purificado em comunicação com o recipiente de produto, para suprir o complemento do gás
    Petição 870170015869, de 10/03/2017, pág. 10/11 e obter um componente de concentração conhecida na mistura gasosa padrão primário.
  9. 9. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de ainda compreender:
    um controlador lógico programável, ou computador, para monitorar e controlar o suprimento de componente, bem como o complemento de gás purificado.
  10. 10. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato do controlador lógico programável, ou computador, ser empregado para efetuar a comutação do componente difundido para o gás purificado.
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