ES2264270T3 - Metodo para medir compuestos organicos volatiles. - Google Patents

Abstract

Un método para medir compuestos orgánicos volátiles de un material producido en un sistema que tiene emisiones, cuyo método comprende las etapas de: (a) colocar una cantidad de dicho material en una bolsa cerrada que tiene una abertura que puede cerrarse herméticamente, de tal modo que existe un espacio de cabeza por encima de dicho material en dicha bolsa cerrada; (b) almacenar dicha bolsa cerrada que contiene dicho material sólido a la temperatura media de salida de dichas emisiones de dicho sistema, de tal modo que se alcanza el equilibrio entre dicho material y dicho espacio de cabeza; y (c) introducir muestras procedentes de dicho espacio de cabeza en un detector de ionización de llama que mide por ello dichos compuestos orgánicos volátiles de dicho material.

Description

Método para medir compuestos orgánicos volátiles.

Campo de la invención

La presente invención se refiere, en general, a la medida de compuestos orgánicos volátiles. Más particularmente, la invención se refiere a un método, conveniente, rápido y barato, mediante el cual pueden ser medidos los compuestos orgánicos volátiles (VOC) de un material, producidos en un sistema de un proceso.

Fundamento de la invención

Un problema que existe desde hace mucho tiempo en la industria manufacturera relacionada con procesos químicos, ha sido el modo en que el grado de emisiones de VOC es regulado y monitorizado. Las consecuencias asociadas con la regulación y la monitorización de los VOC están bien arraigadas en los programas de las políticas gubernamentales en todo el mundo, la totalidad de las cuales tienen como objetivo el reducir la emisión a la atmósfera de tales VOCs. Adicionalmente, las propias industrias manufactureras han sido implicadas, notablemente, con las condiciones de seguridad y medioambientales asociadas con las emisiones de VOC. Como resultado de ello, desde el inicio de la revolución industrial, la industria manufacturera relacionada con los procesos químicos de fabricación se ha esforzado en conseguir emisiones de VOC cero a mínimas. A tal fin, se han desarrollado técnicas para la medida de VOC relativamente costosas que consumen micho tiempo, y se han empleado constantemente para monitorizar las emisiones de VOC de, virtualmente, cada operación unitaria en todas las instalaciones de fabricación de todo el mundo. A tal efecto, han brotado numerosas compañías especializadas en técnicas de ensayo de VOCs, que tienen como objetivo asegurar el cumplimiento de las regulaciones estrictas y específicas de las compañías, así como de las regulaciones gubernamentales. Tal especialización y conocimientos técnicos hacen estos servicios sumamente caros y, por consiguiente, se añaden de modo importante a los costes globales de cualquier producto que esté siendo fabricado. Por tanto, permanece la necesidad en la técnica de un método barato, que consuma poco tiempo, mediante el cual los VOCs puedan ser medidos convenientemente para un material dado que esté siendo producido en un sistema de un proceso.

El documento US 5.140.845 describe un método para determinar VOCs en muestras de suelos contaminados por hidrocarburos, por ejemplo, en las proximidades de estaciones de servicio. El método comprende abrir una bolsa plegable, que puede volver a cerrarse, e insertar una muestra de tierra, cerrar la bolsa dejando un espacio de cabeza, agitar la bolsa para liberar los compuestos volátiles y luego conectar el espacio de cabeza con un detector de ionización de llama.

Sumario de la invención

La invención satisface las necesidades de la técnica proporcionando un método para mediar los VOCs de un material producido en un sistema de un proceso u operación unitaria. El método lleva consigo una bolsa cerrada en la que se coloca una muestra de material, después de lo cual la bolsa se mantiene a una temperatura previamente determinada para que el contenido alcance el equilibrio. La temperatura de almacenamiento es la temperatura media de salida del efluente del sistema de proceso para el que se requiere la medida de los VOCs. Muestras procedentes del espacio de cabeza de la bolsa son introducidas en un Detector de Ionización de Llama o un aparato equivalente para obtener el nivel de VOCs.

Según un aspecto de la invención, se proporciona un método para medir los compuestos orgánicos volátiles de un material producido en un sistema que tiene emisiones o un efluente. El método comprende las etapas de: (a) colocar una cantidad del material en una bolsa cerrada que posee una abertura que puede cerrarse herméticamente, de modo que existe un espacio de cabeza por encima del material en la bolsa cerrada, (b) mantener la bolsa cerrada que contiene el material sólido a la temperatura media de salida de las emisiones del sistema, de modo que se alcance el equilibrio entre el material y el espacio de cabeza; y (c) introducir muestras procedentes del espacio de cabeza en un detector de ionización de llama midiendo con ello los compuestos orgánicos volátiles del material.

Todos los tantos por ciento y todas las proporciones que figuran en esta memoria son en peso, a menos que se que indique específicamente de otro modo.

Por consiguiente, es una ventaja de la invención proporcionar un método barato, que consume poco tiempo, mediante el cual pueden medirse convenientemente los VOCs de un material dado producido en el sistema de un proceso. Ésta y otras características y ventajas inherentes de la presente invención, serán evidentes para los expertos en la técnica, de la lectura de la descripción detallada de la realización preferida, los dibujos y las reivindicaciones que se añaden, que figuran seguidamente.

Descripción breve de los dibujos

La Fig. 1 es una vista lateral de una bolsa cerrada, utilizada en el método de medida de VOCs descrito en esta memoria; y

la Fig. 2 es una representación gráfica de los datos generados en el Ejemplo II para determinar la cantidad mínima de muestra que se requiere para obtener una medida exacta de los VOCs.

Descripción detallada de la realización preferida

El método según la invención requiere, esencialmente, el uso de una bolsa cerrada y medios para analizar químicamente muestras procedentes del espacio de cabeza del interior de la bolsa. La bolsa cerrada tiene, preferiblemente, una abertura que puede cerrarse herméticamente, de modo que puede colocarse una muestra de material en el interior de la bolsa, después de lo cual se cierra herméticamente para su almacenamiento. Después del almacenamiento, la bolsa se abre de modo que pueden tomarse muestras procedentes del espacio de cabeza (típicamente vapor). para su análisis químico. Tal como se usa en esta memoria, el "material" para el que son requeridos los VOCs puede ser un líquido, una pasta o un sólido. El método descrito en esta memoria posee varias ventajas, ya que solamente requiere una muestra pequeña para determinar el contenido de VOCs del sistema de un proceso grande sin el uso de un equipo analítico costoso, en línea, (es decir, desplazar el equipo al punto de descarga de los VOCs) y el método proporciona una indicación de la emisión de VOC conveniente e inmediata. La última de las ventajas es sumamente útil para los investigadores que experimentan con nuevas materias primas y que necesitan conocer las emisiones potenciales de VOC aguas abajo de tales materias primas cuando, en último lugar, se pasa a volúmenes de producción a escala
comercial.

En situaciones típicas en que se requiere la medida de VOC está situado un sistema de un proceso a escala de laboratorio o a escala comercial, y para una operación unitaria dada dentro de tal sistema de un proceso, se genera un efluente que comprende típicamente aire u otro gas que contiene VOCs. Es el contenido de VOCs de este efluente que resulta de la producción del material de la operación unitaria o del sistema del proceso el que es medido mediante el método descrito en esta memoria. A título de ejemplo, en la fabricación comercial de detergentes para lavandería, ha sido convencional utilizar secadores de lecho fluidizado para obtener productos detergentes granulares. En tal sistema de proceso, los gránulos producidos varían en composición. Por consiguiente puede variar la cantidad de VOCs producida en tales operaciones de fabricación de detergentes que implican el uso de secadores de lecho fluidizado.

Este método puede emplearse convenientemente para medir los VOCs de una operación de secado en lecho fluidizado para la obtención de un producto detergente granular que tiene una composición particular. Si se cambia la composición, como ocurre con bastante frecuencia con la fabricación de detergentes comerciales, el método puede ser empleado fácil y rápidamente para determinar la nueva cantidad de VOCs. En una operación tal, se toma una muestra (5 a 100 gramos) de los gránulos procedente del secador de lecho fluidizado y se colocan en una bolsa cerrada (por ejemplo, de un volumen de 7400 cc). La bolsa cerrada posee, preferiblemente, un revestimiento interior formado por una lámina de aluminio y un revestimiento exterior de un material polímero (por ejemplo, polietileno) de modo que la bolsa puede comprimirse mientras se están sacando muestras procedentes del espacio de cabeza. La lámina metálica que forma el revestimiento puede hacerse de un material distinto de una lámina en tanto en cuanto consiga la finalidad de ser impermeable a los vapores por lo que no conduzcan a medidas inexactas de VOCs. Ha de entenderse, no obstante, que cualquier bolsa es adecuada para usar en esta invención en tanto pueda ser mantenida con seguridad en la temperatura requerida y permanecer suficientemente comprimible para retirar muestras procedentes del espacio de cabeza situado por encima de la muestra para la Detección por Ionización de Llama (FID) y no contribuya a la medida de VOC. La temperatura media de salida del efluente que procede del secador de lecho fluidizado se determina de modo que puede fijarse a tal temperatura una estufa convencional. La bolsa se coloca después en la estufa a la temperatura media de salida del secador de lecho fluidizado durante un tiempo suficiente para que el contenido alcance el equilibrio.

Con referencia a la Fig. 1, se muestra una bolsa cerrada, 10, según la invención en forma de una vista lateral. La bolsa 10 puede construirse fácilmente mediante una lámina de dos capas (capa interior de lámina metálica y capa exterior de polímero) de 100 x 35 cm y plegarse por la mitad, doblando después los tres bordes 12, 14 y 16, y las cuatro esquinas, 18, 20, 26 y 28, para formar la bolsa 10 que tiene una abertura cónica, 22, a través de la cual se colocan las muestras en la bolsa 10. Los bordes 12, 14 y 16 y las esquinas 18, 20, 26 y 28 de la bolsa 10, pueden cerrarse herméticamente con la cinta acanalada 24 para trabajo duro o medios hermetizantes equivalentes. El volumen de la bolsa 10 que resulta es 7400 cm^{3} aproximadamente. Los expertos en la técnica podrán apreciar los otros numerosos modos en que pueden construirse bolsas similares para usar en el método de la invención que se describe en esta memoria.

Aun cuando sin pretender quedar unido a teoría alguna, se opina que en sistemas de proceso u operaciones unitarias reales tales como un secador de lecho fluidizado, cantidades importantes de aire caliente separan agua del material para el que se necesita una medida de VOCs. Al tiempo que el agua está siendo separada, VOCs son transportados también fuera del material debido al aumento de la temperatura del material a medida que tiene lugar el secado u otra operación del proceso. La estimación de la cantidad de VOCs usando un modelo matemático es difícil debido a la cantidad de información que se precisa, incluyendo la composición orgánica del material, la cantidad de compuestos orgánicos existente en el material, la presión de vapor del material, la difusión de los compuestos orgánicos a través del material, la transferencia de masa de compuestos orgánicos desde la superficie del material, la temperatura del sistema, y la concentración de equilibrio por encima del material o en el espacio de cabeza. El presente método proporciona una medida directa, conveniente, de la concentración de equilibrio por encima del material, es decir, en el espacio de cabeza de la bolsa, por encima del material de muestra.

Sistemas de proceso u operaciones unitarias, ejemplares, sobre los que puede emplearse el método, incluyen, aun cuando no se limitan a ellos, secadores por pulverización, mezcladores, secadores de lecho fluidizado y dispositivos de enfriamiento, y depósitos de almacenamiento. Los tiempos de almacenamiento pueden variar ampliamente dependiendo del sistema del proceso y del material para el que se necesita la medida de VOCs, pero los tiempos típicos son desde aproximadamente 1 horas hasta aproximadamente 3 días, más típicamente desde aproximadamente 5 horas hasta aproximadamente 24 horas. Las cantidades de muestra ejemplares dependerán del tamaño de la bolsa, pero típicamente son desde 1 gramo hasta aproximadamente 100 gramos. La cantidad mínima de material de muestra puede determinarse como se describe en el Ejemplo II que figura más adelante en esta memoria. La cantidad puede variar según ha indicado anteriormente, pero se determina en general usando una cantidad de muestra que asegure que se ha alcanzado el equilibrio entre la muestra y el espacio de cabeza del interior de la bolsa. En ciertos sistema de procesos u operaciones unitarias, puede no tener lugar un auténtico equilibrio entre los compuestos orgánicos volátiles y el sistema del proceso, por una diversidad de razones, por ejemplo, el proceso puede tener un tiempo de ciclo corto. En estas situaciones, el procedimiento presente puede ser usado para obtener la máxima cantidad de VOCs a una temperatura dada del sistema del proceso ya que el VOC auténtico será alguna fracción del valor de VOC determinado por el proceso presente. De modo semejante, las temperaturas de almacenamiento pueden variar ampliamente dependiendo de la temperatura media de salida del sistema de proceso, pero una temperatura media de salida, típica, es desde aproximadamente 5ºC hasta aproximadamente 100ºC.

Un producto comercial que puede ser vendido específicamente para usar el método de la invención, puede tener la forma de un kit para medir los compuestos orgánicos volátiles de un material producido en un sistema que tiene emisiones. El kit puede incluir la bolsa que tiene una abertura que puede cerrarse herméticamente para permitir colocar una cantidad del material en la bolsa cerrada de modo que exista un espacio de cabeza por encima del material, y medios para analizar muestras procedentes del espacio de cabeza de la bolsa cerrada, tal como un FID. El kit puede incluir, preferiblemente, instrucciones de uso que, en general, siguen el método descrito en esta memoria.

Los ejemplos que siguen están destinados a ilustrar una o más de las diversas realizaciones de la invención, pero no están destinados a limitar en modo alguno el alcance total de las reivindicaciones que se acompañan.

Ejemplo I

Se construye o se obtiene una bolsa adecuada para usar en el método, según se ha descrito con respecto a la Figura. En una instalación de fabricación a gran escala en la que se produce una composición detergente, se toma a la entrada del secador una muestra grande de partículas del detergente que está siendo secado en un secador de lecho fluidizado y se divide en cinco muestras de 20 gramos. Las bolsas han sido construidas con un material compuesto al 100% de lámina de aluminio de calibre 28 sobre el interior (para la cavidad estéril/inerte) y de polietileno de calibre 28 en el exterior (para comunicar resistencia). El material de la bolsa se corta en un rectángulo de 100 cm por 35 cm y se dobla con la lámina de aluminio en la parte interior. Los lados de la bolsa se doblan con dos pliegues de 6 mm aproximadamente y el extremo abierto se pliega sobre ambos lados con pliegues de 10 mm hasta que queda solo una abertura de 40 mm aproximadamente, dando por resultado el aspecto de una configuración angulosa/cónica. Todos los pliegues se cierran luego herméticamente con tela de alta resistencia/alta temperatura o cinta acanalada quedando solamente la abertura de 40 mm sin cerrar. Cada una de las cinco muestras de 20 gramos se vierte en bolsas separadas como indica la Figura, Después de esto, cada bolsa se llena con aire de ultra-alta pureza (0% de contenido de hidrocarburos) hasta aproximadamente el 90% del volumen expandido quedando espacio para atar la abertura de la bolsa cerrada (abertura plegada dos veces y cerrada con cinta) y para la expansión de la bolsa debida al calentamiento final de la bolsa. La temperatura media de salida del secador de lecho fluidizado es 49ºC y, por tanto, las bolsas cerradas se mantienen en una estufa de temperatura constante a 49ºC durante 12 horas para permitir que el espacio de cabeza de cada una de las bolsas alcance el equilibrio con la muestra. Después de ello, cada una de las cinco muestras se retira desde la bolsa usando una sonda que se hace llegar a un Detector de Ionización de Llama ("FID"); que puede obtenerse comercialmente de Eagle Monitoring Systems, Inc., Modelo No. EM 7000). Se siguen las instrucciones operatorias convencionales para el FID que incluyen, aun cuando no se limitan a ellas, las etapas siguientes:

1) Establecimiento.- Instálense reguladores sobre los cilindros y conéctese a puertas de entrada apropiadas del EM 7000. Se usa tubo de teflón TPFE de 6,25 mm. Si se usa dispositivo de recogida de datos, se conectan los hilos a 4 - 20 mA situados sobre la parte trasera del EM 7000. Conéctese el EM 7000 a una toma de corriente de 120 V, y enciéndase el EM 7000 oprimiendo el botón rojo situado en el panel frontal. En esta posición la luz del interruptor de energía estará encendida así como la luz del interruptor de ignición (amarilla). Esto indica un estado de "llama fuera". Oprímanse los botones azules para seleccionar el intervalo deseado (0-100, 0-1000, 0-100.000 ppm). Enciéndase la estufa para calentar la cubeta, el botón está marcado situado sobre el panel frontal de la estufa. El regulador de temperatura está situado en el centro del panel frontal. El punto de fijación debe establecerse en la estufa a 150ºC, lo que tarda aproximadamente 1 hora para calentar a esta temperatura. Cuando la estufa está casi a la temperatura fijada se pone en funcionamiento la bomba, el botón está situado en el panel frontal, y también se pone en funcionamiento el regulador existente para la manguera de la muestra calentada. Se abren las válvulas de los cilindros de gas, y se fijan los reguladores del combustible y el aire de combustión en 275,8 kPa. Se fijan los rotámetros situados sobre el panel frontal del FID, el rotámetro marcado "combustible" se fija en aproximadamente 22 cc/min y el rotámetro marcado "aire de combustión" se fija en aproximadamente 200 cc/min. Fíjense los reguladores de cero y de los gases de calibración en 275,8 kPa; hay un único regulador de fase unido para reducir la presión desde 275,8 kPa hasta no más de 6,895 kPa. El combustible y el aire de combustión empleados necesitan circular a través de la unidad durante 15 minutos aproximadamente, antes de encender la llama.

2) Ignición de la llama - Se utiliza un interruptor de 2 posiciones situado sobre el panel de la parte trasera, para seleccionar una de dos clavijas de incandescencia usadas para someter a ignición la llama. Oprímase el interruptor de ignición y manténgase apretado no más de 20 segundos.

3) Calibración.- Selecciónese el botón de intervalo bajo y asegúrese que el EM 7000 es estable en la temperatura deseada. Ajústese la contrapresión de la muestra. Esto se realiza poniendo en funcionamiento el botón negro situado sobre el panel frontal de la unidad hasta que el manómetro que mide la presión, situado sobre el panel frontal, está en la fijación especificada. La fijación especificada para la contrapresión de la muestra es 17,24 kPa. Asegúrese que el caudal de H_{2} y del aire de combustión están en el valor especificado (los caudales son 22 cc/min para el H_{2} y 200 cc/min para el aire de combustión). Introdúzcase aire cero al instrumento oprimiendo el botón "cero". Ajústese la contrapresión de la muestra 17,24 kPa.. Obsérvese la línea de base sobre el registrador de datos y ajústese el potenciómetro de cero hasta que la pantalla lea aproximadamente cero ppm.

4) Procedimiento operatorio de ajuste de la calibración. Selecciónese el intervalo de calibración oprimiendo el botón del intervalo apropiado. Introdúzcase gas de calibración en el analizador seleccionando el botón de duración y ajústese la contrapresión de la muestra 17,24 kPa. Obsérvense las concentraciones de ppm en el registrador de datos y ajústese el potenciómetro de calibración situado sobre el panel frontal para establecer que el medidor lea el valor del gas de calibración como está indicado en el cilindro. Oprímase el botón "span" y compruébese de nuevo el cero. Ajústese si es necesario (recuérdese fijar la contrapresión de la muestra en 17,24 kPa), vuélvase a comprobar la calibración y ajústese si es necesario. Esto puede tener que repetirse tres o cuatro veces. Oprímanse ambos botones, el "span" y el "cero"; el instrumento está ahora recogiendo gases de la muestra. Ajústese la contrapresión de la muestra a 17,24 kPa.

Los VOCs de cada una de las cinco muestras contenidas en la bolsa son promediados para obtener un valor de 15 ppm en volumen sobre la base de ppm de propano. Inesperadamente, este valor de la medida de VOC es estadísticamente el mismo que las medidas obtenidas usando un equipo de medida de VOC, en línea, mucho más costoso y con mayor consumo de tiempo.

Ejemplo II

Este Ejemplo establece un método mediante el cual puede ser determinada la cantidad mínima de material de muestra necesaria para asegurar la exactitud de la medida de VOCs. Este método se basa en la determinación del nivel de equilibrio en el interior de la bolsa para una operación unitaria dada (por ejemplo, un secador de lecho fluidizado) que opera a una cierta temperatura. Específicamente, se llevan a cabo las etapas que siguen:

1.

Colóquense 0,5 gramos de un material de muestra en una bolsa según se ha descrito en el Ejemplo 1.

2.

Colóquese la bolsa en una estufa a una temperatura dada durante 16 horas;

3.

Tómese muestra de la bolsa usando la sonda de un FID para medir el VOC del espacio de cabeza de la bolsa según se ha descrito en el Ejemplo 1;

4.

Repítanse las etapas 1-3 usando cantidades crecientes de material de muestra;

5.

Repítanse las etapas 1-4 a diferentes temperaturas de la estufa;

6.

Repítanse las etapas 1-5 a diferentes tiempos de almacenamiento;

7.

Con los datos recogidos en las etapas 4-6 genérese una gráfica según muestra la Fig. 2 (REP = repetición);

8.

Usando la gráfica obtenida de la etapa 7 tal como la Fig. 2, puede verse la cantidad mínima de muestra dado que la parte plana de las curvas representa que se ha alcanzado el equilibrio; cualquier cantidad de muestra de la parte plana de una curva de temperatura dada asegurará una medida exacta de VOC; y

9.

Úsese por lo menos la cantidad de muestra para medir los VOCs que se describe en el Ejemplo I; 20 gramos es una cantidad apropiada basada en la Fig. 2 para un sistema de lecho fluidizado según se ejemplifica en el Ejemplo I. Como podrán apreciar los expertos en la técnica, la metodología de las etapas 1-9 puede llevarse a cabo sobre sistemas diferentes (por ejemplo, torre de secado por pulverización) y sobre muestras líquidas o de pastas en las que la cantidad mínima de muestra puede ser sustancialmente inferior a 20 gramos.

Por consiguiente, habiendo descrito de este modo la invención con detalle, será evidente para los expertos en la técnica que pueden realizarse diversos cambios sin apartarse del alcance de la invención, según se define mediante las reivindicaciones.

Claims (7)

1. Un método para medir compuestos orgánicos volátiles de un material producido en un sistema que tiene emisiones, cuyo método comprende las etapas de:

(a)

colocar una cantidad de dicho material en una bolsa cerrada que tiene una abertura que puede cerrarse herméticamente, de tal modo que existe un espacio de cabeza por encima de dicho material en dicha bolsa cerrada;

(b)

almacenar dicha bolsa cerrada que contiene dicho material sólido a la temperatura media de salida de dichas emisiones de dicho sistema, de tal modo que se alcanza el equilibrio entre dicho material y dicho espacio de cabeza; y

(c)

introducir muestras procedentes de dicho espacio de cabeza en un detector de ionización de llama que mide por ello dichos compuestos orgánicos volátiles de dicho material.

2. El método según la reivindicación 1, en el que dicho sistema es un secador de lecho fluidizado.

3. El método según la reivindicación 1, en el que dicho sistema es un secador por pulverización.

4. El método según la reivindicación 1, en el que dicha etapa de almacenamiento es desde aproximadamente 5 horas hasta aproximadamente 24 horas.

5. El método según la reivindicación 1, en el que dicha cantidad de dicho material es desde aproximadamente 1 gramo hasta aproximadamente 100 gramos.

6. El método según la reivindicación 1, en el que dicho sistema es un depósito de almacenamiento.

7. El método según la reivindicación 1, en el que dicha temperatura media de salida es desde aproximadamente 5ºC hasta aproximadamente 100ºC.