MX2007014043A

MX2007014043A - Sistema para producir mezclas de gas estandares primarias.

Info

Publication number: MX2007014043A
Application number: MX2007014043A
Authority: MX
Inventors: Mark Leonard Malczewski; Charles Douglas Heiderman
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2008-02-07
Also published as: EP1885478B1; JP2008541093A; KR101367575B1; WO2006124519A1; CN101218014A; CN101218014B; IL187292A; CA2608439C; BRPI0608799B1; US20060254656A1; ATE477046T1; ES2350240T3; KR20080014853A; EP1885478A1; IL187292A0; US7390346B2; CA2608439A1; BRPI0608799A2; JP4843671B2; DE602006016105D1

Abstract

Se proporciona un nuevo sistema y aparato (200) para producir mezclas de gas estandares primarias. El sistema incluye proporcionar un dispositivo de permeabilidad de gas (210) que tiene una velocidad de difusion constante en un recinto controlador por temperatura (220); conectar una fuente de suministro (230) de un componente al dispositivo de permeabilidad (210); rutear el componente del dispositivo de permeabilidad de gas (210) a un contenedor de productos (290) hasta que se alcance una cantidad deseada de dicho componente en el contenedor de productos (290); y suministrar un balance de gas purificado al contenedor de productos (290) para obtener una concentracion conocida de componente en la mezcla de gas estandar primaria.

Description

SISTEMA PARA PRODUCIR MEZCLAS DE GAS ESTÁNDARES PRIMARIAS Antecedentes de la Invención Campo de la Invención La presente invención se refiere a un sistema y aparato para la preparación de mezclas estándares primarias de baja concentración. Las mezclas estándares de la presente invención se utilizan para calibrar detectores analíticos, tales como espectrómetros de masa, y para análisis de emisiones de las cámaras de combustión y herramientas de proceso.

Descripción de ia Técnica Relacionada La demanda de mezclas de gas estándares primarias de baja concentración en el rango de (100-1000 partes por billón (ppb)), es creciente en un número de industrias. De particular interés para la evaluación de emisiones ambientales es una mezcla de óxido nítrico en nitrógeno, a medida que las regulaciones ambientales llegan a ser crecientemente estrictos. La necesidad de suministrar gas con niveles de pureza UHP ha conducido a la industria a desarrollar técnicas analíticas para medir las impurezas de gas. Los avances en la instrumentación de análisis de gas en el mismo rango de impurezas como podría encontrarse en la instrumentación de análisis de gas típico ha conducido a aumentar la demanda de mezclas estándares primarias de baja concentración empleadas como gases de calibración. Recientemente, las mezclas primarias de baja concentración se preparan por dos métodos según se describen por G. O. Nelson, Gas Mixtures Preparation and Control (Control y Preparación de Mecías de Gas), Lewis Publishers, Ann Arbor, Michigan (1992). Una es una mezcla estática, en donde un volumen de la mezcla deseada se genera y después se contiene en un cilindro ya sea en altas o bajas presiones. La mezcla se utiliza subsecuentemente para la aplicación particular. Otra es la mezcla dinámica en donde los componentes de interés se introducen en una corriente de gas diluyente purificado en presión esencialmente atmosférica, y la concentración deseada se genera. La mezcla se consume de allí en adelante como un gas de calibración para un instrumento analítico. A través de los años un número de métodos se han contemplado para controlar la adición dinámica de los componentes de interés al gas diluyente. En este aspecto, Leggett et al. en la Patente de EE. UU. No. 5,214,952 describe un dispositivo de calibración que utiliza una serie de controladores de flujo de masa altamente exactos para proporcionar el suministro rápido de mezclas de gas de calibración ultra alfa, y gas de muestra, a un analizador de gas a temperaturas elevadas. Ridgeway et al. en la Patente de EE. UU. No. 5,661 ,225 describe un sistema para la dilución dinámica de un analito de concentración alta que contiene gas para calibrar los detectores analíticos. Los sistemas de calibración descritos en Leggett et al. y Ridgeway et al. incluyen conductos de permeabilidad y controladores de flujo de masa para la adición dinámica de los componentes de interés al gas dil uyente. Algunas de las deficiencias asociadas con la técnica relacionada de la mezcla estática incluye el número de diluciones secuenciales necesarias para cada componente agregado para l legar en ia mezcla de gas estándar. Por ejemplo, la incertidumbre en la concentración final aumenta con el número de diluciones. Como tal , en la técnica relacionada es necesario tener un mínimo de tres diluciones para generar un estándar primario en concentraciones debajo de una parte por millón. M últi ples diluciones también pueden contribuir nocivamente a la contaminación del proceso a medida que la exposición a la atmósfera ambiental se aumenta. Además, el método de dil ución múltiple requiere consumo de capital considerable, a medida que a un operador experto se le pide monitorear e intervenir en el proceso. Para superar las desventajas de la técnica relacionada, un objeto de esta invención es proporcionar un sistema y aparato para producir mezclas estáticas de mezclas estándares primarias de baja concentración (es decir, 10 ppb a 1 000 ppb). Otro objeto de esta invención, es utilizar un dispositivo de permeabilidad, como un dispositivo de medición precisa para distribuir componentes menores directamente a un cilindro por período de tiempo predeterminado, permitiendo de tal modo al peso fácil de encontrar de regreso a un estándar de Instituto Nacional de Tecnología de Estándares (NIST). Otros objetos y aspectos de la presente invención llegarán a ser aparentes para un experto en la materia en una revisión de la especificación y las reivindicaciones anexas a la misma.

Breve Descripción de ia invención Los objetivos precedentes se cumplen por el sistema y el aparato para la presente invención para producir mezclas estándares primarias. De acuerdo a un primer aspecto de la invención, se proporciona un sistema para producir mezclas de gas estándares primarias. El sistema incluye proporcionar un dispositivo de permeabilidad de gas que tiene velocidad de difusión constante en un recinto controlado por temperatura; conectar una fuente de suministro de un componente al dispositivo de permeabilidad; rutear el componente del dispositivo de permeabilidad de gas a un contenedor de productos hasta que se alcance una cantidad deseada de dicho componente en el contenedor de productos; y suministrar un balance de gas purificado al contenedor de productos para obtener una concentración conocida de componente en la mezcla de gas estándar.

De acuerdo a un segundo aspecto de la invención, se proporciona un sistema para producir mezcla de gas estándar. El sistema incluye proporcionar una fuente de pureza ultra alta para un componente gaseoso; comunicar el componente gaseoso por medio de un conducto a un dispositivo de permeabilidad colocado en un recinto controlado por temperatura; difundir el componente gaseoso a través del dispositivo de permeabilidad y remover el componente difundido de allí; suministrar por un período de tiempo predeterminado el componente difundido a un cilindro de producto por medio de un conducto; y al alcanzar el punto de fijación se suministra un balance de gas purificado de una fuente de presión alta al contenedor de productos a fin de obtener una concentración conocida de componente en la mezcla de gas estándar. De acuerdo a otro aspecto de la invención se proporciona un aparato para producir mezclas de gas estándares primarias. El aparato incluye un dispositivo de permeabilidad de gas que tiene velocidad de difusión constante colocado en un recinto controlado por temperatura; una fuente de suministro en comunicación con el dispositivo de permeabilidad de gas para proporcionar un componente; un contenedor de productos para recibir el componente gaseoso o líquido del dispositivo de permeabilidad de gas; y una fuente de suministro de gas purificado en comunicación al contenedor de productos para suministrar el balance del gas y obtener una concentración baja de componente en el gas estándar.

Breve Descripción de las Figuras La invención se entenderá mejor por referencia a las siguientes figuras; en donde: Fig. 1 la cual ilustra una vista en perspectiva de un dispositivo de permeabilidad; y Fig. 2, ilustra vista esquemática de un sistema para calibrar mezclas de gas estándares.

Descripción Detallada de la Invención Los objetos de la invención se logran utilizando un sistema y aparato que proporciona una preparación de etapa única de una mezcla de gas estándar primaria estática con mínima intervención del operador. El sistema emplea un dispositivo de permeabilidad de gas que tiene una velocidad de difusión que puede controlarse para permanecer dentro de un rango, alrededor de un punto de fijación constante. El sistema se diseña para producir tal estándar de calibración en la forma de una mezcla de gas de calibración de baja concentración del diluyente o gas portador deseado, generalmente en forma de pureza ultra alta, y una cantidad dopada de la impureza adecuada o analito, generalmente proporcionado como un componente gaseoso o líquido, para propósitos de calibrar instrumentos analíticos. Según se utilizan en la presente, los términos "gas portador", "diluyente", "gas purificado" y "gas portador purificado", se utilizan i ntercambiablemente para referirse al gas de balance empleado en la generación de la mezcla de gas estándar primaria. De igual forma, los términos "analito" e "impureza" se emplean intercambiablemente para referirse al componente gaseoso o líquido agregado para generar la mezcla de gas estándar calibrada. El equipo de calibración se utiliza para certificar la pureza de químicos utilizados para cumplir los requisitos de la industria de electrónica, o para monitorear las emisiones del equipo de procesamiento semiconductor, automóviles, industrias de procesos y químicos. La baja concentración del componente gaseoso o líquido en el gas portador se encuentra típicamente en el rango de aproximadamente 10 ppb a 1000 ppb, y preferentemente aproximadamente 10 ppb a 400 ppb. Para proporcionar el nivel necesario de precisión y consistencia en la preparación de tales mezclas de gas estándares primarias, el aparato se diseña para proporcionar el mezclado estático de uno o más componentes líquidos o gaseosos con el gas portador en una etapa única. En la modalidad ilustrada en la Fig. 1 , se proporciona un dispositivo de permeabilidad 210 que suministra una cantidad conocida de componente que se proporciona en el mismo. El dispositivo de permeabilidad contiene un medio de permeabilidad 212, por ejemplo, un conducto de politetrafluoroetileno polimérico que tiene una velocidad de permeabilidad conocida en la temperatura de operación del dispositivo. El componente gaseoso o l íquido ejemplar introducido y difundido a través del dispositivo de permeabilidad incluyen monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxido nítrico, óxido de dinitrógeno, metano, etc. Los dispositivos de permeabilidad se encuentran típicamente disponibles como Trace Source™ de Kin-Tek Laboratories, Inc. El componente gaseoso contacta una membrana y el gas se permeabiliza lentamente a través de una membrana en condiciones dadas. Los gases portadores de alta pureza típicos, los cuales pueden utilizarse en el aparato de la presente invención incluyen nitrógeno, helio, argón, aire, oxígeno, dióxido de carbono, etc. Por el otro lado, el componente gaseoso o líquido de baja concentración (es decir, el analito) puede elegirse de entre monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxido nitroso, metano, fluoruro de hidrógeno, cloruro de hidrógeno, y cloro, hexafluoroetano y hexafluoruro de azufre, etc. Dependiendo del componente gaseoso o líquido particular utilizado, el dispositivo de permeabilidad se calienta a una temperatura predeterminada para obtener una velocidad de difusión constante. De esta manera, el tiempo de distribución del dispositivo de permeabilidad se conoce y la masa exacta del componente difundido del dispositivo de permeabilidad puede calcularse. Si el analifo se encuentra en fase líquida, la temperatura predeterminada se utiliza para establecer la presión de vapor del componente/analito y de allí la diferencia de presiones a través del medio de permeabilidad para obtener una velocidad de difusión constante. Por el otro lado, si el analito se encuentra en fase de vapor, se proporciona un cilindro de suministro (no mostrado) río arriba del dispositivo de permeabilidad, y la presión del componente suministrado al dispositivo de permeabilidad se mantiene a un nivel predeterminado para establecer una diferencia de presiones constante a través de la permeabilidad en el medio a fin de obtener una velocidad de difusión constante. La concentración de analito al final del medio de permeabilidad 212 se mantiene a un nivel bajo y constante, preferentemente cercano a cero, mediante el barrido del componente/analito permeabilizado con el gas portador al contenedor de productos. Más específicamente, y con referencia a la Fig. 2, un sistema para producir una mezcla de gas estándar primaria, de acuerdo a otra modalidad de la invención se ilustra. La mezcla de gas estándar primaria de baja concentración se genera al mezclar cantidades conocidas de gas portador y el analito. El sistema 200 incluye al menos un dispositivo de permeabilidad 210 que suministra una cantidad conocida del analito. Naturalmente, el dispositivo de permeabilidad debe calibrarse por el fabricante/vendedor para producir una velocidad de difusión conocida constante. Para este propósito el fabricante/vendedor llenará el dispositivo con el componente, lo pesará, lo calentará a una temperatura constante y lo mantendrá por un tiempo conocido, después lo removerá y lo pesará. La diferencia de peso divida por el tiempo conocido brinda la velocidad de fusión a esa temperatura. La Fig. 2 se explica además con respecto a la producción de una mezcla en donde el analito es óxido nitroso. Sin embargo, se entenderá por aquellos expertos en la materia, que este sistema puede utilizarse con cualquiera de los analitos y gases portadores anteriormente mencionados. Una fuente 230 del óxido nítrico de pureza ultra alta se coloca río arriba del disposifivo de permeabilidad 210 y en comunicación fluida con el mismo. Un regulador 232 en la tubería de suministro mantiene la presión de suministro a aproximadamente 50 psig y fija la presión del óxido nítrico suministrado al dispositivo de permeabilidad 210. El dispositivo de permeabilidad se envuelve en el recinto 220, en donde el dispositivo de permeabilidad se mantiene dentro de un reci nto cercanamente monitoreado a una temperatura de aproximadamente 100°C. Por separado, a través de un pequeño orificio, el gas nitrógeno a velocidad de flujo suficiente para barrer el componente se proporciona continuamente al dispositivo de permeabilidad 210 a través de un desgaseador 240 colocado sobre una tubería. El desgaseador remueve impurezas en los gases portadores, el cual de otra forma podría reaccionar con el analito. El gas nitrógeno agregado tiene un efecto nocivo en la velocidad de difusión del dispositivo de permeabilidad 210, a medida de que existe solamente un ligero aumento en la contrapresión que se da como resultado en el cilindro de producto 290. Además, esta parte de gas nitrógeno proporcionado al dispositivo de permeabilidad 210, contribuye al balance del gas nitrógeno de pureza ultra alfa suministrada por último al cilindro de producto. A medida que el analito se difunde a través del disposifivo de permeabilidad 210, y se transporta al cilindro de producto 290 mediante la válvula de abertura 230 y las válvulas de cierre 250 y 260. Opcionalmente, cuando el dispositivo de permeabilidad no se encuentra en práctica, la válvula 230 se cierra y la válvula 250 se abre para ventilar el analito. Este procedimiento mantiene la estabilidad del dispositivo de permeabilidad, y permite a las mezclas proporcionarse en demanda (es decir, en la velocidad de difusión adecuada), mientras que se mantiene la pérdida de analito a una cantidad insignificante (es decir, en el caso de óxido nítrico 0.5 g/día o menos). Estas válvulas pueden seleccionarse de entre cualquiera de las válvulas de presión alta, las cuales podrían no contaminar el gas que pasa a través de ellas. La masa de analito suministrada al cilindro de producto se conoce gravimétricamente, de la velocidad de emisión conocida del dispositivo de permeabilidad y el tiempo de suministro (válvula de tiempo 230 se abre). Al alcanzar el peso deseado en el cilindro de producto 290, la válvula 230 se cierra. La válvula 260 se abre y el balance del gas portador de pureza ultra alta se suministra al cilindro de producto 290 de la fuente de suministro de gas portador 270. La masa de gas portador agregado se determina exactamente en escala 280. En base a la velocidad de difusión del dispositivo de permeabilidad, el tiempo necesario para suministrar el peso requisito de analito al cilindro de producto y la masa del balance agregado de gas portador, la concentración de la mezcla final puede calcularse. En este aspecto, la concentración final se determina como sigue: c= t * d * 10~9. en donde N c= concentración en peso, ppbw f= tiempo durante el cual ia válvula 230 se abre, minutos d= velocidad de difusión de componente, g/minuto w= peso de gas portador, g El nivel de concentración puede adaptarse por un factor tan al como cien al alterar el tiempo se permite al disposifivo de permeabilidad 210 descargar el analito al cilindro de producto 290.

En el caso de que se desee un rango de concentración más amplio, la temperatura de operación del dispositivo de permeabilidad 210 puede cambiarse. Esto podría requerir un dispositivo de permeabilidad calibrado en dos diferentes temperaturas. Alternativamente, el dispositivo de permeabilidad puede modificarse a fin de ya sea aumentar o reducir el área de superficie del mismo, el cual podría a su vez cambiar las características de permeabilidad (es decir, velocidad de difusión) del dispositivo. Si el dispositivo se encuentra en práctica a una temperatura, entonces se calentará/enfriará para producir una diferente pero la velocidad de difusión conocida en la segunda temperatura. Durante este período de transición la válvula 230 permanecerá cerrada y la válvula 250 estará abierta. De manera global, el sistema 200 puede controlarse a través del empleo de un controlador lógico programable (PLC), o una computadora. El control de válvula, la lectura de escala de cilindro pueden ingresarse al PLC, y la adición de analifo en el cilindro de producto sincronizarse de manera precisa. De allí en adelante, el PLC podría realizar los cálculos de concentración. Además, el sistema 200 puede modificarse, para incluir una tubería de purga, en donde se monitorean la humedad y el oxígeno. En este caso, por ejemplo, el PLC podría purgar el sistema 200, y derivar la introducción de analitos en el cilindro de producto hasta que los niveles del contaminante alcanzaran niveles aceptables (es decir, menos de 10 ppb). Una fuente de presión alta de gas portador nitrógeno, tal como el tanque 270 colocado río abajo del disposifivo de permeabilidad, proporciona el balance de gas al cilindro de producto 290. El sistema anteriormente descrito, puede modificarse en diversas maneras. En una modalidad adicional, por ejemplo, las mezclas de gas estándares calibradas pueden comprender múltiples componentes o analitos. A fin de implementar, este sistema, un número de dispositivo de permeabilidad 210 puede proporcionarse en paralelo. Cada dispositivo difunde un analito en particular el cual se rutea hacia el cilindro de producto. El operador monitoreará el sistema y asegurará que los diversos analitos no contrafluirán fuera del cilindro de producto 290 ai cual se suministran, ya sea secuencialmente o simultáneamente. De acuerdo con otra modalidad, el sistema 200 puede configurarse para distribuir los analitos a un número de cilindros de producto 290 en una manera secuencial. Por lo tanto, un número de cilindros de producto que contienen la misma mezcla de gas estándar calibrada pueden generarse en una manera de producción de la tubería de ensamble. Para asegurar la exactitud de la mezcla de gas calibrada puede lograrse al colocar cada cilindro de producto en una escala individual, a fin de determinar el balance del gas portador necesario. Se reconocerá que la escala que puede emplearse incluye balances de indicador de presiones y escala de onda acústica, los cuales pueden ufilizarse junto con el PLC para controlar los diversos aspectos del proceso. El sistema descrito en la Fig. 2 de la invención se describirán además a detalle con referencia al siguiente ejemplo, el cual, sin embargo, no se interpretará como limitante de la invención.

Eiemplo El deseo de la mezcla de gas estándar primaria fue fijarse a 100 ppb en peso de óxido nítrico (NO) en una mezcla de nitrógeno (N2). El componente/analito de óxido nítrico se suministró a un dispositivo de permeabilidad 210 que tiene una velocidad de difusión de 367 microgramos/mi nutos a 1 00°C. El ti empo necesario para proporcionar 100 ppb de analito NO en el cili ndro de producto 290 se calculó como sigue: El cilindro de producto se mantiene 300 cuft. en NTP . La densidad de nitrógeno se muestra que es 32.86 g/cuft en NTP. Por lo tanto, 300 cuft de N2 = 9858 g en NTP. ppb wt = gNO/9858 gN2 ? 1 E9 g NO = 1 00 ppbw * 9858 g N2 / 1 E9 g NO = 0.0009858 g o 0.9868 mg o 985.8 microgramos. El dispositivo de permeabilidad fue un modelo 57 HA que tiene la velocidad de difusión anteriormente establecida. De esta manera, 985.8 microgramos / 367 microgramos / minuto = 2.687 mi nutos o 161 .22 segundos para proporcionar 100 ppb de analito al cilindro de producto. En el cálculo del tiempo necesario para proporcionar los 1 00 ppb de analito en el cilindro de producto 290, la concentración de la mezcla de gas calibrada se determinó. Como resultado, la concentración de la mezcla fi nal se calculó como sigue: c= t 1 0 , en donde w c= concentración en peso, ppbw t= tiempo durante el cual la válvula 230 se abre, minutos d= velocidad de difusión de componente, g/minuto w= peso de gas portador, g De allí en adelante, el balance del gas portador N2 se proporcionó, y la mezcla de gas estándar de calibración se formó por medio de una mezcla estática y sin diluyentes. Claramente, una mezcla de gas estándar primaria se proporciona a través de una mezcla estática, y sin múltiples diluciones. Mientras que la invención se ha descrito a detalle con referencia a las modalidades específicas de la misma, llegará a ser aparente a un experto en la materia que pueden hacerse varios cambios y modificaciones, y los equivalentes emplearse, sin alejarse del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES 1 . Un sistema para elaborar mezclas de gas estándares primarias, comprendiendo: proporcionar un dispositivo de permeabilidad de gas que tiene una velocidad de difusión aproximadamente constante en un recinto controlado por temperatura; conectar una fuente de suministro de un componente al dispositivo de permeabilidad; rutear el componente del dispositivo de permeabilidad de gas a un contenedor de productos hasta que se alcance una cantidad deseada de dicho componente en el contenedor de productos; y suministrar un balance de gas purificado al contenedor de productos para obtener una concentración conocida de componente en la mezcla de gas estándar.
2. El sistema de la reivindicación 1 , en donde la temperatura en la temperatura en el recinto controlado se mantiene constante.
3. El sistema de la reivindicación 1 , en donde el componente es óxido nítrico, y el balance de gas purificado es nitrógeno.
4. El sistema de la reivindicación 1 , en donde el componente se selecciona del grupo que consiste de monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxido nitroso, metano, fluoruro de hidrógeno, cloruro de hidrógeno, y cloro, hexafluroetano y hexafluoruro de azufre y mezclas de los mismos.
5. El sistema de la reivindicación 1 , en donde el balance de gas purificado se selecciona del grupo que consiste de helio, nitrógeno, aire, oxígeno, dióxido de carbono y argón.
6. El sistema de la reivindicación 1 , en donde la concentración de componente conocida en la mezcla estándar primaria que contiene gas purificado se encuentra en el rango de aproximadamente 10 partes por billón a aproximadamente 1000 partes por billón.
7. Un sistema para elaborar mezclas de gas estándares primarias, comprendiendo: proporcionar una fuente de pureza ultra alta para un componente gaseoso; comunicar el componente gaseoso por medio de un conducto a un dispositivo de permeabilidad colocado en un recinto controlado por temperatura; difundir el componente gaseoso a través del dispositivo de permeabilidad y remover un componente difundido de allí; suministrar el componente difundido a un cilindro de producto por medio de un conducto por un período de tiempo predeterminado; y al alcanzar el período de tiempo predeterminado se suministra un balance de gas purificado de una fuente de presión alta al contenedor de productos a fin de obtener una concentración conocida de componente en la mezcla de gas estándar.
8. Un aparato para producir mezclas de gas estándares primarias, comprendiendo: un dispositivo de permeabilidad de gas que tiene velocidad de difusión constante colocado en un recinto controlado por temperatura; una fuente de suministro en comunicación con el dispositivo de permeabilidad de gas para proporcionar un componente gaseoso; un contenedor de productos para recibir el componente gaseoso del dispositivo de permeabilidad de gas; y una fuente de suministro de gas purificado en comunicación al contenedor de productos para suministrar el balance del gas y obtener un componente de concentración conocida en la mezcla de gas estándar primaria.
9. El aparato según la reivindicación 8, comprendiendo además: un controlador lógico de programa o computadora para monitorear y controlar el suministro de componente, así como también el balance de gas purificado.
10. El aparato según la reivindicación 8, en donde el controlador lógico de programa o computadora se emplea para efectuar el intercambio del componente difundido al gas purificado.