Manteniendo las purezas de los gases

Seleccionando las opciones correctas de gas y equipo para su aplicación

September 12, 2012

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Figura 1: El equipo industrial de oxicombustible no requiere integridades ultra-altas ante fugas, como es el caso con los gases para laboratorio y de alta pureza. Sin embargo, debe tomarse en cuenta la pureza del gas. (Foto por Chris Oxley y cortesía de Northrop Grumman, Newport News, Va.)

Los requerimientos de pureza de los gases varían de una aplicación a otra. Para asegurar que se conserven hasta su punto de consumo, las purezas de los gases necesitan correlacionarse con el diseño y los materiales del equipo que se esté usando.

Las purezas de los gases son clasificadas típicamente por el fabricante con base en la concentración de impurezas encontradas en los mismos. Este código de clasificación o grado es determinado por el porcentaje de pureza. Este código de clasificación consistirá en un número de dos dígitos; el primer dígito representa el número de nueves en el porcentaje de pureza y el segundo indica el último dígito.

Por ejemplo, un gas grado 5 es uno con una pureza de 99.999 por ciento, y un grado 5.5 es 99.9995 por ciento puro. Un gas grado 5 tendría 1,000 partes por millón (ppm) de impurezas. Varios fabricantes de gas clasifican gases con un nivel mínimo de pureza de 99.995 por ciento como de “alta pureza”, un nivel mínimo de 99.999 por ciento como “ultra alta pureza”, y un nivel mínimo de 99.9995 por ciento como “grado para investigación”. Sin embargo, debido a que los estándares pueden variar, consulte con su proveedor de gas su sistema de clasificación.

El tipo de aplicación determinará el grado de gas que se recomienda para ese uso. El sistema de regulación y alimentación para el gas debe ser de un diseño y de un material compatible con ese gas. Idealmente, debe suministrarse en el

punto de uso la misma pureza del gas quese encuentra dentro del cilindro del proveedor del gas. La impermeabilidad o resistencia a la contaminación o fugas se mide por la integridad del equipo ante fugas.Por ejemplo, una integridad ante fugas de 1 x 10-9 scc/helio significaría que el equipo dejaría escapar 0.0000000001 centímetros cúbicos de helio cada segundo o un centímetro cúbico, aproximadamente el tamaño de un cubo de azúcar, aproximadamente cada 32 años.

Para gases raros y de especialidad, el diseño y la integridad ante fugas del equipo en uso son especialmente críticos. Esta alta integridad ante fugas se logra de diversas formas:

  • Es importante que todas las superficies mojadas o aquéllas en contacto con el gas sean compatibles con ese gas o mezcla de gases. Incluso concentraciones diminutas de un gas deben ser compatibles con estos materiales, o existe la posibilidad de que un componente no compatible reaccione con el gas o diluya la concentración. Es de particular importancia evitar fugas cuando el gas es corrosivo, tóxico o peligroso de alguna otra forma.
  • El uso de elastómeros debe minimizarse. Los elastómeros permitirán la difusión de contaminantes con el tiempo. Si el elastómero en cuestión es compati-ble con el gas en uso, puede ser adecuado para los gases de grado industrial, pero probablemente no deba usarse para aplicaciones de alta pureza.
  • El diseño del equipo debe eliminar trayectorias potenciales de fuga. La mínima cantidad posible de conexiones roscadas en una instalación será benéfica. Sellos metal con metal, como los que se encuentran en acoplamientos de compresión de tubos, también ayudan a mante-ner la integridad ante fugas del sistema con respecto a los diseños que usan sellos tipo “O” o empaques.
  • Equipo altamente pulido o que muestre un alto valor de Ra y que con una trayectoria de flujo de gas directo será más fácil purgarlo de contaminantes. La contaminación puede quedarse atrapada en un perfil de superficie rugosa o en esquinas de la instalación difíciles de purgar. Eventualmente, estos contaminantes encuentran su camino hacia el flujo de gas.

Viendo más de cerca la aplicación

Generalmente, las aplicaciones industriales y láser tendrán requerimientos diferentes de purezas de gases. La pureza de los gases determinará los tipos de diseños y materiales usados para el equipo. El tipo de modo de gas—por ejemplo, en cilindro a alta presión, en cilindro líquido, o a granel—también pueden afectar el tipo de equipo que debe usarse para regulación y distribución.

Aunque puede haber diferentes estándares para etiquetar un gas como grado industrial, usualmente los procedimientos de rellenado de cilindros no serán tan rigurosos como con los gases de alta pureza o para laboratorio. Los cilindros de gas industrial, como los usados para la soldadura y corte con oxicombustible, pueden simplemente rellenarse con el gas particular y reenviarse al cliente. Para grados más altos de gases, el cilindro puede hornearse primero durante un tiempo prolongado e inducirse un vacío para eliminar contaminantes incluso de las paredes de los cilindros. Después del llenado, el cilindro podría someterse a un sin fin de pruebas para verificar la existencia de contaminantes como humedad, hidrocarburos y oxígeno.

La pureza del gas requerida para una aplicación industrial puede variar dependiendo del gas y de la aplicación particular. Aunque estas aplicaciones no requie-ren los estrictos estándares de grados más altos de gases, debe tomarse en cuenta la pureza del gas. El oxígeno de corte usado para corte de metales con oxicombustuble, por ejemplo, se recomienda que tenga una pureza mínima de 99.5 por ciento. Una disminución del 1 por ciento en la pureza de este oxígeno resultará en una reducción de las velocidades de corte del 25 por ciento, y un aumento en el consumo de gas del 25 por ciento.

Con estos grados de gases, a menudo es suficiente una prueba de integridad de fugas con burbujas. Esto significa que, cuando se aplica una solución jabonosa a los acoplamientos, aparecen burbujas. La prueba de integridad de fugas con burbujas se traduce en alrededor de 1 x 10-3 scc/he. El equipo usado para estos grados de gases puede usar elastómeros, como neopreno, sin efectos nocivos importantes. Además, la capacidad de flujo o de presión normalmente son consideraciones más importantes que la integridad ante fugas.

Las aplicaciones láser requieren gases de alta pureza. Puede haber hasta tres aplicaciones de gases en un láser: gases para resonador, gases auxiliares y gases de purga del rayo. Aunque no todos los tipos de láser requieren gases para resonador, algunos que incluyen láseres de CO2 usan CO2 grado 4 o más alto, nitrógeno grado 5 o más alto, y helio grado 5 o más alto en el resonador para producir el rayo láser. Los gases auxiliares pueden ser nitrógeno, oxígeno o helio de alta pureza, dependiendo del material que se esté cortando. El gas de alimentación del rayo normalmente es nitrógeno grado 5.

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Figura 2: Las aplicaciones láser requieren gases de alta pureza y minimización de hidrocarburos, humedad y partículas. (Foto cortesía de TRUMPF Inc.)

En realidad, lo que se necesita con estos gases es minimizar tres contaminantes:

  • Los hidrocarburos en los gases deben estar abajo de 1 ppm.
  • La humedad debe ser menor a 5 ppm.
  • Las partículas deben ser menores a 10 micrones.

Estos contaminantes reducirán la potencia del láser, afectando la calidad y la velocidad del corte. Además pueden causar depósitos en los espejos, reduciendo significativamente la vida útil para estos componentes caros, e impactando negativamente su reflectividad.

Los requerimientos de equipo para los gases del resonador y de purga del rayo son muy similares a aquéllos para las aplicaciones analíticas no corrosivas de gases de especialidad. El equipo debe estar dise-ñado para evitar la introducción de los tres tipos de contaminantes mencionados con anterioridad. Los requerimientos de flujo y de presión deben estar dentro de la capacidad del equipo de regulación de gas de especialidad para propósito más general. Sin embargo, el equipo para gas auxiliar, además de la integridad ante fugas, también podría tener requerimientos para altas presiones y flujos. Dependiendo de la potencia de los láseres y de los tipos y espesores de los materiales que se estén cortando, los requerimientos de presión en la boquilla pueden exceder 500 libras por pulgada cuadrada (35 bar) y flujos que exceden 5,000 pies cúbicos por hora (141 m3/hora). Puede requerirse que el equipo especial adecuado para láser cumpla estas necesidades de presión y de flujo.

En resumen, vale la pena resaltar dos puntos clave:

  1. Los requerimientos de pureza del gas variarán dependiendo de la aplicación.
  2. El diseño y los materiales del equipo tendrán que ser acordes a la pureza de los gases para asegurar que éstas se mantengan hasta su punto de consumo.


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