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Halogen Systems
descriptionDocumento técnico — Halogen Systems Inc. (2020)

Novas alternativas aos instrumentos DPD em linha para medição de TRO em BWMS

O sensor amperométrico DPI (Direct Pipe Insertion — inserção direta na tubulação) da Halogen Systems oferece uma alternativa sem reagentes e sem membranas aos instrumentos DPD on-line para medição de oxidante residual total em sistemas de gestão de água de lastro. Validado pela Alliance for Coastal Technologies (ACT) e respaldado pela aprovação de tipo DNV, com mais de 2.000 sensores instalados em embarcações desde 2014.

Este documento apresenta dados de avaliação de terceiros, testes de independência da vazão, resultados de robustez frente à turbidez, comparações de custos e dados de testes de campo que demonstram 1.2 anos de operação a bordo sem manutenção.

Principais destaques de desempenho

±4%
Precisão (ACT)
em comparação com ±15% e ±32% para unidades DPD
2,000+
Sensores implantados
Em embarcações desde 2014
1.2 anos
Sem manutenção
792 horas de operação efetiva
$2,200+
Economia de instalação
Por instrumento vs. DPD

1. Contexto

A Halogen Systems, Inc. começou em 2012 para comercializar sua tecnologia de sensores multiparâmetro. Desde o início, buscou eliminar os problemas dos sensores amperométricos existentes e desenvolver uma plataforma alternativa robusta de sensores com aplicações em vários setores. Seu sensor é radicalmente diferente dos demais, daí seu nome, amperométrico DPI (Direct Pipe Insertion — inserção direta na tubulação).

Este novo sensor amperométrico foi financiado, em parte, por contratos Small Business Investment Research (SBIR) do US Office of Naval Research (ONR)[DoD, 2020]. Desde 2014, este sensor passou por melhorias e aprimoramentos constantes.

2. Resumo executivo

O sensor amperométrico DPI é uma nova alternativa aos instrumentos DPD em linha. Quando usado em sistemas de gestão de água de lastro (BWMS), essa alternativa elimina potenciais problemas de conformidade com recursos exclusivos:

speed

Resposta rápida

Medição direta de TRO na tubulação de lastro para leituras em menos de 45 segundos.

water

Operação em porto com água lodosa

Operação robusta e exata em níveis de TSS de 20× os exigidos pelo ETV (1.000 ppm), sem filtros.

science

Alta tolerância a DOC

Operação exata com níveis de carbono orgânico dissolvido iguais a 6× os níveis de desafio usados nos testes de BWMS.

waves

Independente de Vazão

Operação exata com velocidade de fluxo de 0 a 3.73 m/s — sem impacto na medição.

sensors

Salinidade e pH integrados

O sensor de salinidade integrado elimina um instrumento separado. O sensor de pH suporta 10 bar.

warning

Modelos para áreas classificadas e não classificadas

Disponível para áreas classificadas Zona 1 Grupo IIC, convés aberto, fluxo lateral e tubulação de lastro.

Vantagens de instalação e manutenção

check_circleSem montagem em skid, linhas de amostragem, filtros, bombas, linha de resíduos ou válvulas remotas
check_circleSem reagentes, membranas ou eletrólito
check_circleTestado em campo pelo equivalente a 15 meses sem manutenção ou calibração
check_circleAutolimpeza mecânica e limpeza eletroquímica
check_circlePeças de desgaste substituídas a cada dois anos
check_circleFerramenta de remoção de válvula de inserção sob pressão para facilitar instalação, remoção e substituição

Ampla validação por terceiros

verifiedEm uma recente avaliação de sensores TRO da ACT, este sensor amperométrico demonstrou desempenho comparável ao de equipamentos DPD em linha[ACT HSI, 2020]
verifiedMais de 2.000 sensores instalados em BWMS em embarcações desde 2014
verifiedAprovações de tipo DNV emitidas

3. Avaliação por terceiros (ACT)

A Alliance for Coastal Technologies (ACT) realizou uma avaliação de instrumentos de TRO de água de lastro com tecnologia atualmente disponível[ACT HF, 2020][ACT HSI, 2020][ACT Xylem, 2020]. Embora a ACT não tenha comparado os sensores diretamente, vários pontos importantes ficam evidentes nesses relatórios:

Resultados do teste de precisão

Os dois instrumentos DPD novos, instalados por pessoal da fábrica, estavam fora de suas respectivas especificações de 5% (abaixo de 6 ppm). A exatidão do DPD1 durante o teste de precisão foi de ±15%, enquanto a do DPD2 foi de ±32%. O sensor Halogen ficou confortavelmente dentro de sua especificação, com ±4%. Seu coeficiente de variação (2,5%) foi melhor que o do método de referência DPD (2,6%).

Resultados dos testes de exatidão

Um instrumento DPD não funcionou corretamente durante dois dos testes de exatidão, portanto nenhum dado pôde ser coletado. Nos testes de exatidão, o sensor Halogen (HSI) teve desempenho semelhante ou superior ao dos instrumentos DPD nos testes em que havia dados disponíveis. Números mais próximos de 1.00 indicam melhor exatidão.

Tabela 1: Comparação de precisão — Três instrumentos avaliados pela ACT

AmostraMétodo de referênciaDPD2DPD1HSI (Halogen)
13.552.33.023.45
23.562.413.13.45
33.482.393.013.4
43.532.393.013.34
53.492.293.053.34
63.52.32.933.35
73.472.312.923.33
83.412.332.913.28
93.382.322.853.27
103.452.32.833.24
113.332.322.793.22
123.272.272.683.2
Média3.452.332.933.32
Desvio padrão0.090.040.120.08
CV (%)2.60%1.90%4.20%2.50%
Exatidão relativa em %—-32%15%4%

Fonte: relatórios de avaliação da Alliance for Coastal Technologies (ACT). Relatórios completos disponíveis em act-us.info

Tabela 2: Inclinações de regressão linear relatadas pela ACT

Resultados dos testes de exatidão em diferentes níveis de salinidade. Valores mais próximos de 1,00 indicam maior exatidão.

Salinidade PSUHSI (Halogen)DPD1DPD2
0.20.8090.8291.072
0.20.9620.8790.728
0.20.8140.9240.777
150.779—0.762
150.8250.7830.458
150.7930.8590.635
300.756—0.746
300.8180.7470.456
300.7170.7870.603
15Não testado0.8140.585
160.7780.7940.665

Fonte: relatórios de avaliação da Alliance for Coastal Technologies (ACT). Relatórios completos disponíveis em act-us.info

4. Resposta rápida com instalação direta na tubulação

Este sensor é instalado diretamente na tubulação de lastro para leituras rápidas de TRO (menos de 1 minuto). Instrumentos DPD on-line alimentados por longas linhas de amostragem de água introduzem potencial contaminação da amostra, além de um atraso — frequentemente de 3 a 8 minutos em algumas embarcações — antes que o BWMS receba uma leitura atualizada. Um circuito de processo com atraso frequentemente causa problemas de controle exato, resultando em oscilação entre cloração excessiva e insuficiente. Longas linhas de amostragem também são frequentemente responsáveis pela contaminação da amostra.

5. Operação robusta em portos com água barrenta

Os sistemas BWMS são avaliados com um nível de desafio de 50 ppm de sólidos suspensos totais (TSS)[EPA, 2010]. No entanto, alguns portos têm concentrações muito maiores de sólidos suspensos, e a água pode até parecer “barrenta”. Para demonstrar a robustez deste sensor, ele foi avaliado usando 40 vezes o nível de TSS exigido (2.000 ppm)[HSI ISO15839, 2020].

Método DPD afetado pela turbidez — Sensor amperométrico não afetado

Altos níveis de TSS afetaram negativamente o método DPD (espectrofotômetro), resultando em medições mais baixas. Para obter leituras DPD exatas, a amostra exigiu: (1) reação com o reagente, (2) filtração (5 mícrons) para remover o TSS e (3) medição. As medições DPD filtradas e não filtradas começaram a divergir a 200 ppm de TSS, indicando que água suja interfere nos espectros do método de medição DPD.

Em níveis menores de TRO no descarte — como a concentração máxima permitida de descarte (MADC) crítica de 0.1 ppm — a redução da exatidão do DPD é ainda mais significativa. O sensor amperométrico não é afetado por esses níveis de turbidez.

6. Mudanças na vazão não afetam a exatidão da medição

Outros sensores amperométricos são extremamente sensíveis a mudanças de vazão. O sensor da Halogen demonstrou independência da vazão. Durante este teste, a velocidade do fluxo variou de 0 para 1.93 m/s e para 3.73 m/s. A precisão do sensor foi verificada usando um espectrofotômetro de laboratório (Hach DPD) para medição de cloro total[HSI 06, 2020].

Tabela 3: Teste de vazão — Hach DPD vs. sensor Halogen

VazãoHach DPD (ppm)Sensor Halogen (ppm)Exatidão
0 GPM8.988.960%
0 GPM8.839.052%
120 GPM (3.73 m/s)9.499.06-4%
120 GPM (3.73 m/s)9.489.04-5%
120 GPM (3.73 m/s)9.028.94-1%
62 GPM (1.93 m/s)8.648.994%
62 GPM (1.93 m/s)9.068.89-2%
62 GPM (1.93 m/s)8.878.921%
0 GPM9.268.92-4%
0 GPM9.238.82-4%
120 GPM (3.73 m/s)8.98.77-1%
120 GPM (3.73 m/s)9.298.91-4%
120 GPM (3.73 m/s)9.048.77-3%
62 GPM (1.93 m/s)8.98.8-1%
62 GPM (1.93 m/s)9.028.91-1%
62 GPM (1.93 m/s)8.788.841%
0 GPM8.618.782%
0 GPM9.058.75-3%
120 GPM (3.73 m/s)8.778.7-1%
120 GPM (3.73 m/s)8.828.63-2%
120 GPM (3.73 m/s)9.148.61-6%
62 GPM (1.93 m/s)8.968.67-3%
62 GPM (1.93 m/s)8.718.710%
62 GPM (1.93 m/s)9.078.55-6%
0 GPM8.88.63-2%
0 GPM8.778.48-3%

A partir desses dados, fica claro que as condições de vazão têm um efeito desprezível sobre a exatidão do sensor entre velocidades de escoamento de 0 e 3.73 m/s.

7. Baixo custo operacional

Não são necessários reagentes químicos nem membranas, resultando em menor custo de operação e de mão de obra de manutenção pela tripulação do navio. Só é necessário substituir o kit de peças de desgaste a cada dois anos. Segundo a KRS, os instrumentos DPD também exigem operações adicionais de manutenção[KRS].

Tabela 4: Comparação de custos — DPI amperométrico vs. DPD

ServiçoDPI amperométricoDPD
ReagentesNenhumA cada 30–60 dias de operação
Peças de desgaste24 mesesN/A
Custo anual$120 USD~$600 USD
AnualN/ARevisão da bomba (corrosão química/por água do mar)
MensalN/AVerifique e limpe o filtro em T
TrimestralN/AVerifique e limpe a válvula e a tubulação da bomba
SemestralmenteN/ALimpeza da válvula solenoide de duas vias

8. Longo intervalo entre ciclos de manutenção

Seguindo a metodologia ISO 15839 para um “teste de campo”, os sensores Halogen operaram 24 horas por dia, por um total de 33 ciclos ao longo de 80 dias, sem exigir manutenção ou calibração. Isso corresponde a 66 semanas ou 1.2 anos de operação a bordo e mais de 792 horas de operação efetiva do sensor[HSI 04, 2020].

Tabela 5: Premissas do teste de campo — Período típico de manutenção de BWMS

ParâmetroValor
Viagem típica14 dias
Tempo de lastramento por viagem10 horas
Tempo de lastramento por mês21.4 horas
Intervalo de verificação da calibração60 dias
Operação do sensor em 60 dias42.9 horas

Durante uma viagem típica de duas semanas, ocorre um ciclo de lastro/deslastro no qual os sensores funcionam por aproximadamente 8 horas e permanecem desligados pelo restante da viagem. O sensor teria sido recalibrado se, em qualquer momento, tivesse se desviado da leitura DPD em 15% ou mais. Nenhuma recalibração foi necessária durante todo o período de teste.

9. Custo de instalação

Os custos de instalação do sensor Halogen são muito menores que os dos instrumentos DPD, pois não há linhas de amostra, linhas de descarte, válvulas remotas, condicionamento de amostras nem bombas. A economia estimada é superior a $2.200 por instrumento.

Tabela 6: Comparação de custos de instalação

ItemInstrumento DPDSensor amperométrico
Bomba$909$0
Válvulas$1,763$0
Instalação das tubulações de água (a bordo)(incl.)$0
Montagem em skid(incl.)$0
Condicionamento e filtração da amostra(incl.)$0
Válvula e removedor para inserção sob pressãoN/A$450
Custo total adicional de instalação$2.672 estimados$450 estimados

* Dados de clientes

10. Facilidade de manutenção

A válvula Halogen Hot Tap permite montagem fácil do sensor em uma tubulação de lastro e pode ser equipada com uma ferramenta de remoção para fixação permanente ou manutenção intermitente. O processo de quatro etapas inclui: (1) fechar a válvula, (2) retrair o sensor pelo ponto de remoção, (3) deslizar o sensor para fora da placa do removedor e (4) desconectar as abraçadeiras tipo sela da caixa de junção para substituição rápida.

11. Modelos para áreas classificadas e não classificadas

Há quatro modelos de sensores disponíveis. Estão disponíveis modelos para áreas classificadas (Zona 1, Grupo IIC) e não classificadas, com três opções de montagem: na tubulação (inserção sob pressão), em fluxo lateral e em convés aberto.

plumbing

Na tubulação (inserção sob pressão)

Instalação direta na tubulação de lastro por válvula de tomada sob pressão. Menor espaço ocupado, resposta mais rápida.

water

Fluxo lateral

Não exige regulação de pressão ou vazão. Pode usar o diferencial de pressão para circular água pela câmara.

deck

Convés aberto

Todos os modelos podem ser instalados em convés aberto em embarcações nas quais a instalação abaixo do convés é impraticável.

O tamanho menor do sensor e sua remoção rápida o tornam adequado para transporte como sobressalente a bordo, reduzindo o possível tempo de parada. O sensor é facilmente separado da caixa de junção para substituição ou manutenção rápida.

12. Autolimpeza

O sensor é coberto por sete patentes dos EUA e cinco patentes estrangeiras. A bomba integrada aumenta a velocidade sobre as superfícies dos eletrodos do sensor e aumenta o sinal, elevando assim a relação sinal-ruído (S:N). Esse recurso também permite a limpeza constante dos eletrodos.

As esferas de limpeza ficam retidas em uma cavidade dentro do sensor; o fluxo as movimenta para promover abrasão nos eletrodos. Essa bomba é acionada por um motor com vida útil de 20.000 horas. Além do TRO, o sensor mede salinidade, temperatura, ORP e pH. Três desses parâmetros são usados para compensar mudanças no sinal em água doce e salobra.

13. Sensor de salinidade integrado

Todos os sensores vêm com um sensor de salinidade integrado. Isso pode reduzir a necessidade de outro instrumento (economia superior a $3.000). Essa função permite compensar o sensor em portos de água doce.

14. Conclusão

“Os sensores amperométricos não são comumente usados em BWMS, mas oferecem algumas vantagens potenciais em relação a outros instrumentos. Os sensores amperométricos não usam reagentes e, se aplicados a BWMS, permitiriam a imersão direta do sensor em uma entrada de amostragem, eliminando a necessidade de bombas de amostragem e reagentes associados aos analisadores DPD on-line.”

— Tamburri et al., Water Science and Technology, 2014[Tamburri, 2014]

Desenvolvido especificamente para aplicações do tipo BWMS, o sensor amperométrico da Halogen é uma combinação exclusiva de tecnologias que atende às aplicações de água de lastro de forma econômica, eliminando alguns possíveis problemas de conformidade.

Referências

Alliance for Coastal Technologies HF. (2020). Declaração de verificação de desempenho do monitor SSR-Ex de oxidante residual total (TRO) e cloro. Baltimore, MD: Alliance for Coastal Technologies. http://www.act-us.info/evaluations.php
Alliance for Coastal Technologies HSI. (2020). Declaração de verificação de desempenho do sensor SWN-P de oxidante residual total (TRO): Halogen Systems. Baltimore, MD: Alliance for Coastal Technologies. http://www.act-us.info/evaluations.php
Alliance for Coastal Technologies Xylem. (2020). Declaração de verificação de desempenho do analisador de oxidante residual total (TRO) Modelo 9017: OI Analytical/Xylem. Baltimore, MD: Alliance for Coastal Technologies. http://www.act-us.info/evaluations.php
DoD. (2020, July 07). SBIR-STTR-Success: Halogen Systems, Inc. Obtido em sbir.gov. https://www.sbir.gov/success/sbir-sttr-success-halogen-systems-inc
EPA. (2010, setembro). Protocolo genérico para verificação de tecnologia de água de lastro. Obtido da Guarda Costeira dos Estados Unidos. https://www.dco.uscg.mil/Portals/9/ETV%20EPA%20Report.pdf?ver=2018-05-22-081043-607
Hach. (10014). Método 10014. Cloro total USEPA 2 a 500 µg/L Cl₂.
HSI 03. (2020). Desempenho do sensor amperométrico em relação à turbidez. Documento técnico 03.
HSI 04. (2020). Teste de campo Halogen ISO 15839. Documento técnico 04.
HSI 06. (2020). Relatório de teste de vazão do sensor amperométrico. Documento técnico 06.
HSI ISO15839. (2020). Relatório final ISO 15839 — Sensor Halogen. Incline Village.
ISO 2.1. (2003). Qualidade da água — Sensores/equipamentos de análise on-line para água — Especificações. Genebra, Suíça: Organização Internacional de Normalização.
Korean Register of Shipping (KRS). (s.d.). Informações técnicas sobre BWMS para armadores e inspetores (traduzido). Busan, República da Coreia.
Tamburri, Z.-F. A. (2014). Avaliação de abordagens para quantificar oxidantes residuais totais em sistemas de gestão de água de lastro que empregam oxidantes. Water Science and Technology, 1585–1593.

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