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Jul 22, 2023

Una descripción general de la medición del flujo de gas

Muchas aplicaciones requieren una medición precisa del caudal de aire u otros gases. Los requisitos de instalación, calibración y mantenimiento se encuentran entre los factores que se deben considerar al seleccionar un

Muchas aplicaciones requieren una medición precisa del caudal de aire u otros gases. Los requisitos de instalación, calibración y mantenimiento se encuentran entre los factores que se deben considerar al seleccionar una tecnología de medición de flujo.

Por Art Womack, FCI

La medición del aire y otros gases en plantas de fabricación de las industrias de procesos químicos (CPI) es esencial en muchas aplicaciones funcionales, incluida la seguridad, el control de procesos, la calidad del producto, la eficiencia de la producción, el cumplimiento ambiental y los costos. Cuando la medición del aire u otros gases es imprecisa o inconsistente, algunos resultados potenciales incluyen accidentes graves, paradas de emergencia, mantenimiento no planificado, ralentizaciones de la producción o sobrecostos.

Existen entre seis y ocho tecnologías viables de medición de flujo para gases disponibles en la actualidad, pero solo alrededor de la mitad de ellas son adecuadas para las aplicaciones de medición de servicio pesado que se encuentran en las operaciones de CPI más desafiantes. Cada tecnología tiene sus propias fortalezas y debilidades, dependiendo exactamente de qué material se debe medir, la precisión requerida, dónde se debe medir, etc.

La perogrullada “el conocimiento es poder” definitivamente se aplica cuando se trata de elegir un medidor de flujo para tareas de medición de gas en plantas CPI. La misma tecnología de detección de flujo que se elige para una aplicación en una planta es muy posible que sea la elección incorrecta en una aplicación diferente, incluso una que esté muy cerca dentro de una instalación.

El costo de elegir el caudalímetro incorrecto (en términos de mantenimiento adicional, reparaciones y repuestos en grandes plantas de CPI) puede ascender rápidamente a decenas de miles de dólares. Si ocurren eventos de seguridad, mala calidad del producto, una desaceleración de la producción o problemas de cumplimiento ambiental, entonces el costo de no reconocer las diferencias sutiles en las tecnologías de medición del flujo de aire y otras tecnologías de medición del flujo de gas puede ser punitivo.

Los caudalímetros se utilizan para medir el caudal de aire u otros gases, así como el caudal totalizado. Debido a los entornos operativos peligrosos que pueden encontrarse en las plantas CPI, los medidores de flujo de gas generalmente requieren aprobaciones para áreas peligrosas (por ejemplo, HazEx) y, a menudo, deben cumplir con el estándar IEC 61508/61511 (SIL) como parte de un sistema instrumentado de seguridad. (SIS) en muchas aplicaciones. En las siguientes secciones se describen cuatro de las aplicaciones de medición de flujo de gas más comunes y exigentes en plantas químicas.

FIGURA 1. La medición de la distribución de gas requiere una medición precisa del flujo porque diversas aplicaciones pueden requerir diferentes volúmenes de gas

FIGURA 1. La medición de la distribución de gas requiere una medición precisa del flujo porque diversas aplicaciones pueden requerir diferentes volúmenes de gas

Medición de distribución de gas. Muchos procesos químicos requieren grandes volúmenes variables de gases específicos, como nitrógeno, argón y oxígeno para iones inertes o purgas o inertes. Puede ser necesario hidrógeno como catalizador y también se utilizan otros gases específicos (Figura 1). La medición precisa de estos gases es necesaria para el control de procesos, el control del inventario de gases y la gestión de costos.

FIGURA 2. La medición de los gases de combustión es crucial para garantizar que los sistemas funcionen de forma segura y confiable

FIGURA 2. La medición de los gases de combustión es crucial para garantizar que los sistemas funcionen de forma segura y confiable

Sistemas de quema. En la producción, refinación y almacenamiento de petroquímicos, los sistemas de gas de antorcha se utilizan para quemar y eliminar residuos, excesos o gases de escape y como sistema de seguridad (Figura 2). La medición precisa, receptiva y confiable del gas de quema es esencial para garantizar el funcionamiento adecuado del sistema de gas de quema, que protege a las personas y los equipos de gases combustibles peligrosos para mantener un ambiente de trabajo seguro y evitar la contaminación ambiental.

FIGURA 3. La inertización de tanques implica llenar el espacio inerte de un tanque o recipiente con un gas inerte (normalmente nitrógeno) para reducir los riesgos de incendio.

FIGURA 3. La inertización de tanques implica llenar el espacio inerte de un tanque o recipiente con un gas inerte (normalmente nitrógeno) para reducir los riesgos de incendio.

Cobertura de tanques. La cobertura de nitrógeno se utiliza en las industrias química y de refinación de petróleo para reducir los peligros asociados con los líquidos inflamables, lo que ayuda a respaldar la seguridad de la planta y también puede aumentar la productividad. El recubrimiento o acolchado es el proceso de aplicar gas nitrógeno inerte al espacio de vapor de un tanque o recipiente (Figura 3), lo que minimiza la posibilidad de una explosión o incendio al reducir el contenido de oxígeno o la concentración de vapores inflamables o explosivos.

FIGURA 4. Los sistemas de chimenea de gas generalmente involucran una unidad depuradora donde los gases se monitorean mediante varios sensores de flujo colocados en ubicaciones específicas de la unidad.

FIGURA 4. Los sistemas de chimenea de gas generalmente involucran una unidad depuradora donde los gases se monitorean mediante varios sensores de flujo colocados en ubicaciones específicas de la unidad.

Monitoreo de gases de chimenea. Medir la producción de gases residuales de las plantas a través de grandes chimeneas con sistemas depuradores requiere múltiples sensores de flujo, que se colocan en ubicaciones estratégicas (Figura 4). Estos sistemas de chimenea de gas son fundamentales para garantizar el cumplimiento medioambiental. Los sistemas de monitoreo continuo de emisiones (CEMS) de chimenea deben cumplir con varios estándares, incluidos: Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) 10 CFR 40 y 40 CFR 98; Directivas de la UE 2003/87/CE y 2007/589/CE; US MMR 30 CFR Parte 250, Subparte K, Sección 250; y otros.

Las aplicaciones que exigen una medición precisa y confiable del flujo de gas presentan desafíos para los ingenieros de procesos e instrumentos. Las siguientes secciones describen consideraciones específicas que requieren atención cuidadosa al elegir una tecnología de medición o detección de flujo.

Caudales bajos y altos. Se requiere sensibilidad a las condiciones de bajo flujo para identificar y medir las válvulas con fugas y el funcionamiento normal de bajo flujo asociado con las operaciones diarias. La capacidad de medir flujos muy altos es necesaria durante condiciones de alteración del sistema, lo que requiere un medidor que mida el flujo con precisión en un rango de regulación extremadamente amplio.

Calibración del medidor.Es esencial que los medidores de flujo se calibren específicamente para gases con composición de hidrocarburos y para que coincidan con las condiciones reales del proceso.

Tamaños de línea grandes. A medida que aumentan los tamaños de las tuberías, disminuye el número de tecnologías de detección de caudalímetros eficaces y adecuadas. Se vuelve imperativo tener consideraciones especiales al seleccionar un medidor de flujo para líneas más grandes.

Disponible de tirada directa. Todas las tecnologías de caudalímetros basadas en la velocidad requieren una cierta cantidad de tubería recta tanto aguas arriba como aguas abajo del medidor para lograr una medición de flujo precisa. Es posible que estos requisitos directos no se puedan cumplir en sitios de producción y plantas de proceso abarrotados.

Acceso limitado. El acceso y el reacceso a las tuberías para su instalación, mantenimiento o reparación suelen ser difíciles. Por ejemplo, los medidores de flujo de carrete pueden requerir paradas prolongadas del proceso y grandes costos de mano de obra en el sitio para instalar y mantener continuamente el sistema, a diferencia de los medidores de estilo de inserción que pueden insertarse o retirarse fácilmente del proceso a través de una válvula de bola.

Aprobaciones de agencias. Al instalar medidores en ubicaciones peligrosas (Ex), todo el instrumento de medición de flujo debe contar con credenciales de aprobación de la agencia para instalación en entornos con gases potencialmente peligrosos. Tenga en cuenta que las clasificaciones de solo gabinete son inadecuadas.

Hay dos tipos básicos de caudalímetros: líquido y gas. El líquido se mide principalmente en términos de caudal volumétrico, mientras que el gas es una medida de flujo másico debido a las propiedades únicas de los gases en comparación con los líquidos. Si bien algunas tecnologías volumétricas pueden medir los caudales de gas, puede haber problemas con el flujo totalizado. Generalmente, la mejor opción es la tecnología de detección de flujo másico al medir aire u otros gases, especialmente en aplicaciones críticas.

Coriolis. El principio de funcionamiento de los caudalímetros Coriolis se basa en un tubo vibratorio donde el flujo de fluido provoca cambios de frecuencia, cambio de fase o amplitud, que es proporcional al caudal másico. Los medidores Coriolis son muy precisos y se utilizan con frecuencia en aplicaciones de transferencia de custodia, pero son caros y requieren aplicaciones en línea que requieren mucha mano de obra.

Presión diferencial. Los sensores y medidores de presión diferencial (DP) vienen en varios diseños, incluidas placas de orificio, tubos de Pitot y Venturis. Los diseños típicos de medidores DP requieren que el fluido se mueva a través o más allá de dos puntos de referencia, creando una tasa de presión diferencial que es equivalente a la tasa de flujo usando la ecuación de Bernoulli con algunas modificaciones. Si el gas está sucio, puede haber problemas de obstrucción del orificio que requieran un mantenimiento frecuente para mantener la precisión.

Ultrasónico. Los caudalímetros diseñados con tecnología de detección de flujo ultrasónica se basan en el ultrasonido y el efecto Doppler para medir el caudal volumétrico. En los caudalímetros ultrasónicos, un transductor emite un haz de ultrasonido a un transductor receptor. La frecuencia transmitida del haz se altera linealmente por partículas o burbujas en la corriente de fluido. El cambio de frecuencias entre el transmisor y el receptor se puede utilizar para generar una señal proporcional al caudal.

Óptico. Los caudalímetros diseñados con detección óptica se basan en tecnología láser y fotodetectores. Esta tecnología requiere la presencia de partículas en la corriente de gas. Estas partículas dispersan el rayo de luz y el tiempo que tardan estas partículas en viajar de un rayo láser a otro se puede utilizar para calcular la velocidad del gas y el caudal volumétrico. Estos medidores tienen buena precisión y una amplia reducción, pero tradicionalmente son caros.

Dispersión térmica. Los caudalímetros con sensores de dispersión térmica proporcionan una medición directa del flujo másico. En la corriente del proceso se colocan dos sensores detectores de temperatura de resistencia de platino (RTD) protegidos por termopozos. Un RTD se calienta mientras el otro detecta la temperatura real del proceso. La diferencia de temperatura entre estos sensores genera una salida de voltaje, que es proporcional al efecto de enfriamiento del medio. Esta información se puede utilizar para medir el caudal másico de gas sin necesidad de transmisores de presión o temperatura adicionales.

Para medir el flujo con precisión, después de seleccionar la técnica de detección de flujo adecuada, está el método de calibración. Hay dos métodos utilizados para calibrar medidores de flujo de gas, como se indica a continuación: El método directo, donde el medidor se calibra para un gas de proceso puro específico o para los componentes reales de un gas mezclado en uso.

El método de equivalencia de aire, donde el medidor se calibra usando aire y luego la calibración se ajusta con un factor de corrección predefinido.

Es importante consultar a su proveedor sobre el método de calibración del caudalímetro. Los usuarios deben saber si los fabricantes subcontratan la calibración y, de ser así, con quién, o si operan su propio laboratorio de calibración con bancos de prueba de calibración de método directo y equipos rastreables de acuerdo con los estándares NIST e ISO/IEC 17025.

Al elegir una tecnología de caudalímetro para aire u otros gases, uno de los criterios más importantes a considerar es la ubicación y los requisitos de instalación del fabricante. La mayoría de las tecnologías de medidores de flujo requieren un perfil de flujo de fluido estable aguas arriba y aguas abajo desde el punto de instalación del medidor; esto generalmente se define como equivalente a un número específico de diámetros de tubería de tramo recto en cada dirección. Los sensores de flujo son potencialmente sensibles a las condiciones de remolinos de aire o gas en la tubería, caídas de presión (reducciones) o aumentos repentinos de flujo. En muchos casos, los problemas de flujo irregular se pueden resolver con acondicionadores de flujo. Existen varios tipos de acondicionadores de flujo que se pueden insertar estratégicamente en la tubería para "enderezar" el flujo antes de que llegue al sensor de flujo. Pueden consistir en pestañas, panales, paletas u otros diseños, que sirven para enderezar el flujo. Algunos enderezadores, como los de tipo pestaña, en realidad aceleran la velocidad del flujo creando vórtices regulares para evitar cualquier pérdida de rendimiento del gas (caída de presión).

Los medidores de flujo en línea (derecha) y de inserción (izquierda) requieren diferentes consideraciones de instalación y es posible que se prefiera un método dependiendo de las necesidades específicas del proceso.

Los medidores de flujo en línea (derecha) y de inserción (izquierda) requieren diferentes consideraciones de instalación y es posible que se prefiera un método dependiendo de las necesidades específicas del proceso.

Hay dos formas de instalar un caudalímetro: en línea o de inserción. Los caudalímetros en línea deben instalarse horizontalmente dentro de una sección de la tubería. Los caudalímetros de inserción se montan en la parte superior a través de un punto de grifo.

Algunos caudalímetros solo se pueden instalar mediante un método. Los medidores Venturi, por ejemplo, deben instalarse en línea (dentro de la tubería). En comparación, los medidores térmicos, algunos medidores de DP (placas de orificio) y otros se pueden instalar en configuraciones en línea o de inserción.

Por último, al considerar los requisitos de instalación, algunas tecnologías de caudalímetros se basan en sensores directos de flujo másico. Otros medidores de flujo infieren el flujo másico y requieren que se instalen sensores de presión o temperatura cerca, junto con transmisores o transmisores multivariables, lo que puede aumentar su costo y complejidad de instalación.

Todos los caudalímetros requieren mantenimiento. Sin embargo, algunas tecnologías pueden requerir más mantenimiento que otras. El tipo de fluido a medir puede tener un impacto importante en las necesidades de mantenimiento. Los gases de proceso puros en un entorno de planta benigno generalmente tendrán menos impacto en un caudalímetro que los gases residuales sucios.

Algunos diseños de medidores requieren menos limpieza o son más fáciles de limpiar que otros. Por ejemplo, los medidores de inserción de montaje superior con prensaestopas pueden extraerse rápidamente de la tubería sin detener el proceso, limpiarse en el lugar con aire comprimido y luego volverse a poner en servicio.

Hay muchos factores a considerar al elegir un caudalímetro para aplicaciones CPI. Una lista de verificación exhaustiva de consideraciones incluiría lo siguiente:

Detener el análisis en el precio de compra es engañoso cuando se trata de revisar el costo real de la instrumentación; esto es especialmente cierto en el caso de los medidores de flujo. Las dos opciones discutidas anteriormente para la instalación de medidores de flujo (en línea e inserción) pueden generar grandes diferencias en lo que respecta a los costos. Los medidores de flujo instalados en una configuración de inserción son más simples de instalar, lo que generalmente resultará en un costo de instalación más bajo en comparación con un medidor de flujo que es menos costoso de comprar, aunque requiere una instalación en línea. El último factor a considerar es el costo del ciclo de vida. ¿Cuánto tiempo espera el fabricante que el caudalímetro permanezca en servicio? ¿Su vida útil es de 5, 10 o 20 años? Durante esa vida, ¿qué tipo de mantenimiento será necesario? Algunos medidores tienen piezas móviles que pueden romperse y requerir reparación. Algunos medidores dependen de pequeños orificios que tienden a estrecharse u obstruirse en ambientes sucios, requiriendo limpieza. Estos gastos pueden acumularse con el tiempo, lo que aumenta el costo de propiedad.

En conclusión, el conocimiento y la experiencia con caudalímetros es poder. Cuanto más sepan los ingenieros sobre las tecnologías de caudalímetros, más completo y eficaz será el proceso de selección.

Mujer de arte

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Art Womack es ingeniero senior de aplicaciones en Fluid Components International (FCI; 1755 La Costa Meadows Drive, San Marcos, CA, 92078; teléfono: 760-744-6950; correo electrónico: [email protected]). Tiene más de 20 años de experiencia. en el diseño, producción, aplicación, venta y comercialización de instrumentación de procesos de flujo, nivel, presión y temperatura. Tiene una licenciatura en ingeniería eléctrica del Instituto de Tecnología Rose-Hulman en Terre Haute, Indiana. Antes de trabajar en FCI, Womack ocupó cargos en SOR Controls Group y Dwyer Instruments.

Editado por Mary Page Bailey.