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INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL: MEDICIONES DE FLUJO EN REFINERÍAS

FLUJO

Muchos tipos de medidores de flujo QUE son utilizados en las refinerías para la medición de flujo. Son los siguientes

  • Tipo de restricción
  • Medidores Coriollis de flujo másico
  • Medidores térmicos de flujo másico
  • Caudalímetros electromagnéticos
  • Rotámetros
  • Caudalímetros Vortex
  • Caudalímetros ultrasónicos

Tipo restricción:

Considere un fluido desplazándose por un tubo de sección transversal de área a una velocidad constante de flujo. Si se inserta una restricción en la tubería, dado que el flujo es constante, el mismo número de moléculas deberá fluir a través de cualquier sección del tubo por unidad de tiempo. Por lo tanto, las moléculas pasan a través de la sección transversal a una velocidad más rápida que en la tubería sin restricciones de sección transversal. Con el fin de lograr este aumento de la velocidad del fluido, éste debe disminuir su contenido de energía a otra forma que se denomina presión estática. Por lo tanto, existe diferencia de presión estática entre estos dos puntos. Este es el principio detrás de medidor de flujo, es decir, una restricción se utiliza para desarrollar una presión diferencial. El punto en el que el área mínima de fluido coincide con el diámetro mínimo de la tubería se denomina vena contracta.

Los diversos dispositivos utilizados en la refinería para crear una presión diferencial son:

  • Placa Orificio
  • Venturimetro
  • Medidor de flujo de cuña
  • Tubo de Pitot
  • a) Placa orificio

    El dispositivo primario más utilizado es la placa de orificios que constituye la mayoría de los medidores de flujo. Hay diferentes tipos de placas de orificios como placa de orificios concéntricos (un disco circular que tiene una base circular concéntrica con una esquina afilada 90º en la cara de entrada), la placa de orificio excéntrico (un disco circular que tiene un orificio circular excéntrico con un ángulo agudo de 90º en la entrada de la cara) y placa de orificios segmentaria (disco circular con un orificio que es un segmento del círculo concéntrico y tiene un borde afilado a 90 º en la cara de entrada). El material de construcción de estas placas es de acero inoxidable. La de orificio concéntrico es ampliamente utilizada en los servicios. En los servicios donde el medio siguiente es pegajoso o en suspensión, la de orificio segmentaria es la preferida. La recuperación de la presión corriente abajo de la placa de orificios es de aproximadamente 75 a 80 por ciento.

    b) Tubo de Venturi o venturímetro

    El venturímetro es un instrumento de medición de volumen de flujo que consiste en un tubo convergente - divergente. Un venturimetro estándar tiene un ángulo de 30 grados incluido en la sección convergente y un ángulo de 7 grados en la sección divergente. La relación de diámetro de "garganta d" a "cañería d”  es igual a 2. Este dispositivo se utiliza principalmente en los servicios con contenido de lodo. La sección divergente permite una expansión suave del flujo de nuevo a la velocidad de flujo y por lo tanto la recuperación de presión es de aproximadamente 87% y por lo tanto es más adecuada en servicios donde las presiones son bajas.

    Cuando se compara con el medidor de orificio, este es voluminoso y costoso, pero la pérdida de presión es menor y también es susceptible a tener un  menor desgaste y rotura.

    En las refinerías existen únicamente un número muy inferior de venturímetros. Se utilizan generalmente en la medición de flujo de entrada del compresor.

    c) Medido de flujo en forma de cuña

    Un segmento en forma de cuña se inserta perpendicularmente en un lado de la tubería mientras que el otro permanece sin restricciones. El cambio en el área de la sección transversal de la trayectoria de flujo crea una caída de presión que se utiliza para calcular las velocidades de flujo.

    Dado que la parte inferior no tiene restricciones, este se utiliza en servicios con lodos.

    d) Tubo de Pitot

    El tubo de Pitot mide la velocidad del fluido mediante la conversión de la energía cinética del flujo en energía potencial. Esta indicación de velocidad en combinación con el área de la sección transversal del tubo proporciona una indicación de la velocidad de flujo.

    El tubo de Pitot promediador (Annubar) es similar al tubo de Pitot pero utiliza múltiples aberturas como se muestra en la figura para promediar la presión.

    La principal desventaja es que los materiales extraños pueden obstruir el tubo de Pitot. Este se utiliza en tuberías de gran tamaño con una extracción hacia fuera de promedio por la perforación de agujeros predeterminados a lo largo de la longitud de la tubería.

    En una refinería el Annubar se utiliza comúnmente en tuberías muy grandes para el agua de refrigeración y para los servicios de agua cruda. También se utilizan en los conductos de aire de gran tamaño utilizados para el aire de combustión a los calentadores.

    Caudalímetro másico de efecto Coriolis

    Hay varios tipos de medidores de flujo que responden a la masa del desplazamiento del fluido en lugar del volumen, área, o de la velocidad. Ejemplos de medidores de flujo másico son los medidores térmicos,  medidores masicos giroscópicos, medidores de momento angulares de masa, y caudalímetros másicos de efecto Coriolis.

    Los medidores másicos de efecto Coriolis pueden medir la densidad del fluido además del flujo de masa. Dado que el flujo de volumen es igual al flujo de masa dividida por la densidad, la electrónica asociada puede ser programada para dar salida en volumen. Así que estos medidores de flujo de masa también se pueden usar para medir el caudal de volumen, pero la precisión del caudal de volumen depende tanto de la precisión del caudal de la masa como la densidad.

    Entre el anclaje de entrada (A) y el punto de vibración (B), las partículas del fluido experimentan una aceleración creciente en ángulo recto con su movimiento y por lo tanto un aumento de la fuerza Coriolis. Entre el punto B y el punto de anclaje de salida (C) la fuerza de Coriolis disminuye puesto que la amplitud de vibración va desde un máximo en B a cero en C. Estas fuerzas son iguales y opuestas en dirección y establecen un par mecánico y hacen que el tubo en U se tuerza. La cantidad máxima de giro q es proporcional al flujo de masas dentro del tubo y es detectado por los transductores situados en los puntos de flexión máxima. El tubo se hace vibrar a su frecuencia natural usando dispositivos electromagnéticos. Los fabricantes de Coriollis utilizan diversos estándares propietarios para medir la magnitud de la distorsión y procesar las señales medidas y las convierten a información útil. En la práctica, para los tamaños de líneas más grandes, dos tubos en U en paralelo o en serie se hacen vibrar en oposición el uno al otro para neutralizar la vibración inducida en el sistema de tuberías.

    Una construcción típica se muestra a continuación:

    Además de medir la fuerza Coriolis, la mayoría de los medidores son capaces de utilizar la frecuencia de vibración del tubo (s) para medir la densidad. La densidad se relaciona con frecuencia, aunque no linealmente.

    Con el fin de compensar el efecto de la presión y la temperatura en el sensor, las compensaciones de presión y temperatura están provistas dentro de ciertos sensores mediante el uso de un RTD incorporado y un transmisor de presión externo.

    El diseño y la construcción del sensor de flujo de masa individual determinan la precisión, la sensibilidad y la repetibilidad de la medición. Estos medidores en general están calibrados de fábrica de acuerdo a normas de trazabilidad y cada sensor tendrá sus propios factores de calibración.

    La precisión de medición típica está entre 0,15% y 0,25% del régimen más un desplazamiento del punto cero, que también se denomina estabilidad del cero. El error de desviación del cero es debido a pequeños desplazamientos variables  tanto en el sensor como la electrónica. Debido al error de cero, la precisión se degrada cuando el flujo se aproxima a cero. Para obtener el mejor rendimiento de gama baja, los medidores de flujo Coriolis ofrecen la posibilidad de comprobar y ajustar el cero en las condiciones reales de funcionamiento de la línea.

    Estos medidores se pueden comprobar / verificar utilizando medidores maestros u otros métodos volumétricos / gravimétricos y la lectura se puede ajustar mediante el ajuste de un factor particular, generalmente llamado el factor del medidor.

    En la mayoría de los casos un transmisor separado está conectado al sensor, que alimenta el sensor y también convierte los datos de los sensores a salidas digitales o analógicas útiles. Las constantes de calibración, factores de medición y otros factores, que determinan el tipo de salida, están configuradas en este transmisor.

    Ventajas y desventajas:

    Ventajas

    • Un tubo transparente ofrece un medio fundamental para la medición de flujo de masa.
    • Sin componentes móviles y requiere menos mantenimiento.
    • Disponible en una gama de materiales resistentes a la corrosión.
    • Calibración independiente de la viscosidad y perfil de flujo.

    Desventajas

    • Precisión degradada a velocidades de flujo bajas debido a desplazamiento de cero.
    • Rendimiento se ve afectado por la presencia de bolsas de aire o gas.
    • La señal se dañará debido a condiciones de flujo slug flow (flujo en dos fases con burbujas) causadas por la presencia de fracciones huecas grandes y por lo tanto no es adecuado para un flujo de dos fases.
    • Sensible a la vibración
    • Alta caída de presión a pleno en algunos diseños.
    • Son voluminosos en algunos diseños.
    • Tamaño máximo es de sólo 150 mm
    • Extremadamente caro.

    En la refinería hay un gran número de medidores de flujo másico de diferentes procedencias (Micro Motion, Rheonik, Bopp & Reuther, Krohne Marshall) se utilizan en distintas unidades debido a su ventaja específica sobre otros medidores de volumen convencionales. Un gran número de ellos se utilizan en el área de carga de camiones para transferencia de custodia (venta) de productos, medidores de combustible líquido a los calentadores y muy pocos en las unidades de proceso (DHDS).

    Medidores de flujo másico térmico:

    En un comienzo unos pocos medidores de flujo másico térmico se utilizaban con el propósito de medición del caudal en sistemas de quema de gas, que se sustituyen ahora con instrumentos del tipo ultrasónico. El principio de medición de flujo de masa térmica se limita ahora a algunos interruptores de flujo utilizados en los calentadores de aire de combustión.

    La tecnología de dispersión térmica utiliza el principio de la medición de la pérdida de calor, o efecto de enfriamiento, de un fluido que fluye a través de un cilindro calentado. Una configuración típica de elemento de flujo utiliza dos RTDs, enfundados en vainas, separadas por un espacio. El calor se aplica internamente a un RTD en relación con el otro, creando un diferencial de temperatura entre los dos. Esta diferencia de temperatura es mayor en condiciones de flujo nulo y disminuye a medida que aumenta el flujo, enfriando el RTD calentado.

    Los cambios en la velocidad de flujo o inmersión del elemento de flujo en un líquido afectan directamente la medida en que el calor se disipa y, a su vez, la magnitud de la diferencia de temperatura entre los RTD. Esta diferencia se convierte electrónicamente en una señal eléctrica que se puede utilizar para activar un relé.

    Dado que la relación entre la velocidad de flujo y el efecto de enfriamiento está directamente relacionado con la masa en aplicaciones de gas, la tecnología de dispersión térmica, en combinación con circuitos de señales avanzados de linealización, se utiliza para proporcionar una medición altamente repetible y precisa de los flujo de masa de gas o de aire.

    Medidor de flujo electromagnético

    Los medidores electromagnéticos de flujo miden el caudal volumétrico de líquidos eléctricamente conductivos y lodos. Un conductor eléctrico que en este caso es el medio conductor de la electricidad, pasa a través de un campo magnético.

    La tensión U inducida en este medio es directamente proporcional a la velocidad de flujo media v.

    La señal de tensión inducida es recogida ya sea por dos electrodos de medición en contacto conductivo con el medio o indirectamente por acoplamiento capacitivo.

    Un convertidor de señal amplifica la señal y la convierte en una señal analógica estándar (por ejemplo, 4 a 20 mA) y una señal de frecuencia (por ejemplo, 1 pulso por cada galón o metro cúbico de medio que fluya a través del tubo de medición).

    Para garantizar que la tensión no es cortocircuitada por la pared del tubo, el tubo de medición está hecho de un material eléctricamente aislante o provisto de un revestimiento aislante.

    La medición es en gran medida independiente del perfil del flujo y otras propiedades del medio, tales como presión, temperatura, viscosidad, densidad, consistencia, conductividad eléctrica, y la contaminación del electrodo.

    El caudalímetro electromagnético se compone de un cabezal primario que está instalado en la tubería, y un convertidor de señal. El diseño compacto tiene un convertidor de señal montado directamente en el cabezal primario.

    Rotámetro

    Los rotámetros son el tipo más ampliamente utilizado de medidores de caudal de área variable (VA). En estos dispositivos, la acción de caída y levantamiento de un flotador en un tubo cónico proporciona una medida de la velocidad de flujo (véase la figura). Los rotámetros son conocidos como medidores de flujo de tipo por gravedad debido a que se basan en la oposición entre la fuerza de gravedad hacia abajo y la fuerza hacia arriba del fluido que fluye. Cuando el caudal es constante, el flotador permanece en una posición que puede estar relacionada con la velocidad de flujo volumétrico. Esa posición se indica en una escala graduada. Tenga en cuenta que para mantener la fuerza de la gravedad en efecto, este acto de equilibrio dinámico requiere un tubo de medición en posición vertical.

    Figura: - El principio de funcionamiento del rotámetro se basa en un flotador de densidad dada que establece una posición de equilibrio donde, con un caudal dado, la fuerza ascendente del fluido que fluye hacia arriba se iguala a la fuerza de gravedad hacia abajo. Esto se hace, por ejemplo, por elevación en el tubo cónico con un aumento en el flujo hasta que el incremento del área anular alrededor del mismo crea una nueva posición de equilibrio. Por diseño, el rotámetro opera de acuerdo con la fórmula para todos los medidores de área variable, directamente en relación con el régimen de flujo de área para el flujo.

    El término rotámetro deriva de las primeras versiones de flotantes, que tenían ranuras para ayudar a estabilizar y centrar los mismos, y que les hacía girar. Los flotadores de hoy toman una variedad de formas, incluyendo una configuración esférica utilizada principalmente en medidores de purga. Los materiales de construcción incluyen acero inoxidable, vidrio, metal, y plástico.

    El aumento gradual del diámetro del tubo cónico proporciona un aumento relativo en el área anular alrededor del flotador, y está diseñado de acuerdo con la ecuación básica para la velocidad de flujo volumétrico:

    donde:

    Q = Tasa de flujo volumétrico, por ejemplo, galones por minuto
    k = Una constante
    A = Área anular entre el flotador y la pared del tubo
    g = Fuerza de gravedad
    h = Caída de presión (cabeza) a través del flotador

    Con H siendo una constante en un medidor VA, se tiene que A es una función directa del caudal Q. Por lo tanto, el diseñador del rotámetro puede determinar la forma cónica del tubo de modo que la altura del flotador en el tubo sea una medida de la velocidad de flujo.

    Estos tipos de medidores se usan generalmente de poco tamaño y en aplicaciones de flujo bajo y donde solo se requiere una indicación local. (En ciertos casos, mediante el acoplamiento magnético y la electrónica adecuada, una salida de 4-20 mA para indicación remota también se toma).

    Medidor de flujo Vortex:

    El caudalímetro de vórtice o vortex se emplea para medir la velocidad de flujo de gases y líquidos que fluyen en las tuberías llenas. El principio de medición se basa en el desarrollo de una calle de vórtices de von Kárman en la estela de un cuerpo construido en la tubería donde Re> 20.000.

    El desprendimiento periódico de los remolinos se produce primero de un lado y luego desde el otro lado de un cuerpo de obstrucción (cuerpo de desprendimiento de vórtice) instalado en sentido perpendicular al eje del tubo. El desprendimiento de vórtices genera una así denominada " calle de vórtices de von Kárman " con condiciones de presión alternada cuya frecuencia es proporcional a la velocidad de flujo. El número no dimensional S de Strouhal  (cabeza primaria constante) describe la relación entre la frecuencia F de emisión de vórtices, con la anchura b del cuerpo, y la velocidad promedio del flujo v. Estas presiones alternas se miden usando sensores piezoeléctricos, que dan la señal de corriente al convertidor de señal.

    F = S * v / b

    Medidores ultrasónicos de flujo:

    a) Medidor de flujo Milltronics OCM III:

    El Siemens OCM III es un monitor de caudal ultrasónico de alta precisión para canales abiertos. Además de la frecuencia de monitoreo de flujo en las obras de alcantarillado, el OCM III puede controlar vertidos industriales, estudios de agua de lluvia / tormenta y estudios de flujo de entrada / infiltración y evaluaciones de alcantarillado. Además de ser compatible con muchas presas y canales estándares, la cabeza programable versus la curva de flujo (hasta 16 puntos) define con precisión el caudal en vertederos y canales únicos o no estándar.

    El OCM III tiene una vía doble de comunicación a través de RS-232 con un módem o un lazo de corriente bipolar con un convertidor de comunicación de corriente a voltaje. Los registros de datos pueden ser descargados a un archivo que puede ser manipulado en una hoja de cálculo o en formato ASCII.

    El caudalímetro Milltronics OCM III  de canal abierto es un instrumento ultrasónico para medir el flujo en salida en enchufe tipo C. Como un sistema que se utiliza en conjunción con un transductor de distancia ultrasónico y un sensor de temperatura. El OCM III transmite una señal de impulso al transductor, que a continuación se emite en forma de impulsos ultrasónicos. Los pulsos hacen eco en la superficie del agua, que luego son detectados por el transductor. El tiempo para que un pulso de eco de vuelta desde la superficie del agua es compensado por temperatura y se convierte en una medida de la altura de cabeza. El OCM III convierte la medida de la altura en caudal. La velocidad de flujo es totalizada y almacenada en un registro de datos para proporcionar análisis de flujo. Un programador de infrarrojos se utiliza para comunicar con el transductor OCM III.

    b) Caudalímetro másico Panametrics para quemadores

    El caudal en sistemas de quemadores se caracteriza por un flujo inestable, presión pulsante, composición variable, variando la temperatura en grandes rangos de flujo y, a veces bi-direccional

    Los medidores másicos de flujo digitales GF868 se han instalado en las líneas de gas de quemadores que miden el ritmo de flujo de masa mediante el uso de un algoritmo patentado para determinar el peso molecular medio instantáneo del gas que se quema y el gas de caudal de quemador se mide usando la técnica de correlación de tiempo de tránsito patentada .

    Principio de medición

    Se utilizan dos transductores ultrasónicos situados en el flujo de gas, cada uno de los cuales es capaz de enviar y recibir impulsos ultrasónicos. Los circuitos electrónicos miden el tiempo que tarda un pulso ultrasónico para viajar de un transductor al otro. Un pulso que viaja en la dirección del flujo llega al transductor opuesto en un período de tiempo más corto que un impulso que viaja en contra de la corriente. De la diferencia de tiempo, el GF868 calcula la velocidad del flujo de gas en el punto de instalación del transductor en el sistema de quemador. Una vez que la velocidad del sonido del gas ha sido determinada por el GF868, su ordenador interno utiliza las entradas de temperatura y presión  en conjunto con la velocidad del sonido para el cálculo instantáneo del peso molecular medio y la tasa de flujo másico del gas. Por lo tanto un transmisor de presión y un  transmisor de temperatura también se proporcionan en la línea, cerca de la ubicación del transductor y sus salidas están conectadas al sistema de GF868.

    Los grupos de mediciones de tiempo se repiten rápidamente. Las medidas se promedian para dar una lectura de salida estable y pareja del medidor.

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