Cómo usar un regulador para reducir el tiempo de retardo en un sistema de instrumentación analítica

Cómo usar un regulador para reducir el tiempo de retardo en un sistema analítico

Mike Strobel, supervisor de ingeniería de campo

Las mediciones del proceso son instantáneas, pero las respuestas del analizador nunca lo son. Desde el grifo hasta el analizador, siempre hay un retraso de tiempo. Desafortunadamente, este retraso a menudo se subestima o se malinterpreta.

En los sistemas de muestreo analítico, el tiempo de retardo se define como la cantidad de tiempo que tarda una nueva muestra en llegar al analizador. Un artículo de blog separado explica cómo funciona el retraso de tiempo y consejos para minimizarlo a un alto nivel, pero en este artículo, nos centraremos en cómo controlar el retraso de tiempo con un regulador de presión. Los reguladores controlan la presión, y la presión en un sistema analítico está estrechamente relacionada con el tiempo. En el caso de sistemas de gas con caudal controlado, cuanto menor sea la presión, menor será el tiempo de retardo.

La demora de tiempo puede ocurrir en cualquiera de las partes principales de un sistema de instrumentación analítica, incluida la línea de proceso, la toma y la sonda, la estación de campo, la línea de transporte, el sistema de acondicionamiento de muestras, el sistema de cambio de flujo y el analizador. El siguiente diagrama es un ejemplo de un sistema de muestreo de analizador de proceso típico.

El tiempo de retardo es acumulativo. Consiste en la cantidad total de tiempo que le toma al fluido viajar desde el proceso que se está monitoreando hasta el analizador. Puede obtener más información sobre cómo medir el retraso de tiempo aquí. Por ahora, nos centraremos en la estación de campo y en el importante papel que juega un regulador para reducir el retraso de tiempo allí.

Antes de la estación de campo

La minimización de la demora de tiempo comienza con la ubicación del grifo. Lo mejor es ubicar el grifo lo más cerca posible del analizador de procesos, pero también aguas arriba de las fuentes de retardo de tiempo del proceso, como tambores, tanques, tramos muertos, líneas estancadas y equipos redundantes u obsoletos.

Al tomar muestras de un líquido, la presión en el grifo debe ser suficiente para entregar la muestra a través de las líneas de transporte o el circuito rápido sin una bomba, un componente costoso que introduce variables de rendimiento adicionales.

En muchos casos, es posible que no pueda dictar la ubicación del grifo. Es posible que tenga que conformarse con una ubicación de grifo existente y, a menudo, también con una ubicación de cobertizo de analizador existente. Si el grifo se encuentra a una gran distancia del analizador, se recomienda un circuito rápido como medio para suministrar líquido rápidamente al analizador y devolver la parte no utilizada al proceso.

En la mayoría de los sistemas de instrumentación analítica, otra fuente de retardo de tiempo es la sonda. Cuanto mayor sea el volumen de la sonda, mayor será el retraso. El volumen se verá afectado tanto por la longitud como por el ancho de la sonda. Cuando intente minimizar el retraso de tiempo, elija una sonda de bajo volumen.

En la estación de campo

En los casos en que el analizador de procesos requiera una muestra líquida, no se utiliza un regulador en la estación de campo. Es mejor mantener los líquidos a alta presión para evitar la formación de burbujas. En el caso de una muestra de gas, se utiliza una estación de campo como medio para reducir la presión en las líneas de transporte.

El retardo de tiempo disminuye en proporción directa a la presión absoluta. A la mitad de la presión, obtendrá la mitad del tiempo de retraso. La estación de campo está ubicada lo más cerca posible del grifo. Cuanto antes se baje la presión, mejor. Veamos tres posibles aplicaciones para un regulador en una estación de campo. Con cada uno, el regulador está configurado de manera algo diferente.

Aplicación de regulador n.º 1

En la primera aplicación, el objetivo es reducir la presión del gas. No se espera que la caída de presión produzca condensación. Por lo tanto, se puede usar un regulador reductor de presión simple. Un regulador reductor de presión mantiene la presión constante en la salida. Un elemento sensor, normalmente un diafragma o un pistón, se mueve en respuesta a la presión aguas abajo, lo que permite que el elemento de control, generalmente una válvula de retención en forma de cono, cambie el área de flujo del orificio a través del cual pasa el gas. A medida que el elemento sensor se empuja hacia arriba en respuesta a una presión más alta, el elemento de control se acerca al asiento del regulador y el área del orificio se vuelve más pequeña. A medida que el elemento sensor se mueve hacia abajo con una presión más baja, el orificio se vuelve más grande. En la mayoría de los reguladores analíticos, una manija en el regulador le permite al operador establecer la presión de salida comprimiendo o relajando un resorte fijo que impulsa los movimientos del elemento sensor contra la presión de salida.

Un diafragma de metal es ideal en aplicaciones donde la presión de entrada no varía mucho o donde la compatibilidad química es importante. Sin embargo, en aplicaciones donde la presión puede ser inconsistente o tener picos, un regulador tipo pistón puede ser más apropiado.

Aplicación de regulador n.º 2

En nuestra segunda aplicación de regulador, se espera que la caída de presión provoque condensación. Con una caída de presión, casi todos los gases pierden energía, lo que se conoce como efecto Joule-Thomson, lo que resulta en un enfriamiento. Si el gas está cerca de su punto de rocío, este enfriamiento podría causar condensación. En algunos casos, la pérdida de calor puede ser lo suficientemente grande como para causar la condensación, lo que podría congelar el regulador. Debido al efecto Joule-Thomson, es posible que se requiera un regulador calentado para mantener la temperatura del gas por encima del punto de rocío. Un regulador calentado es un regulador reductor de presión en el que el fluido del sistema fluye sobre un elemento calentado. Se requiere un cartucho calentador.

Puede calcular la cantidad de energía (o potencia) requerida del cartucho del calentador para poder especificar uno en el rango de potencia correcto. Cada gas tiene un coeficiente de Joule-Thomson, que se inserta en una fórmula junto con la caída de presión y el caudal para producir la cantidad de vatios necesarios.

Aplicación de regulador n.º 3

En nuestra tercera aplicación de regulador, un líquido debe convertirse en gas antes de que pueda ser analizado por un cromatógrafo de gases u otro analizador. En este caso, se utiliza un regulador de vaporización. Los reguladores de vaporización pueden ser difíciles de seleccionar, pero pueden ser un medio confiable para preparar una muestra líquida si se instalan y dimensionan correctamente. El objetivo de un regulador de vaporización es convertir instantáneamente toda la muestra en un gas para garantizar que la muestra vaporizada sea representativa del proceso líquido.

Con los reguladores de vaporización, se debe prestar mucha atención a la temperatura y al caudal de vapor. Si el flujo es demasiado grande, la muestra solo se vaporizará parcialmente y los líquidos fluirán a través del regulador hacia el analizador. Si la temperatura del vaporizador es demasiado alta, la muestra líquida aguas arriba se vaporizará. Puede obtener más información sobre la gestión de la vaporización en los sistemas de muestreo aquí.

Finalmente, asegúrese de configurar su regulador de vaporización correctamente para evitar crear un retraso de tiempo considerable. A medida que el fluido cambia de líquido a gas, el volumen aumentará drásticamente. La cantidad de aumento dependerá del peso molecular del líquido. Por lo general, el flujo de vapor medido después del regulador será>300 veces el flujo de líquido antes del regulador de vaporización.

Por ejemplo, con un flujo de vapor de 600 cm ³ /min., el flujo de líquido puede ser inferior a 2 cm ³ /min. En este caso, el líquido tardará 25 minutos en recorrer 3 metros (aproximadamente 10 pies) de tubería de 6 mm (1/4 pulg.). Para reducir este tiempo, debemos reducir el volumen de la tubería que precede al regulador. Por ejemplo, con solo 30,5 cm (1 pie) de tubería de 3,2 mm (1/8 pulg.), el líquido tardaría solo 30 segundos en llegar al regulador. A este tiempo, sin embargo, hay que sumarle el tiempo de retardo en la sonda. Cuanto más estrecha sea la sonda, más rápida será la respuesta.

Otro medio de lograr una respuesta más rápida es acercar el vaporizador al analizador con la ayuda de un circuito rápido de líquido. En el siguiente diagrama, el regulador está ubicado después del filtro de circuito rápido con un segundo circuito de derivación lento de líquido que garantiza que el buen flujo de líquido continúe hasta el regulador de vaporización. El objetivo es minimizar el volumen de líquido de movimiento lento que va a un regulador de vaporización.

Tome las decisiones correctas sobre el regulador para disminuir la demora

Un regulador es una herramienta fundamental para abordar el retraso de tiempo en un sistema analítico. Cuanto menor sea la presión en un sistema de gas, más rápido será el tiempo de respuesta. En general, cuanto antes se pueda bajar la presión en un sistema de gas, mejor. En los casos en que se esté vaporizando un líquido, considere un circuito rápido de líquido para mantener el líquido moviéndose hasta el regulador de vaporización. La estación de campo es un lugar en un sistema de instrumentación analítica complejo donde el retraso de tiempo se puede reducir significativamente, pero el enfoque del retraso de tiempo siempre debe ser integral. Para reducir el retraso de tiempo, todas las posibles causas de retraso en el sistema deben ser analizadas.

Si tiene problemas con el retraso de tiempo en sus sistemas analíticos, más allá de seguir los consejos anteriores sobre la selección de reguladores, hay varios otros lugares a los que puede acudir para obtener ayuda. Ofrecemos varios cursos de capacitación en sistemas de muestreo impartidos por expertos en muestreo, ofrecemos subsistemas analíticos prediseñados diseñados de acuerdo con las mejores prácticas, y nuestro equipo de ingeniería de campo también puede ir al sitio para ayudarlo a identificar y solucionar problemas con sus sistemas analíticos. Para obtener más información o iniciar una conversación sobre cómo reducir la demora en su sistema analítico, haga clic en el botón a continuación.