Reduciendo retrasos temporales en instrumentación analítica usando reguladores

Cómo usar un regulador para reducir el retraso temporal en un sistema analítico

Mike Strobel, Supervisor de Ingeniería de Campo

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

En sistemas de muestreo analítico, el retraso temporal se define como la cantidad de tiempo que toma para que una nueva muestra llegue al analizador. Un artículo de blog separado explica cómo funciona el retraso temporal y consejos para minimizarlo a alto nivel, pero en esta pieza nos centraremos en cómo controlar el retraso temporal 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 una tasa de flujo controlada, cuanto menor la presión, menor el retraso temporal.

El retraso temporal puede ocurrir en cualquiera de las partes principales de un sistema de instrumentación analítica, incluyendo la línea de proceso, toma y sonda, estación de campo, línea de transporte, sistema de acondicionamiento de muestra, sistema de conmutación de corriente y analizador. El diagrama abajo es un ejemplo de un sistema típico de muestreo de analizador de proceso.

El retraso temporal es acumulativo. Consiste en la cantidad total de tiempo que toma para que el fluido viaje desde el proceso monitoreado hasta el analizador. Puede aprender más sobre cómo medir el retraso temporal aquí. Por ahora, nos centraremos en la estación de campo y el papel importante que juega un regulador en reducir el retraso temporal allí.

Antes de la estación de campo

Minimizar el retraso temporal comienza con la ubicación de la toma. Es mejor ubicar la toma lo más cerca posible del analizador de proceso, pero también aguas arriba de fuentes de retraso temporal del proceso, como tambores, tanques, tramos muertos, líneas estancadas y equipos redundantes u obsoletos.

Cuando se muestrea un líquido, la presión en la toma debe ser suficiente para entregar la muestra a través de las líneas de transporte o bucle rápido sin una bomba —un componente costoso que introduce variables de rendimiento adicionales.

En muchos casos, puede que no pueda dictar la ubicación de la toma. Puede tener que conformarse con una ubicación de toma existente, y a menudo, una ubicación de cobertizo de analizador existente también. Si la toma está a una larga distancia del analizador, se recomienda un bucle rápido como medio de entregar rápidamente fluido al analizador y devolver la porción no usada al proceso.

En la mayoría de los sistemas de instrumentación analítica, otra fuente de retraso temporal es la sonda. Cuanto mayor el volumen de la sonda, mayor el retraso. El volumen se verá afectado tanto por la longitud como por el ancho de la sonda. Al intentar minimizar el retraso temporal, elija una sonda de bajo volumen.

En la estación de campo

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

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

Aplicación de regulador #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, un regulador reductor de presión simple puede usarse. Un regulador reductor de presión mantiene presión constante en la salida. Un elemento sensor, típicamente un diafragma o pistón, se mueve en respuesta a la presión aguas abajo, permitiendo que el elemento de control, más a menudo un vástago cónico, cambie el área de flujo del orificio a través del cual pasa el gas. A medida que el elemento sensor es empujado hacia arriba en respuesta a una presión más alta, el elemento de control se mueve más cerca del asiento del regulador y el área del orificio se vuelve más pequeña. A medida que el elemento sensor se mueve hacia abajo con presión más baja, el orificio se vuelve más grande. En la mayoría de los reguladores analíticos, una manija en el regulador permite al operador establecer la presión de salida comprimiendo o relajando un resorte de consigna que impulsa los movimientos del elemento sensor contra la presión de salida.

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

Aplicación de regulador #2

En nuestra segunda aplicación de regulador, se espera que la caída de presión cause condensación. Con una caída en la presión, casi todos los gases pierden energía, conocido como el efecto Joule-Thomson —resultando en 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, potencialmente congelando el regulador. Debido al efecto Joule-Thomson, puede requerirse 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 cual el fluido del sistema fluye sobre un elemento calentado. Se requiere un cartucho de calentador.

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

Aplicación de regulador #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 usa un regulador vaporizador. Los reguladores vaporizadores pueden ser desafiantes de seleccionar pero pueden ser un medio confiable de preparar una muestra líquida si se dimensionan e instalan correctamente. El objetivo de un regulador vaporizador es hacer flashear instantáneamente toda la muestra en gas para asegurar que la muestra vaporizada sea representativa del proceso líquido.

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

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

Por ejemplo, con un flujo de vapor de 600 cm³/min, el flujo líquido puede ser menos de 2 cm³/min. En este caso, el líquido tomará 25 minutos para viajar a través de 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.), tomaría solo 30 segundos para que el líquido llegue al regulador. A este tiempo, sin embargo, debemos agregar el retraso temporal en la sonda. Cuanto más estrecha la sonda, más rápida la respuesta.

Otro medio para lograr una respuesta más rápida es mover el vaporizador más cerca del analizador con la ayuda de un bucle rápido líquido. En el diagrama abajo, el regulador está ubicado después del filtro de bucle rápido con un segundo bucle lento de bypass líquido asegurando que un buen flujo líquido continúe hasta el regulador vaporizador. El objetivo es minimizar el volumen de líquido de movimiento lento que va a un regulador vaporizador.

Tome las decisiones correctas de regulador para disminuir el retraso

Un regulador es una herramienta crítica para abordar el retraso temporal en un sistema analítico. Cuanto menor la presión en un sistema de gas, más rápido el tiempo de respuesta. En general, cuanto antes se pueda reducir la presión en un sistema de gas, mejor. En casos donde un líquido está siendo vaporizado, considere un bucle rápido líquido para mantener el líquido moviéndose hasta el regulador vaporizador. La estación de campo es un lugar en un complejo sistema de instrumentación analítica donde el retraso temporal puede reducirse significativamente, pero el enfoque al retraso temporal debe ser siempre integral. Para reducir el retraso temporal, todas las causas potenciales de retraso en el sistema deben ser examinadas.

Si está luchando con retraso temporal en sus sistemas analíticos, más allá de seguir el consejo anterior sobre selección de regulador, hay varios otros lugares a los que puede recurrir para ayuda. Ofrecemos varios cursos de capacitación en sistemas de muestreo impartidos por expertos en muestreo, ofrecemos subsistemas analíticos pre-diseñados según mejores prácticas, y nuestro equipo de ingeniería de campo también puede venir in situ para ayudarle a identificar y solucionar problemas con sus sistemas analíticos. Para aprender más o iniciar una conversación sobre reducir el retraso en su sistema analítico, haga clic en el botón de abajo.