Dominando los retrasos temporales en instrumentación analítica: medición precisa y mitigación

Entendiendo y midiendo el retraso temporal en un sistema de instrumentación analítica

Karim Mahraz

El retraso temporal en sistemas de muestra es la causa más común de resultados inapropiados de analizadores de proceso. Las mediciones de proceso son instantáneas, pero las respuestas del analizador no lo son. Siempre hay un retraso temporal desde la toma hasta el analizador. El potencial para retraso temporal existe en las siguientes secciones de un sistema de instrumentación analítica (AI), exhibidas en la imagen vista abajo: línea de proceso, toma y sonda, estación de campo, línea de transporte, sistema de acondicionamiento de muestra, sistema de conmutación de corriente y analizador.

Diagrama de sistema AI mostrando todos los puntos potenciales de retraso temporal.

Es importante entender que el retraso temporal es acumulativo. Consiste en la cantidad total de tiempo que toma para que un fluido viaje desde la línea de proceso hasta el analizador, incluyendo el tiempo requerido para el análisis final. Por ejemplo, si el cromatógrafo de gases toma cinco minutos para analizar una muestra, esos cinco minutos deben sumarse no solo al retraso temporal en el sistema de acondicionamiento de muestra y sistema de conmutación de corriente, sino también al retraso temporal en las líneas de transporte, estación de campo, toma y sonda. Este subtotal debe sumarse luego a la cantidad de tiempo que toma para que el fluido viaje desde la unidad de proceso monitoreada hasta la toma. Es la cantidad total de tiempo desde la unidad de proceso monitoreada hasta el analizador lo que cuenta.

Desafortunadamente, el retraso temporal a menudo se subestima, no se contabiliza o se malinterpreta. En muchos casos, el retraso temporal es invisible para especialistas y técnicos de analizadores, que están enfocados en hacer la muestra adecuada para el analizador. Los especialistas en analizadores pueden asumir que la medición analítica es instantánea. Sin embargo, los sistemas de muestreo a menudo no logran alcanzar el estándar de la industria de una respuesta de un minuto, creando amplia oportunidad para retraso temporal. Siempre es mejor minimizar el retraso temporal, incluso para tiempos de ciclo largos, pero retrasos que se extienden más allá del estándar de la industria no son necesariamente un problema. El ingeniero de proceso debe determinar tiempos de retraso aceptables basados en la dinámica del proceso.

Los retrasos temporales se vuelven un problema cuando exceden las expectativas de un diseñador de sistemas. Una mala estimación o suposición errónea sobre el retraso temporal resultará en control de proceso inferior. Entender las causas del retraso temporal y aprender a calcular o aproximar un retraso dentro de un margen de error razonable puede tanto reducir el retraso como mejorar la capacidad de respuesta general del sistema.

Ubicando líneas de proceso, tomas, bucles rápidos y líneas de transporte para máxima efectividad

Para reducir el retraso temporal, generalmente es mejor ubicar la toma más cerca del analizador, aunque esto no siempre es factible. La toma debe ubicarse aguas arriba de fuentes de retraso, como tambores, tanques, tramos muertos, líneas estancadas o equipos redundantes u obsoletos (que deberían eliminarse para mejorar el flujo). En algunos casos, la ubicación de la toma no puede especificarse cerca del analizador de proceso debido a las variables mencionadas anteriormente. Si la toma está a una larga distancia del analizador, se recomienda un bucle rápido para entregar rápidamente fluido al analizador. Si se diseña correctamente, el flujo en el bucle rápido será mucho más rápido que el flujo a través de las líneas del analizador.

Reduciendo presiones para disminuir el retraso temporal

Cuando se usa con un gas, una estación de campo es un medio de reducir la presión en las líneas de transporte o bucle rápido. Dada la misma tasa de flujo, el retraso temporal en las líneas de transporte se reduce en proporción directa a la reducción en presión absoluta. A la mitad de la presión, hay la mitad del retraso temporal. La estación de campo debe ubicarse lo más cerca posible de la toma. Cuanto antes se reduzca la presión, mejor.

Con una muestra líquida, una estación de campo reguladora no se emplea. Es mejor mantener los líquidos a alta presión para evitar la formación de burbujas. Cuando una muestra líquida se analiza como gas, un regulador vaporizador puede usarse en la estación de campo. Sin embargo, esto causará un retraso temporal considerable. A medida que el fluido cambia de líquido a gas, el volumen aumentará dramáticamente. La tasa 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 500 cm³/min, el flujo líquido puede ser menos de 2 cm³/min. Por lo tanto, el líquido tomará 25 minutos para viajar a través de 10 pies de tubería de un cuarto de pulgada. Para reducir este tiempo, debemos reducir el volumen de la tubería que precede al regulador. Por ejemplo, con solo un pie de tubería de un octavo de pulgada, 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 colocar el regulador vaporizador más cerca de la ubicación del analizador. Instale un regulador después del filtro de bucle rápido con un segundo bucle rápido líquido para asegurar que el flujo positivo continúe justo hasta el regulador vaporizador. El objetivo es minimizar el volumen de líquido de movimiento lento que va al regulador.

Conmutación de corriente

Para evitar tanto retraso temporal como sea posible, los ensamblajes de conmutación de corriente deben funcionar rápido, purgando rápidamente material de muestra vieja mientras mueven la nueva corriente al analizador. Las configuraciones de válvula de doble bloqueo y purga (DBB), que están disponibles hoy en componentes convencionales o diseños modulares miniaturizados, proporcionan un medio de conmutar corrientes con tramos muertos mínimos y sin contaminación cruzada de fugas de válvulas.

Una configuración DBB en cascada tradicional se ve en el diagrama abajo. El DBB en cascada elimina tramos muertos usando una segunda válvula de bloqueo en lugar de una pieza en T.

Diagrama: Configuración DBB en cascada tradicional.

Al usar una configuración DBB en cascada, la ruta de flujo necesita ser tomada en consideración ya que esta configuración puede llevar a caída de presión y flujo más lento. La caída de presión puede estimarse buscando el Cv del producto, que es una medida de la resistencia al flujo. Cuanto menor el Cv, mayor la caída de presión, resultando en una tasa de flujo más baja.

En la configuración DBB en cascada, la corriente primaria —Corriente 1— no causa caída de presión excesiva pero la Corriente 2, Corriente 3, y así sucesivamente crean cantidades crecientes de caída de presión y una ruta de flujo más larga, resultando en tiempos de viaje progresivamente más largos a la salida. El resultado es tiempos de entrega inconsistentes de las diferentes corrientes, dificultando establecer tiempos de purga consistentes para todas las corrientes.

La configuración DBB con bucle de flujo integrado, mostrada en el diagrama abajo, permite todas las ventajas de la configuración DBB en cascada mientras asegura caída de presión mínima consistentemente a través de todas las corrientes. El Cv para cada corriente —y por lo tanto el tiempo de entrega para cada corriente— será el mismo. Note que un componente con un Cv de 0.3 causará un tercio de la caída de presión de uno con un Cv de 0.1.

Diagrama: Configuración DBB con bucle de flujo integrado.

Sistemas de acondicionamiento de muestra

El sistema de acondicionamiento de muestra prepara la muestra para análisis filtrándola, asegurando que está en la fase correcta, y ajustando presión, flujo y temperatura. Para hacer esto en un factor de forma pequeño, el sistema usa muchos componentes relativamente pequeños, incluyendo manómetros, reguladores, medidores de área variable, controladores de flujo, válvulas de retención, válvulas de control y válvulas de bola. Frecuentemente, componentes modulares miniaturizados también se usan como una solución compacta para espacios reducidos. Estos componentes montados superiormente se fabrican según el estándar ANSI/ISA 76.00.02, de acuerdo con la Nueva Iniciativa de Muestreo/Sensor (NeSSI). Al igual que con las válvulas de conmutación de corriente, el volumen interno no es tan importante como la caída de presión. Al elegir componentes, debe comparar el Cv proporcionado por el fabricante.

Otros componentes usados en sistemas de acondicionamiento de muestra, como filtros, potes de knockout y filtros coalescentes, pueden causar retraso temporal significativo porque permiten que muestras entrantes se mezclen con muestras viejas. Mejore el retraso temporal limpiando un filtro o pote de knockout para que el 95 por ciento de la muestra vieja se haya ido. Desafortunadamente, esto requiere tres veces el volumen del componente. Eso asumiendo que la entrada y salida son adyacentes, como se muestra en el diagrama abajo.

Diagrama: Configuración de entrada/salida adyacente para filtro.

Considere un filtro con una entrada y salida configuradas en el diagrama. Si la tasa de flujo es 100 cm³/min y el volumen del filtro es 100 cm³, tomará tres minutos asegurar que el 95 por ciento de la muestra vieja haya sido purgada. Por lo tanto, para asegurar una muestra precisa, tres minutos deben agregarse al cálculo de retraso temporal para este sistema AI. Estas mismas fórmulas pueden aplicarse a volúmenes de mezcla en la línea de proceso.

Analizador

Generalmente, un cromatógrafo de gases tomará de cinco a 10 minutos para analizar la muestra. Los analizadores infrarrojos y ultravioleta funcionan mucho más rápido, completando análisis en segundos. Un especialista, técnico o ingeniero de analizadores debería conocer la cantidad de tiempo requerida para que el analizador procese una muestra. Ese tiempo se agregará a las estimaciones discutidas arriba para el retraso temporal total desde la toma a través del analizador.

En conclusión

El retraso temporal total calculado con las herramientas descritas debería proporcionar una estimación dentro de un margen de error razonable. Recuerde que es el tiempo total desde el proceso monitoreado hasta el analizador lo que importa, y que todos los componentes que componen este retraso deben sumarse al total. El retraso temporal es un problema que merece el escrutinio cercano del especialista en analizadores. Suposiciones incorrectas sobre el tiempo de muestra, particularmente para puntos problemáticos típicos, como la sonda o un regulador vaporizador en la estación de campo, socavarán todo el arduo trabajo del especialista en analizadores y harán ineficaz al analizador. Los especialistas en analizadores, en colaboración con su proveedor de sistemas de fluidos o consultor, pueden mejorar los retrasos temporales haciendo elecciones inteligentes sobre componentes y configuraciones con respecto a la ubicación de la toma, configuración de bucle rápido, diámetros de tubería apropiados y configuraciones de conmutación de corriente.