Guía Experta para la Colocación Óptima de Boquillas en Sistemas de Muestreo de Líquidos y Gas Natural

Cómo Posicionar Boquillas en su Sistema de Muestreo de Líquidos y Gas Natural

Karim Mahraz

En un sistema de muestreo de líquido o gas, una boquilla se utiliza en la ubicación de la toma para suministrar la muestra al analizador. La colocación, posición y orientación adecuadas de esta boquilla son cruciales para garantizar mediciones analíticas oportunas y precisas, por lo que debe hacerlo bien. Una mala colocación de la boquilla puede provocar retrasos en el análisis, contaminación de la muestra y resultados inexactos.

Idealmente, un ingeniero de sistemas de muestreo dictará los diseños de tuberías e incluso el diseño del recipiente de proceso para asegurar que la boquilla esté correctamente situada. Sin embargo, a menudo un ingeniero debe trabajar con esquemas existentes, incluso si la boquilla no está ubicada u orientada correctamente. A continuación, revisaremos consideraciones importantes para ingenieros encargados de localizar y construir boquillas para sistemas de muestreo de líquidos y gases. Además, recomendamos involucrar a ingenieros de analizadores calificados, ingenieros de proceso y químicos, y proveedores de componentes en diversas etapas del diseño para asegurar que se considere cada variable.

Elección de la Ubicación de la Boquilla

Las boquillas son típicamente cortas, con un diámetro menor que la línea principal de proceso de la que se derivan. A menudo albergan una sonda, que en su forma más simple es una probóscide de metal, vidrio o cerámica que sobresale en el fluido de proceso y extrae un flujo continuo de líquido o gas para análisis.

Al determinar dónde posicionar la boquilla en una tubería o recipiente, seleccione una ubicación donde el fluido de proceso se haya mezclado completamente, para que su refleje con precisión las condiciones del proceso. Si es posible, instale un mezclador estático en línea en la línea de proceso. Si esa no es una opción, ubique la toma aguas abajo de un punto de turbulencia inducida, como una descarga de bomba, orificio de flujo o codo de tubería. La turbulencia ayudará a mezclar el fluido de proceso antes del muestreo.

Colocar una toma de muestreo inmediatamente después de una fuente de turbulencia no es una buena práctica. La turbulencia causará fluctuaciones de presión y corrientes de remolino, cualquiera de las cuales puede afectar las mediciones analíticas.

Muestreo de Gas

Está mejor servido colocando la toma al menos dos diámetros de tubería aguas abajo de la última perturbación de flujo. La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) recomienda esta práctica. Permite dos ubicaciones para muestreo manual de gases de chimenea:

1. Al menos ocho diámetros de chimenea o conducto aguas abajo y dos diámetros aguas arriba de cualquier perturbación de flujo; o
2. Al menos dos diámetros de chimenea o conducto aguas abajo y medio diámetro aguas arriba de cualquier perturbación de flujo.

La EPA considera la primera ubicación como ideal. Si no se puede cumplir la primera regla, las directrices de la EPA requieren puntos de muestreo adicionales para proteger contra la posibilidad de estratificación.

Muestreo de Fluidos

Para muestreo en tuberías, ubique su toma al menos dos diámetros de tubería aguas abajo de la última perturbación de flujo, en cualquier lugar donde no interfiera con un elemento de medición de flujo. Sin embargo, si el fluido de proceso es un líquido que está cerca de su punto de burbuja, es prudente ser más conservador. Para evitar obtener burbujas en su muestra, ubique la toma donde haya al menos cinco diámetros de tubería recta y despejada aguas arriba y dos diámetros aguas abajo.

Muestreo de Vapor

Cuando la corriente que se muestrea es un vapor a temperatura de punto de rocío o cerca de ella, la ubicación de la toma se vuelve más crítica. Puede ocurrir cierta condensación en puntos de presión cerca de perturbaciones de flujo; no desea que su muestra de gas contenga condensado líquido. Para minimizar este potencial, un estándar europeo (ISO 10715 1997, 13) para medir gas natural requiere que la toma de muestreo esté al menos 20 diámetros de tubería aguas abajo de la última perturbación de flujo; el estándar americano relevante (API MPMS 14.1 2006, 15) requiere al menos cinco diámetros de tubería. Si la tubería contiene otra sonda, como un termopozo, la sonda de muestreo debe ubicarse al menos cinco diámetros de termopozo lejos del termopozo.

Se necesita una separación aún mayor para el muestreo isocinético, que requiere que la velocidad en la sonda coincida con la de la línea de proceso. Por ejemplo, para vapor saturado, el estándar americano relevante (ASTM D1066) recomienda que la toma de muestreo esté al menos 35 diámetros de tubería aguas abajo y cuatro diámetros de tubería aguas arriba de una perturbación de flujo. Debido a que esta separación puede ser difícil de lograr, ASTM sugiere que las ubicaciones no conformes mantengan una proporción de 9:1 de distancias aguas arriba a aguas abajo.

Construcción de una Boquilla

A medida que avanza a la etapa de diseño, notará que el diseño de la boquilla, incluida la orientación, depende en gran medida de las necesidades de la sonda. La ubicación y orientación de la boquilla, y por lo tanto de la sonda, pueden influir en cómo las partículas dentro de una corriente de proceso afectan el análisis. La colocación correcta de la boquilla y la sonda puede minimizar el potencial de que las partículas entren en la sonda donde pueden contaminar la muestra o acumularse y eventualmente bloquear la sonda.

La forma más simple de construir una boquilla es soldar un boss hembra roscado a una tubería y perforarlo. Primero, suelde una placa de refuerzo a la tubería, a menos que su pared sea adecuadamente gruesa. Luego, seleccione un tamaño de boss para acomodar la sonda roscada o la válvula que se utilizará. Otro enfoque es soldar un niple de tubería macho roscado en la línea.

Por supuesto, ninguno de estos métodos simples satisfará una especificación de tubería de proceso que prohíba uniones roscadas en el envoltorio del proceso. Frente a estas restricciones, puede soldar una válvula en el niple o usar una boquilla de tubería con brida en su lugar.

Toma de una Corriente de Gas

Siempre que sea posible, elija una tubería horizontal para muestrear gas de proceso. La orientación horizontal permite que la boquilla sea vertical. También es más fácil encontrar un tramo largo y recto. Ubique la boquilla en la parte superior de la línea para que cualquier suciedad o líquido caiga de nuevo en la tubería de proceso. Si el gas de proceso es limpio y seco, podría ubicar una boquilla de gas en el lado de una tubería horizontal. Sin embargo, evite tal orientación de sonda horizontal para muestras sucias porque el flujo de gas en la sonda puede no ser turbulento; las partículas sólidas podrían caer y bloquear la sonda.

La misma preocupación por el bloqueo se aplica a una boquilla horizontal en una tubería de gas vertical. Las boquillas inclinadas permiten que cualquier líquido o sólido atrapado caiga de nuevo en el proceso. Esta característica funciona bien para la eliminación de líquidos, pero puede no funcionar para sólidos, que pueden atascarse en la sonda.

Para chimeneas verticales, la boquilla debe ser horizontal o ligeramente inclinada y mucho más grande, dimensionada para acomodar sondas especiales. Aquí, la ubicación de la boquilla se basa en la temperatura del gas: no demasiado caliente (para que los costos de material sean razonables) pero por encima de la temperatura de punto de rocío ácido (para que el ácido sulfúrico no se condense en la sonda). Para monitoreo de gases de chimenea, la temperatura óptima del gas en la boquilla es un poco más de 600 °C (1112 °F) para asegurar una combustión completa.

Cuando se muestrea desde un flujo de vapor de proceso que puede contener gotas de condensado, como un sistema de vapor saturado, la ubicación de toma preferida es una tubería de proceso larga que fluye hacia abajo. Sin embargo, siempre verifique la presión de la línea. Una línea hacia abajo a menudo se conecta al lado de succión de una bomba de proceso y puede estar funcionando a baja presión. Una fuente de baja presión es buena para una muestra de gas que será ventilada a la antorcha, pero no para una que desee devolver al proceso a través de un bucle rápido. Con un bucle rápido, probablemente quiera muestrear desde la descarga de la bomba de proceso y devolver el gas al lado de succión.

Toma de una Corriente Líquida

Una tubería vertical que fluye hacia arriba a menudo es la mejor ubicación para una boquilla de muestreo de líquido porque puede estar seguro de que la tubería está llena. Para esta configuración, opte por una boquilla horizontal ya que permite una sonda más corta que es menos propensa a vibrar. Una boquilla horizontal está bien para una muestra de líquido porque el flujo en la sonda seguramente será turbulento, previniendo la sedimentación de sólidos en la sonda.

La cabeza de líquido en la tubería por encima de la toma proporcionará algo de presión adicional, lo que puede asegurar que el líquido de proceso en la toma esté por encima de su punto de burbuja. La presión adicional también ayuda en el transporte de la muestra. Evite muestrear un líquido de una tubería de proceso vertical que fluya hacia abajo; no hay garantía de que la línea esté llena.

Muestrear una corriente líquida desde una línea horizontal es arriesgado porque la tubería de proceso puede no estar llena, resultando en una muestra de dos fases. Si la tubería de proceso gira hacia arriba después de la corrida horizontal, puede estar seguro de que la línea está llena; si gira hacia abajo, la sección horizontal podría albergar una capa estática de gas atrapada sobre la capa de líquido que fluye.

La sabiduría convencional dice que las tomas de líquido siempre deben estar en el lado de una línea de proceso horizontal; este es un buen consejo cuando se muestrea sin una sonda. Muestrear desde una boquilla en el lado de la línea reduce el riesgo de extraer vapor atrapado en la parte superior de la tubería o lodo en la parte inferior.

En la práctica, generalmente es mejor usar una sonda para alcanzar el centro de la línea. Cuando se usa una sonda, la orientación es menos importante. Usualmente, una boquilla vertical en la parte superior de la línea es preferida porque permite que los sólidos pesados caigan de nuevo en la tubería de proceso. Generalmente, la boquilla no debe estar en la parte inferior de una tubería horizontal ya que los sólidos caerán en ella y aumentarán la dificultad del acondicionamiento de la muestra. Si debe usar una boquilla inferior existente, instale una sonda que alcance el centro del tercio del diámetro de la tubería.

Antes de Finalizar la Ubicación de la Toma

Antes de decidirse por su ubicación final de la toma, recuerde que su elección de sonda determinará la orientación y el diámetro de la boquilla y sus conexiones finales. Una vez que seleccione una sonda, revise su ubicación elegida para verificar el espacio físico disponible para instalación y trabajo de mantenimiento. Verifique que haya suficiente espacio para fabricar la boquilla, mantener la válvula de aislamiento de proceso y retirar la sonda. También considere la accesibilidad y la iluminación. Una toma simple y sonda de tubería podría requerir solo una pequeña plataforma y escalera, pero una estación de campo necesitará una plataforma completa e iluminación.

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