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Entender y Medir el Retardo en un Sistema de Instrumentación Analítica

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Entender y Medir el Retardo en un Sistema de Instrumentación Analítica

Karim Mahraz

El retardo en los sistemas de toma de muestras es la causa más común de que los analizadores de proceso den resultados incorrectos. Las mediciones de proceso son instantáneas, pero no así las respuestas del analizador. Siempre existe retardo entre la válvula de picaje y el analizador. El potencial de retardo se da en las siguientes partes de un sistema de instrumentación analítica (IA), mostradas en la imagen de abajo: línea de proceso, picaje y sonda, estación de preacondicionamiento, línea de transporte, sistema de acondicionamiento de la muestra, sistema de selección de corrientes y analizador.

Es importante entender que el retardo es acumulativo. Es el tiempo total que un fluido tarda en pasar desde la línea de proceso hasta el analizador, incluyendo el tiempo necesario para el análisis final. Por ejemplo, si el cromatógrafo de gas tarda cinco minutos en analizar una muestra, esos cinco minutos se deben sumar no solo al retardo del sistema de acondicionamiento de la muestra y al sistema de selección de corrientes, sino al retardo de las líneas de transporte, de la estación de preacondicionamiento, de la válvula de picaje y de la sonda. Este subtotal se debe sumar entonces al tiempo que el fluido tarda en pasar desde la unidad de proceso que se está monitorizando hasta el picaje. Lo que cuenta por tanto es el total de tiempo desde la unidad de proceso monitorizado hasta el analizador..

Desafortunadamente, el retardo es frecuentemente subestimado, no tenido en cuenta o no entendido. En muchos casos el retardo es invisible para los especialistas y técnicos del analizador, más concentrados en adecuar la muestra al analizador. Los especialistas en analizadores pueden dar por supuesto que la medición analítica es instantánea. Sin embargo, los sistemas de toma de muestras frecuentemente no están dentro del estándar industrial de un minuto, y generan muchas posibilidades de retardo. Lo mejor siempre es minimizar el retardo, incluso en ciclos largos, aunque los retardos que superan el estándar industrial no son necesariamente un problema. El ingeniero de proceso debe determinar el retardo aceptable según la dinámica de proceso.

El retardo se convierte en un problema cuando supera las expectativas del diseñador. Una estimación inexacta o una suposición errónea sobre el retardo resultará en un mal control de proceso. Entender las causas del retardo y aprender a calcular o aproximarse al retardo dentro de un margen razonable de error puede reducirlo y mejorar la capacidad de respuesta del sistema.

Llevar las Líneas de Proceso, Válvulas de Picaje, Lazos Rápidos y Líneas de Transporte a la Eficiencia Máxima

Para reducir el retardo, en general lo mejor es ubicar los picajes lo más cerca posible del analizador, aunque eso no siempre es posible. La válvula debe ubicarse antes de fuentes de retardo como tambores, tanques, volúmenes muertos, líneas estancadas o equipo redundante u obsoleto (que debería eliminarse para mejorar el caudal). En algunos casos la ubicación de la válvula no puede estar cerca del analizador de proceso debido a las variables antes mencionadas. Si la válvula de picaje está a una gran distancia del analizador, se recomienda un lazo rápido para llevar rápidamente el fluido al analizador. Si está bien diseñado, el caudal en el lazo rápido será mucho más rápido que el caudal a través de las líneas del analizador.

Reducir Presiones Para Disminuir el Retardo

Cuando el fluido es un gas, una estación de preacondicionamiento es un medio para reducir la presión en las líneas de transporte o el lazo rápido. Para el mismo caudal, el retardo en las líneas de transporte se reduce en proporción directa a la reducción en presión absoluta. A la mitad de la presión, el retardo es de la mitad. La estación de preacondicionamiento debe instalarse lo más cerca posible del picaje. Y cuanto antes se reduzca la presión, mejor.

Cuando la muestra es un líquido, no se utiliza la estación de preacondicionamiento reguladora. Es mejor mantener los líquidos a alta presión para evitar la formación de burbujas. Pero cuando una muestra líquida se debe analizar como un gas, es necesario utilizar un regulador vaporizador en la estación de preacondicionamiento. Aunque eso producirá un retardo considerable. Cuando el fluido pasa de líquido a gas, el volumen aumenta dramáticamente. La relación de aumento dependerá del peso molecular del líquido.

Normalmente el caudal del vapor medido tras el regulador es de >300 veces el caudal del líquido antes del regulador vaporizador. Por ejemplo, para un caudal de vapor de 500 cm3/min, el caudal de líquido puede ser inferior a 2 cm3/min. Por tanto el líquido tardará 25 minutos en pasar por un tubo de 10 pies de un cuarto de pulgada. Para reducir ese tiempo debemos reducir el volumen del tubo que llega al regulador. Por ejemplo, con tubo de un octavo de pulgada y solo un pie de longitud, el líquido solo tardaría 30 segundos en llegar al regulador. A este tiempo, no obstante, debemos sumar el retardo en la sonda. Cuanto más estrecha sea la sonda más rápida será la respuesta.

Otra forma de obtener una respuesta más rápida es instalar el regulador vaporizador más cerca del analizador. Instale un regulador después del filtro del lazo rápido con un segundo lazo rápido líquido para asegurar que el caudal continúa fluyendo consistentemente hacia el regulador vaporizador. El objetivo es minimizar volúmenes de líquido fluyendo lentamente hacia el regulador.

Selección de Corrientes

Para evitar el retardo lo máximo posible, las instalaciones de conmutación de corrientes deben funcionar rápido, purgando rápidamente la muestra antigua y enviando la nueva corriente al analizador. Las configuraciones de Doble cierre y venteo (DBB), disponibles actualmente como componentes convencionales o en diseños modulares en miniatura, son una forma de conmutación de corrientes con mínimos volúmenes muertos y sin posibilidad de contaminación por cruce de corrientes entre válvulas que fuguen.

Una configuración DBB tradicional es la DBB en cascada, mostrada en el gráfico de abajo. La DBB en cascada elimina los volúmenes muertos gracias a una segunda válvula de cierre en lugar de una te.

Cuando se utiliza una DBB en cascada, hay que tener en cuenta el paso de caudal, ya que esta configuración puede producir una pérdida de carga y un caudal más lento. La pérdida de carga se puede conocer consultando el Cv del producto, que es una medida de resistencia al caudal. Cuanto más bajo es el Cv, mayor es la pérdida de carga, resultando en un ratio de caudal más lento.

En la configuración DBB en cascada, la corriente principal – Corriente 1– no produce una excesiva pérdida de carga, pero la Corriente 2, Corriente 3 y sucesivas, producen pérdidas de carga en aumento y pasos de caudal más largos, lo cual resulta en tiempos de trayecto progresivamente más largos hacia la salida. El resultado son tiempos de entrega incoherentes entre las diferentes corrientes, dificultando establecer tiempos de purga coherentes para todas las corrientes.

La configuración DBB con un lazo de caudal integrado, mostrado en el gráfico de abajo, permite las ventajas de la configuración DBB en cascada, y asegura una mínima pérdida de carga consistentemente a través de todas las corrientes. El Cv de cada corriente – y por tanto el tiempo de entrega de cada corriente – será el mismo. Tenga en cuenta que un componente con un Cv de 0,3 producirá un tercio de la pérdida de carga que uno con un Cv de 0,1.

Sistemas de Acondicionamiento de Muestras

El sistema de acondicionamiento prepara la muestra para el análisis, filtrándola, asegurando que está en la fase correcta y ajustando la presión, caudal y temperatura. Para hacer eso de forma compacta, el sistema utiliza muchos componentes relativamente pequeños, incluyendo manómetros, reguladores, medidores de caudal de área variable, controladores de caudal, válvulas antirretorno, válvulas de control y válvulas de bola. Frecuentemente los componentes modulares en miniatura también se utilizan como una solución compacta para espacios reducidos. Estos componentes de montaje superficial se fabrican bajo la normativa ANSI/ISA 76.00.02 y de acuerdo a la New Sampling/Sensor Initiative (NeSSI). Como en el caso de las válvulas de conmutación de corrientes, el volumen interno no es tan importante como la pérdida de carga. Al seleccionar componentes debe comparar el Cv indicado por el fabricante.

Otros componentes que se utilizan en los sistemas de acondicionamiento de muestras como filtros, depósitos de separación y filtros coalescentes, pueden provocar un retardo significativo porque permiten que las muestras nuevas se mezclen con muestras antiguas. Mejore el retardo aclarando el filtro o el depósito de separación de forma que se elimine el 95 por ciento de la muestra. Desafortunadamente, eso requiere el triple del volumen del componente. Eso dando por hecho que la entrada y la salida son adyacentes, tal y como se muestra en el gráfico de abajo.

Veamos un filtro con la entrada y la salida como en el gráfico. Si el caudal es de 100 cm3/min y el volumen del filtro es de 100 cm3, se tardarán tres minutos en asegurar que se ha desalojado el 95 por ciento de la muestra antigua. Por lo tanto para asegurar una muestra precisa habrá que sumar tres minutos al cálculo del retardo de todo el sistema IA. Estas mismas fórmulas se pueden aplicar a volúmenes de mezcla en la línea de proceso.

Analizador

Normalmente un cromatógrafo de gases tarda entre cinco y 10 minutos en analizar una muestra. Los analizadores de infrarrojos y ultravioletas trabajan mucho más rápido, completando análisis en segundos. Un especialista, técnico o ingeniero de analizadores debe conocer el tiempo requerido por el analizador para procesar una muestra. Hay que sumar ese tiempo a las estimaciones vistas arriba sobre el retardo total desde la válvula al analizador.

Conclusión

El retardo total calculado con las herramientas descritas debería ofrecer una estimación con un margen de error razonable. Recuerde que lo que cuenta es el tiempo total desde el proceso a monitorizar hasta el analizador, y que se deben añadir al total todos los componentes que colaboran en este retardo. El retardo es un problema que merece el análisis detallado del especialista en analizadores. Las suposiciones incorrectas acerca del tiempo de toma de muestras, especialmente en los focos de problemas como la sonda o el vaporizador de la estación de preacondicionamiento, perjudicarán todo el trabajo de los especialistas en analizadores y harán que el analizador sea ineficaz. Los especialistas en analizadores, en colaboración con su proveedor o asesor en sistemas de fluidos pueden mejorar los retardos, seleccionando inteligentemente los componentes y configuraciones respecto a la ubicación de los picajes, la instalación del lazo rápido, diámetros adecuados del tubo y configuraciones de conmutación de corrientes.

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