REPORTE SOBRE INSTALACION DE CAUDALIMETROS

1. OBJETO

2. INTRODUCCION

3. CLASIFICACION DE CAUDALIMETROS

4. APLICACIONES EN PLANTA

4.1. APLICACIÓN PARA MATERIAS PRIMAS

4.1.1. Medición de HF

4.1.1.1. Patrón de Flujo

4.1.1.2. Corrosión

4.1.2. Medición de Orgánicos (CTC o Cloroformo)

4.1.2.1. Versatilidad

4.1.2.2. Medición de Masa en lugar de Volumen

4.1.2.3. Requerimientos de Instalación

4.1.2.4. Adaptación al sistema de control de la planta

4.1.2.5. Pérdida de Carga

4.2. APLICACIÓN PARA PRODUCTO TERMINADO

5. INSTALACION DE CAUDALIMETROS EN PLANTA

1. OBJETO

El objeto de este informe es el de dilucidar la conveniencia de la instalación de

caudalímetros del tipo de turbina para el monitoreo de las cantidades de CFC

producidas en la planta.

2. INTRODUCCION

El presente informe consiste en la evaluación de las diferentes alternativas existentes

en la actualidad en lo que hace a instrumentos de medición de caudal.

Se consideraran las principales características de los distintas clases de equipos

comerciales que pueden encontrarse hoy en el mercado para evaluar cuales de ellos

podrían ser factibles de ser instalados en la planta.

A tal efecto, se consideraran las condiciones de proceso de las corrientes cuyo caudal

se pretende medir que determinan el equipo que debe utilizarse para tal propósito para

que la medición sea confiable y repetitiva.

Las propiedades termodinámicas de los fluidos, las características corrosivas de

algunos de ellos y las variables de proceso tenidas en cuanta cuando se diseñaron las

instalaciones son factores determinantes al momento de especificar y seleccionar un

caudalímetro para una aplicación en particular. Estos factores determinan si un equipo

puede funcionar o no según cumpla con las cualidades exigidas por cada aplicación en

particular.

De aquí que es imprescindible llevar a cabo una análisis exhaustivo de las condiciones

de proceso antes de decidir que clase de instrumento se debe seleccionar para una

medición determinada, de otra manera se corre el riesgo de instalar un instrumento que

directamente no va a medir el caudal de fluido circulante sino que, por el contrario,

arrojara valores erráticos e incoherentes,

Además, en caso de que el material del instrumento no sea apto para la corrosividad del

fluido que mide o que el principio de funcionamiento no permita manejar fluidos de alta

presión de vapor, la integridad mecánica del mismo puede deteriorarse muy

rápidamente con lo cual la vida útil del equipo podría reducirse drásticamente.

3. CLASIFICACION DE CAUDALIMETROS

La primera clasificación que se puede hacer de los métodos de medición es en

volumétricos y másicos.

A su vez, los caudalímetros pueden ser volumétricos o másicos de acuerdo al principio

de medición que utilizan. Hay varios tipos de caudalímetros dentro de cada grupo,

basados en diferentes principios.

Dentro de los caudalímetros volumétricos podemos diferenciar dos grupos. Los que

miden directamente el volumen, o directos, y los que efectúan una medición indirecta,

midiendo de alguna forma la velocidad promedio del fluido en la cañería y multiplicando

ese valor por la sección interna de la misma, lo transforman en caudal volumétrico.

Es aconsejable utilizar para cada medición el caudalímetro cuyo principio más

directamente se ajusta a la necesidad de la misma.

VOLUMETRICOS

Directos

De desplazamiento positivo

Indirectos

De P diferencial

Placa orificio

Cuña

Codo

Tobera

Venturi

Volumétricos Tubo Pitot

De target

De área variable

De turbina

De vórtice

Electromagnético

Ultrasónicos

De efecto Doppler

De t de tránsito

De canal abierto

Vertedero

Canaleta

MASICOS

De efecto Coriolis

Térmicos

4. APLICACIONES EN PLANTA FIASA

- Medición de caudal de materias primas: CTC o cloroformo y HF

- Medición de caudal de producto terminado: R11-12 o R22

4.1. APLICACIÓN PARA MATERIAS PRIMAS

4.1.1. Medición de HF

Para la medición del caudal de HF debe utilizarse caudalímetros másicos del tipo de

Coriolis debido a que son los únicos que se adaptan a las particularidades del fluido y a

las condiciones de operación.

A continuación se mencionan los aspectos técnicos tenidos en cuenta para llegar a esta

conclusión.

4.1.1.1. Patrón de Flujo

La bomba utilizada para la alimentación de HF al reactor es del tipo de desplazamiento

positivo y produce un flujo pulsante. Este tipo de patrón de flujo puede originar grandes

errores sobre todo en los casos en que la frecuencia de la oscilación es próxima a la

frecuencia natural del medidor.

En los medidores de vórtice puede producirse el fenómeno de enganche (lock-on), en el

cual la frecuencia de los vórtices se hace fija, igual a la de las pulsaciones e

independiente del caudal.

Los caudalímetros de turbina miden en exceso ante la presencia de pulsaciones debido

a la inercia del rotor. En presencia de pulsaciones suficientemente intensas el error

puede ser de hasta el 20%.

En los caudalímetros de presión diferencial, el flujo pulsante crea error por 2 motivos:

- Altera el DP haciendo que el instrumento no mida el real que corresponde a la

velocidad de flujo.

- Error de raíz cuadrada.

Los caudalímetros másicos de Coriolis pueden medir flujos pulsantes sin mayores

problemas, por lo que considerando también las características corrosivas del HF, este

tipo de caudalímetro es casi la única alternativa posible para medir el caudal de HF

como lo demuestra su aplicación en otras plantas productoras de gases refrigerantes en

el mundo.

4.1.1.2. Corrosión

Los caudalímetros mencionados anteriormente están inmersos en el fluido que se esta

midiendo y, por lo tanto, si este fluido presenta características corrosivas, las partes

móviles del elemento primario están sujetas a corrosión severa. Debido a las

características corrosivas propias del HF, por ejemplo, se impone la necesidad de

utilizar un caudalímetro apropiado para manejar este tipo de fluidos.

Los caudalímetros magnéticos son de montaje externo y no están en contacto con el

fluido pero, como operan en base al principio de inducción de Faraday, requieren que el

fluido a medir sea conductor de la corriente eléctrica. Como los fluidos a medir en este

caso no son soluciones acuosas, presentan una conductividad muy baja.

Las aplicaciones típicas de los caudalímetros másicos de Coriolis incluyen todos los

líquidos de difícil manejo por su corrosividad, abrasividad, alta viscosidad, suciedad o

alto valor. El único elemento en contacto con el fluido a medir es el tubo, que se fabrica

en acero inoxidable. Para fluidos especiales, como el HF, se puede hacer de Hastelloy,

Titanio, etc.

4.1.2. Medición de Orgánicos (CTC o Cloroformo)

En este caso, si bien no es tan imprescindible como para el caso del HF, también se

recomienda la utilización de caudalímetros másicos del tipo Coriolis debido a las

siguientes ventajas respecto a los otros tipos de caudalímetros:

4.1.2.1. Versatilidad

Al no tener limitaciones por número de Reynolds puede utilizarse con cualquier líquido o

gas que supere el límite del caudal másico mínimo para ser sensado por el sistema.

En la medición de líquidos presenta la ventaja de no requerir calibración por cada fluido,

por lo tanto, se puede medir distintos productos con un mismo caudalímetro.

Por lo tanto, al usarse para medir la alimentación de orgánicos permitiría medir el caudal

de CTC bombeado al reactor durante la campaña de producción de R11-R12 y luego

medir el caudal de Cloroformo alimentado durante la campaña de R22 sin necesidad de

recalibración.

4.1.2.2. Medición de Masa en lugar de Volumen

La mayoría de los caudalímetros miden, en base a sus principios de funcionamiento, el

volumen del fluido circulante, ya sea en forma directa, como los de desplazamiento

positivo, o indirecta a través de la medición de velocidad.

Por lo tanto requieren, al efecto de medir masa, la instalación de un medidor de

densidad para compensar las variaciones en el caudal másico que no se registran al

medir solo el caudal volumétrico. Por lo tanto, si bien los caudalímetros másicos de

Coriolis son de mayor costo que los volumétricos, esta diferencia se achica al

considerar la necesidad de este equipamiento adicional.

4.1.2.3. Requerimientos de Instalación

Es muy importante que la instalación de los distintos tipos de elementos primarios

reproduzcan con la mayor fidelidad posible las condiciones en que los coeficientes

utilizados para el cálculo de los mismos fueron determinados.

Los tres factores principales que alteran el coeficiente de descarga de un caudalímetro,

introduciendo errores adicionales en la medición son:

- Distorsión del perfil de velocidades

- Torbellinos o remolinos

- Flujo pulsante

La distorsión del perfil es producida por curvas y codos en la cañería, o por elementos

que obstruyen parcialmente la misma, como válvulas parcialmente cerradas, juntas mal

colocadas en una brida, etc.

Las turbulencias son creadas por curvas de la cañería consecutivas en distintos planos

y son mucho más difíciles de eliminar que las anteriores. Pueden producir errores

positivos o negativos y puede haber distintos factores que influyen en su magnitud,

entre ellos la distancia que separa las dos curvas. En general cuanto mas cerca estén

entre sí, mas intenso es el torbellino y mas difícil de corregir el efecto.

La respuesta de cualquier caudalímetro es alterada por la presencia de la distorsión del

perfil de velocidades, la presencia de torbellinos y remolinos y la presencia de flujo

alternativo o pulsante.

Los coeficientes de descarga de todos los tipos de elementos primarios han sido

determinados en cañería recta de gran longitud, condiciones de flujo estables, y

cualquier desviación de esas condiciones introducirá alteraciones sistemáticas de su

valor de magnitud desconocida.

La excepción a todo esto son los caudalímetros de desplazamiento positivo y los

másicos de Coriolis que son poco afectados por las características de la cañería aguas

arriba de su instalación.

Los caudalímetros másicos de Coriolis no requieren ninguna previsión de tramo recto de

cañería para su instalación.

4.1.2.4. Adaptación al sistema de control de la planta

Conviene tener en cuenta que los caudalímetros de turbina miden el caudal a través del

sensado del pasaje del álabe magnético frente a una bobina captora (pick up coil)

generando así una serie de aumentos y disminuciones en la Fem. que induce

constituyendo así un tren de pulsos. Por lo tanto, esta salida es en frecuencia. Casi

todos los proveedores ofrecen la alternativa en forma Standard de agregarle un

conversor que produzca una salida de 4 a 20 mA. El equipo PLC receptor del sistema

de control de la planta tiene tarjetas de entrada de conteo rápido y admiten la entrada

de pulsos en forma directa (eso da más exactitud ya que se evita un conversor digital

analógico en la turbina y uno analógico digital en la entrada).

4.1.2.5. Pérdida de Carga

Por otra parte, para que la turbina gire más rápido se hace pasar el líquido a mayor

velocidad lo que hace que las turbinas sean en general más pequeñas que las cañerías

en donde se instalan. Por ejemplo, si se desea medir el caudal en una tubería de 4’’

probablemente la turbina será por catálogo de 3 o 2’’. Quiere decir que en esta

instalación, se tendrá que hacer una reducción en la sección para insertar el

instrumento. Como la turbina requiere de tramos rectos antes de llegar al instrumento se

debe realizar un tramo en el diámetro de la turbina (más pequeño que el resto de la

cañería), por lo que si bien la turbina en sí no pierde mucha presión, todo el tramo recto

de diámetro reducido puede provocar una pérdida de carga permanente importante.

4.2. APLICACIÓN PARA PRODUCTO TERMINADO

En este caso, luego de realizar un análisis de las propiedades de los fluidos obtenidos

como productos principales, CFC12 y HCFC22, se llega a la conclusión de que la única

alternativa viable para la medición de los caudales correspondientes a estos productos

es la de utilizar caudalímetros másicos del tipo Coriolis.

Esto se debe a que como se trata de fluidos muy volátiles, de alta presión de vapor,

esto hace que cualquier otro tipo de instrumentos de medición de caudal, sobre todo los

que tienen contacto con el fluido como los de turbina, caviten durante la medición.

Se produce cavitación porque al tratarse de fluidos muy volátiles cualquier perdida de

carga originada por un contacto con el fluido resulta en que se alcance la presión de

vapor de equilibrio del fluido, este se vaporiza y las burbujas de vapor ocasionan

desequilibrios en los mecanismos del dispositivo resultando en un deterioro mecánico

del mismo que trae como consecuencia errores muy considerables de medición y

eventualmente la rotura del instrumento.

Se adjunta la hoja de cálculo de otro tipo de caudalímetros (PROWIRL Endress Hauser

del tipo Vortex) en la que se muestra que el equipo no es apto por producirse cavitación

en todos los rangos de caudal (mín., máx. y nominal).

Tampoco podrían funcionar los caudalímetros electromagnéticos debido a que el R22

es un fluido eléctricamente no conductivo y/o de muy baja conductividad.

Por lo tanto, el único caudalímetro que puede utilizarse para medir el caudal de tanto el

CFC12 como el HCFC22 es el másico del tipo Coriolis ya que los demás presentan el

problema de cavitación.

5. INSTALACION DE CAUDALIMETROS EN PLANTA

Por ultimo, para considerar la instalación de los instrumentos para medición de caudal

que se solicita, se debería definir primero la ubicación detallada de los mismos al efecto

luego poder estudiar los efectos creados por dicha instalación en el balance de

presiones de operación y perdida de carga del sistema de piping de proceso de la

planta.

Como el diseño de las instalaciones ha sido realizado teniendo en cuenta las alturas de

acometidas a los equipos, las dimensiones de las cañerías, la rugosidad interior de las

mismas que determinan las perdidas de carga debidas a la fricción, los accesorios de

piping, las válvulas e instrumentos de proceso ya especificados, pueden presentarse

problemas de operación en caso de que se realizaran modificaciones en el proceso.

En caso de instalarse instrumentos adicionales, debe estudiarse como interactúa la

perdida de carga originada por las restricciones al flujo generadas por el mismo sobre

los demás parámetros de operación y sobre el balance de flujo y de cantidad de

movimiento de las distintas corrientes del proceso.

Este es un requisito ineludible antes de cualquier instalación a realizar para evitar

desequilibrios e inestabilidades operativas que pueden incluso redundar tanto en un

menor rendimiento del proceso como en un incremento en el riesgo inherente y propio

de las operaciones en una planta química.