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PEERLESS MFG. Co.
Procedimiento de Pruebas de Campo Laser Isokeneticas
Kenneth J. Fewel, P.E. – Peerless Mfg. Co
Alan A. Hashem, E.I.T. – Peerless Mfg. Co.
Roy T. Stoddard, P.E. – Dow Chemical Canada, Inc.
I. INTRODUCCIÓN Con el objeto de medir, prescribir, o localizar las áreas problemáticas en los sistemas de separación y filtración
de manera eficiente, deben conocerse el tamaño de particular y la concentración de contaminantes. Esta
información normalmente no esta disponible en sistemas presurizados de gases de hidrocarburos e industriales.
La medición de contaminantes en estos sistemas presenta problemas especiales que, a la fecha, no se han
solucionado completamente. Este estudio presenta una rápida revisión de los métodos actuales de muestreo y
describe un sistema desarrollado para muestreo en líneas de gas presurizado.
II. MÉTODOS ACTUALES DE MUESTREO DE GAS Y MEDICIÓN DE PARTÍCULAS.
A. Muestreos Isoquinético
Para el muestreo de una corriente de gas, se requiere de equipo especial para obtener mediciones exactas.
Se requieren sondas en punta para extraer la muestra sin afectar la distribución o concentración del tamaño
de gota. Si no se utilizan sondas en punta isoquinéticas, la concentración puede ser inexacta en una unidad
de magnitud o más. La distribución del tamaño de partícula también se modifica de manera significativa.
La razón es la inercia. Una gota de 10 micras es 1000 veces mas pesada que una gota de 1 micra. Si la
muestra se obtiene no-isoquinéticamente, la segregación dinámica inercial del fluido modificara la
distribución. La figura 1 es una grafica de fluido dinámico computarizada (CFD por sus siglas en Inglés) de
una sonda hipodérmica de inserción, y la figura 2 es una gráfica CFD de una sonda isoquinética en punta.
En ambas figuras, ambas puntas están operando al mismo ritmo de muestreo.
Figura 1 –Sonda de inserción de punta hipodérmica Figura 2 – Sonda de inserción Isoquinética.
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La punta isoquinética es capaz de extraer la muestra sin perturban las partículas. La sonda hipodérmica en
punta adelgaza la mezcla considerablemente, dejando pasar la mayoría de las gotas mayores pero
extrayendo las gotas de menor tamaño y medianas de forma bastante aceptable. El resultado es una
medición que indica una concentración mas delgada y una distribución de partículas menor en la red.
Asimismo, la velocidad de entrada a la punta de la sonda debe ser conocida y de preferencia coincidir con la
velocidad libre de flujo en el punto local de muestreo. Es sorprendente cuántos investigadores desprecian lo
anterior. Si no existe coincidencia en estas velocidades, o si no se aplica una corrección por el índice de
velocidad, entonces los resultados de concentración medida y distribución de partículas se sesgan por el
proceso de muestreo. (1)
B. Medición de la Concentración.
Los contaminantes sólidos y líquidos pueden recolectarse por medio del uso de filtros membranosos con
tamaño de poro menor a una micra o coalescedores fibrosos de 0.1 micras absolutas. La medición de sólidos
no representa problemas particulares ya que pueden ser medidos por métodos gravimétricos a presión
atmosférica. En cambio, la medición de líquidos volátiles sí representa problemas especiales.
Las concentraciones de líquido contaminante es una muestra de gas pueden manejarse de varias maneras.
1) Base Volumen – El líquido extraído puede recolectarse a condiciones bajo presión y medirse mediante
un cilindro graduado. Este método es directo y simple, pero su exactitud es demasiado baja.
Incrementar la exactitud para muchos límites estrictos de concentración corriente abajo tomaría cientos
de horas de pruebas. La lectura mínima es siempre relativamente alta. Si el nivel de acarreo corriente
abajo es menor a 0.1 ppm, la lectura mínima de una ventana de nivel es demasiado grande. En la
mayoría de los casos, el tiempo de pruebas requerido para tomar una lectura mínima de arrastre en este
rango es tan alto que lo vuelve impractico. Un liquido no volátil podrid extraerse a condiciones
atmosféricas y medirse con bastante precisión. Pero la mayoría de los hidrocarburos líquidos se
evaporarán (flash), por lo menos parcialmente, a condiciones atmosféricas.
2) Base Gravimétrica – Pueden hacerse determinaciones precisas de la concentración, mediante el pesado
del contaminante con una escala de buena presición. De nueva cuenta, en sistemas de hidrocarburo,
esto debe realizarse a presión y temperatura de operación para evitar la evaporación (flasheo)
3) Métodos indirectos – se han desarrolad0 algunos métodos para medir el contenido de liquidos mediante
procesos analíticos indirectos. Por ejemplo, una muestra de gas puede desviarse a través de un
absorbedor TEG y el líquido absorbido se analiza para determinar contenido de agua e hidrocarburos.
La experiencia ha demostrado que es difícil determinar con precisión cantidades reducidas de líquido
presente con esta técnica, debido al nivel del límite inferior de detección (5-10 ppm) en el método
acuamétrico de Kart Fisher(2)
Algunos métodos intentan determinar el contenido de lìquido mediante la composición del gas súper-
calentado, usando un cromatógrafo de gases y determinado el contenido de líquidos a presión de
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operación usando análisis VLE. Los problemas con este método son que los lìquidos no-volátiles no se
vaporizan, por lo que también sufre de impresición en la determinación del contenido de componentes
menores a partir de la composición medida del gas. El límite inferior de detección es de
aproximadamente 100 ppm por componente. (3) Otros métodos más utilizan un
trazador de concentración conocida que puede medirse con precisión. Los trazadores de sal son lo más
comunes, y también se han utilizado trazadores nucleares. (4) Estos métodos pueden sufrir de un alto
grado de incertidumbre y en el caso de trazadores nucleares, existen factores de seguridad y baja
sensibilidad (alrededor de 20,000 ppmw 1/g).
C. Número y Tamaño de Partículas
Con el fin de proponer separadores o filtros adecuados, lo mejor es conocer la distribución del tamaño
de partículas presentes en un flujo dado. Asimismo, las garantías requeridas para separadores y filtros
con frecuencia se basan en tamaño de partícula vs. Eficiente de separación. Sin una medición del
tamaño de partícula, las predicciones de comportamiento son solamente estimaciones de eficiencia, en
el mejor de los casos.
Por ejemplo, si se presenta acarreo, ¿la relación tamaño de partícula vs. Eficiencia de separación está
por debajo de estándar? O ¿las partículas son demasiado pequeñas para ser capturadas? El
conocimiento de la distribución del tamaño de partículas presente, corriente abajo y corriente arriba del
equipo, es una gran ayuda para la localización y corrección de anomalías.
La determinación precisa del tamaño de partículas en flujos presurizados de hidrocarburos ha sido
siempre difícil. Un método ha sido el de clasificar las partículas usando filtros membranosos como
tamices progresivos. El problema con este método ha sido que las membranas alteran la distribución de
partículas y gotas, ya que provocan floculación y coalescencia. Se reconoció muy pronto que se
requerían instrumentos “in-situ”, o aquellos que no perturbaran el flujo. Los métodos ópticos pueden
hacer esto.
Los métodos ópticos pueden clasificarse de manera general en métodos con imagen y métodos sin-
imagen. Los métodos con imagen normalmente están limitados a partículas de 5 micras y mayores, lo
cual elimina su consideración para todos los tamaños de partículas excepto los más grandes presentes
en los gases industriales. Los métodos sin-imagen incluyen los que determinan la distribución por
ensambles y los que contabilizan y miden el tamaño de partícula individualmente. (5).
Para altas concentraciones, los métodos por ensamble pueden ser los más adecuados. Estos métodos
determinan la distribución del tamaño de partículas sin contabilizar las partículas individuales, y su
precisión es demasiado baja para la determinación de la relación tamaño de partícula vs. Eficiencia de
separación.
Los contabilizadotes de partículas individuales son los mejores para pequeñas concentraciones, como
sucede con frecuencia en gases industriales y de hidrocarburos filtrados o separadores. Pueden medir
hasta 0.3 micras con presición y pueden tener una resolución de 0.03 micras en sus rangos de medición.
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El problema ha sido cómo conjuntar estos métodos de manera económica y segura para sistemas
presurizados de ductos a gran escala.
III. DESCRIPCIÓN DE EQUIPO Y SOFTWARE. (Referirse a la figura 3).
A. Sondas isoquinéticas de Inserción.
Las dos Sondas Isoquinéticas de Inserción consisten de una varilla larga, cilindro hidráulico, manguera flexible
y puntas isoquinéticas que van desde 1/8” hasta ¾” de diámetro. Las sondas se introducen automáticamente en
el ducto a través de una válvula de bola de paso completo con conexiones bridadas. Cada sonda tiene una
distancia máxima de introducción de 38.5” se toman varias muestras en diferentes puntos a través de la línea y
se extrae a través de la sonda hacia el interior de un ensamblaje de patín a alta presión. Las sondas tienen una
presión nominal de 1,500 psig.
B. Ensamblaje de Patín de Alta presión
Se conectar dos patines de acero inoxidable a las sondas de inserción mediante líneas de alta presión. Cada patín
consiste de unidades de filtrado, cartuchos de filtros, ventanas de nivel y tanques de recolección de líquidos. El
flujo a través de los patines se mide con un analizador digital de flujo con medidor de turbina capaz de detectar
hasta 10 ft3/m reales con una exactitud de 0.001. el flujo se regula mediante válvulas de aguja. También se
colocan indicadores de presión (manómetros) y de temperatura en los patines.
La presión máxima nominal para ambos patines es de 1,500 psig. La unidad ensamblada de patines se usa para
recolectar el contaminante y medir el flujo de gas a través de la sonda de inserción isoquinética, del
medidor/contabilizador de partículas y gotas y de los tanques de recolección de contaminantes. Los líquidos y
sólidos entrampados tanto corriente arriba como corriente abajo del separador se recolectan y pesan al +/- 0.001
gramo más cercano. La comparación directa de las mediciones corriente arriba y corriente abajo permite
calcular las cargas de masa, la penetración de masa y las eficiencias totales de separación de masas.
C. Sonda Láser Isoquinética de Muestreo
En estas herramientas, los tamaños, cantidades y velocidades de las partículas fluyendo a través de las sondas de
inserción se miden con el uso de una sonda óptica láser. El láser se compone de un transmisor y un receptor.
Pueden medirse las partículas en el rango de 0.3 a 40 micras.
Asimismo, pueden determinarse las concentraciones absolutas de partículas de hasta 107/cm3 para el rango
menor a una micra o de hasta 10 gr/cm3 para el rango mayor a una micra. O de hasta 10 gr/cm3 para el rango
mayor a una micra. El rango de velocidades es de 0.1 a 400 m/seg. La exactitud es de +/- del tamaño indicado.
El nivel de pulso de partículas puede alcanzar hasta lo 50 khz. Se pueden medir partículas sólidas, líquidas,
compuestos, volátiles sin requerir condicionamientos del muestreo.
El láser es capaz de realizar mediciones de partículas en línea en conductores de gas o líquidos en una amplia
variedad de presiones y temperaturas. El proceso de contabilizado y medición de tamaño es controlado por un
sistema de adquisición de datos y una computadora portátil. Una comparación de las mediciones corriente arriba
y corriente abajo hace posible determinar la eficiencia de distribución y remoción de gotas/partículas.
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IV. RESULTADOS DE PRUEBAS DE CAMPO A. Distribución de Tamaño de Gotas/partículas.
Figura 3. Sonda Láser Isoquinética de Muestreo (“LISP”)
Más mediciones hasta que la varianza se reduzca por debajo de tal máximo permisible.
La técnica láser de sondeo por
dispersión a tiempo real es el mètodo
más exacto en la medición de tamaño
de gotas/partículas en flujos de gas a
alta presión. El sistema toma muestras
“in-situ” sin perturbar el flujo de gas
ni la fase dispersa.
Las distribuciones de gotas o
particulas pueden determinarse en
solo unos minutos, tanto corriente
arriba como corriente abajo del
separador o filtro. La sonda láser se
utiliza enfocando un rayo láser a
través del tubo de muestreo mediante
“ventanas de observación” especial
para la observación directa de la
corriente de flujo muestreada. Se
realiza un mínimo de tres mediciones
y se determina la varianza de ellas
para cada rango de tamaño. Si la
varianza esta por arriba de un máximo
permisible, se realizan
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Análisis de Eficiencia vs. Tamaño
La relación Eficiencia vs. Tamaño de partícula se determina usando la siguiente fórmula:
ηi = cantidad Corriente Arriba: - Cantidad Corriente Abajo
Cantidad corriente Arriba
i = Tamaño de celda i para todos los tamaños de celda.
El tamaño menor de celda es de 0.3 a 0.35 micras. El tamaño mayor de celda es de 35 a 40 micras. Por lo
tanto, se puede determinar un espectro de eficiencias para la totalidad de la distribución de
gotas/partículas.
1) Diámetro másico medio.
Dm = ∑ ni di 4
∑ ni di3
2) tamaño mas frecuente, o diámetro geometrico medio
ln dg = N
dn ii∑ ln
Donde:
ni = Numero de partículas con diámetro di en la celda de tamaño i
N = ∑n¡
Estos valores se computan para cada distribución medida.
B. Acarreo de Masa La tecnica laser de sondeo por dispersión no es confiable para la medicion precisa de flujos de masa. Es
necesario muestrear de forma independiente para la determinación de acarreo de masa, recolectando y pesando
muestras tanto corriente arriba como corriente abajo del separador. Esto debe llevarse a cabo de forma
simultanea, debido a que las cargas contaminantes son dependientes del tiempo en la mayoria de las
aplicaciones de campo. El tetrodo de recoleccion de masa depende de los flujos de gas muestreados
isoquinéticamente dirigido a traves de filtros de micro-fibra de 0.1 nominales absolutas. Estos se dimensionan
de manera de evitar la re-entrada de particulas filtradas. El metodo de acarreo de masa discrimina entre
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liquidos y solidos para presentar los porcentajes de masa total recolectada, pero toma en cuenta la naturaleza
del flujo de dos fases al muestrear sobre la seccion transversal completa del ducto, de manera que puede
determinarse el flujo total de masa tanto de liquidos como de solidos. La prueba de muestras puede llevarse
varias horas para lograr resultados satisfactorios, dependendiendo de la cantidad de contaminantes presentes y
la concentración corriente abajo.
Análisis de Resultados La eficiencia del acarreo de masa esta determinada por la siguiente formula:
ηtotal = ∑ Masa corriente Arriba -∑Masa corriente Abajo
∑ Masa Corriente Arriba
Donde:
ηtotal= Eficiencia de separacion de masa total
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REQUERIMIENTOS DE CLAROS Y ESPACIO LIBRE
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