Medidores de caudal másico Coriolis para medición de caudal petroquímico

Este artículo presenta el principio de funcionamiento y las ventajas del caudalímetro másico de Coriolis, centrándose en enumerar y analizar algunos problemas encontrados en su uso en diversos procesos de medición de materiales en empresas petroquímicas. También plantea los aspectos a considerar en la selección e instalación de un caudalímetro másico de Coriolis, y analiza la influencia de la tensión y la presión en el caudalímetro másico de Coriolis.

Introducción a la tecnología avanzada de medición de flujo

El medidor de caudal másico de fuerza de Coriolis se utiliza ampliamente en el campo petroquímico y en otros, y es uno de los instrumentos de medición de caudal más avanzados del mundo actual.

El medidor de caudal másico Coriolis es popular en la industria petroquímica.

Como importante empresa de refinación y química, Jinxi Petrochemical Company produce principalmente gasolina, queroseno, diésel, hidrocarburos líquidos y otros productos. El caudalímetro másico Coriolis es fiable en la medición de estos materiales, especialmente en la medición de productos de fábrica, con una precisión inferior al 2‰. Esto mejora la precisión de la medición del flujo de energía y materiales de Jinxi Petrochemical Company, evita pérdidas innecesarias y garantiza la protección de los intereses de la empresa.

Para las empresas que buscan soluciones confiables de medición de flujo Coriolis, compañías como Silver Automation Instruments (silverinstruments.com) ofrecen líneas integrales de productos de medidores de flujo másico diseñados para satisfacer los exigentes requisitos de la industria petroquímica.

Silverinstruments.com ofrece una línea completa de medidores de flujo Coriolis

Principios de funcionamiento y ventajas clave de los caudalímetros másicos Coriolis

1.1 Principio del caudalímetro másico de fuerza de Coriolis

El medidor de flujo másico Coriolis (CMF) es un medidor de flujo másico directo que utiliza el principio de la fuerza de Coriolis, que es proporcional al caudal másico generado por el fluido en un sistema giratorio mientras se mueve en línea recta.

Como se muestra en la Figura 1, cuando una partícula con una masa de m se mueve a una velocidad de υ en una tubería que gira a una velocidad angular de ω alrededor del eje p, la partícula experimenta dos componentes de aceleración y fuerza.

La física detrás de la medición:

1) La aceleración normal, también conocida como aceleración de la fuerza centrípeta α r, tiene una magnitud igual a ω 2r, dirección hacia el eje P;

2) La aceleración tangencial α t, también conocida como aceleración de Coriolis, tiene una magnitud de 2 Ωυ y es perpendicular a α r. Debido al movimiento compuesto, la fuerza de Coriolis Fc=2 Ωυ m actúa sobre la partícula en la dirección α t, y la tubería ejerce una fuerza inversa - Fc=-2 Ωυ m sobre la partícula.

Cuando un fluido con una densidad de ρ fluye a una velocidad constante υ en una tubería giratoria, cualquier sección de la tubería con una longitud Δ x experimentará una fuerza de Coriolis tangencial de Δ Fc.

Figura 1.

Implementación moderna de la fuerza de Coriolis

Por lo tanto, medir directa o indirectamente la fuerza de Coriolis generada por el fluido que fluye en una tubería giratoria puede determinar el caudal másico, que es el principio básico del CMF.

Sin embargo, es difícil generar la fuerza de Coriolis mediante movimiento rotatorio. Actualmente, todos los productos se generan mediante la vibración de la tubería, lo que significa que un tubo de medición de pared delgada con dos extremos fijos se excita a la frecuencia de resonancia o cercana a la resonancia (o su frecuencia armónica más alta) del tubo de medición en el punto medio. El fluido que fluye dentro del tubo genera la fuerza de Coriolis, lo que provoca una deflexión opuesta en las mitades delantera y trasera del tubo de medición en el punto medio. La magnitud de la deflexión se detecta para obtener el caudal másico.

1.2 Ventajas del caudalímetro másico de fuerza Coriolis

Las ventajas del medidor de caudal másico de fuerza Coriolis incluyen principalmente los siguientes aspectos:

(1) Medición directa del caudal másico con alta precisión de medición; a diferencia de los medidores de caudal volumétricos (como los medidores de caudal de turbina o los medidores de caudal de vórtice) que requieren compensación de densidad, los medidores Coriolis proporcionan una medición de masa directa con una precisión líder en la industria.

El medidor de flujo volumétrico, como el medidor de flujo de vórtice, no puede medir directamente el flujo másico.

(2) Amplia gama de fluidos mensurables, incluidos varios líquidos con alta viscosidad (como resina, betún, petróleo crudo ), lodos que contienen sólidos, líquidos que contienen una pequeña cantidad de gas distribuido uniformemente (contenido de gas dentro del 5%) y gases con suficiente densidad (gases con alta presión).

Medidor de caudal Coriolis para medición de caudal de lodos

(3) La amplitud del tubo de medición es pequeña y puede considerarse como un componente inmóvil; no hay obstrucciones ni partes móviles dentro del tubo de medición.

(4) No es sensible a la distribución de la velocidad del flujo ascendente, por lo tanto, no hay requisito de secciones de tubería rectas ascendentes y descendentes.

(5) El valor de medición del flujo es insensible a la viscosidad del fluido y la influencia de la densidad del fluido en el valor de medición del flujo es mínima.

(6) Un medidor de caudal másico puede medir múltiples parámetros. La medición simultánea del caudal másico permite medir la densidad y la temperatura del fluido, así como obtener mediciones del caudal volumétrico, la concentración de solutos y el contenido de diferentes fases (o componentes) en fluidos bifásicos líquido-sólido (o líquidos bicomponentes inmiscibles).

El medidor de caudal másico Coriolis puede detectar múltiples parámetros

Aplicaciones reales y análisis de desafíos en operaciones petroquímicas

En los últimos años, con la creciente búsqueda del control de costos y la mejora de la eficiencia por parte de Jinxi Petrochemical Company, las exigencias de medición de energía y materiales en los procesos de producción y venta también han aumentado. La empresa ha redoblado sus esfuerzos para actualizar y transformar los instrumentos de medición de energía y materiales, incluyendo el uso de medidores de flujo másico para medir el suministro mutuo de petróleo crudo y materiales de equipo.

Especialmente en términos de suministro de producto, los medidores de caudal másico Coriolis de alta precisión se utilizan para gasolina, queroseno, diésel, gas licuado y propileno. Proveedores de calidad como Silver Instruments (silverinstruments.com) han respaldado estas implementaciones con soluciones de medidores de caudal Coriolis robustas y de eficacia probada, diseñadas específicamente para entornos petroquímicos.

El medidor de flujo Coriolis se puede utilizar para medir gasolina, diésel, GLP, queroseno, etc.

Si bien los medidores de caudal másico ofrecen un rendimiento excepcional, es evidente que pueden surgir diversos problemas durante su uso. Sin embargo, según nuestro análisis, creemos que las principales causas de estos problemas en el proceso de medición son la instalación incorrecta de los medidores y la influencia de las propiedades físicas y los parámetros del medio de medición. En otras palabras, se pueden dividir en dos partes: el impacto de factores externos, como la instalación, y el impacto de factores internos en las propiedades físicas del medio de medición.

Factores externos que afectan el rendimiento de la medición del caudal másico

2.1 Consideraciones críticas de instalación

Estudio de caso: Desafío de instalación de muelle de carga:

En 2002, el muelle de carga de Jinxi Petrochemical se equipó con seis medidores de flujo másico DN150 (6 pulgadas), utilizados para medir la gasolina y el diésel durante la carga. Durante la operación inicial, uno de los medidores de flujo de diésel registraba con frecuencia un breve caudal instantáneo de 5 a 7 toneladas sin carga.

Cómo realizar el ajuste del punto cero en un medidor de caudal másico Coriolis

A pesar de múltiples inspecciones in situ y ajustes del punto cero, este fenómeno persistía. Finalmente, se separó el sensor de caudal másico de la tubería de proceso y se observó que la brida de un lado del sensor presentaba una diferencia horizontal de 3 cm con respecto a la brida que conectaba la tubería de proceso.

En ese momento, el equipo de instalación no era lo suficientemente profesional y el comandante in situ carecía de experiencia. En este caso, el sensor de caudal másico estaba conectado rígidamente y la tensión de la tubería lo afectaba. Con fuertes vientos marinos, el caudalímetro solía experimentar un breve caudal instantáneo de 5 a 7 toneladas, lo que afectaba su medición normal.

Instalación adecuada para garantizar el correcto funcionamiento del medidor de caudal Coriolis

Por lo tanto, la instalación de medidores de caudal másico y factores como las condiciones ambientales in situ son los principales factores que afectan la medición normal de los medidores de caudal másico Coriolis. Este caso demuestra cómo la calidad de la instalación y los factores ambientales impactan críticamente el rendimiento del medidor de caudal, lo que hace que los procedimientos de instalación adecuados y la orientación experta sean esenciales para una implementación exitosa.

2.1.1 Análisis del impacto de la tensión en tuberías

Durante el proceso de instalación del sensor, si el centro de la tubería que conecta el sensor de flujo no está alineado (o paralelo) o la temperatura de la tubería cambia, la tensión de la tubería formará fuerzas de presión, tensión o corte que actúan sobre la alineación entre las tuberías de medición del medidor de flujo másico, lo que provoca asimetría de la sonda de detección y conduce a la deriva del punto cero.

Estrategias de mitigación:

• En situaciones donde la situación no sea muy grave, es necesario poner a cero el caudalímetro después de la instalación para eliminar o reducir este impacto.
• Si la tubería está muy desalineada, puede que no sea posible ponerla a cero.
• Cuando la temperatura de la tubería cambia significativamente o se desvía significativamente de la temperatura de instalación, la fuerza de expansión (o contracción) térmica generada por la tubería también actuará sobre el sensor de flujo, lo que afectará la medición normal del medidor de flujo.

Por lo tanto, durante la instalación del medidor de caudal másico, es necesario asegurar que el centro de la tubería conectada al sensor de caudal esté alineado. Asimismo, ante grandes cambios de temperatura, se pueden instalar accesorios de aislamiento térmico en la tubería.

2.1.2 Gestión de vibraciones ambientales

Ejemplo real: El medidor de petróleo crudo de la Unidad de Destilación Petroquímica Jinxi es un medidor de flujo másico Coriolis, instalado dentro de la unidad y cerca de la sala de bombas, lo que provoca vibraciones significativas en la tubería de proceso. Por lo tanto, existen problemas con los datos de medición del medidor de flujo, lo que resulta en un rendimiento anormal de la unidad.

Implementación de la solución: En este caso, hemos instalado soportes en ambos extremos del medidor de caudal para reducir el impacto de la vibración y asegurar su normal funcionamiento.

Es mejor tener soportes en ambos extremos del medidor de flujo másico.

Los medidores de caudal másico pueden funcionar en entornos de vibración, pero deben estar aislados de la vibración.

Mejores prácticas para el control de vibraciones:

Especialmente en casos de alta vibración, se pueden usar tubos flexibles para conectar el tubo de vibración y marcos de soporte para aislar la vibración. Sin embargo, es más importante evitar que la frecuencia de vibración coincida con la frecuencia de operación o la frecuencia armónica del caudalímetro másico. Cuando se instalan varios instrumentos del mismo modelo en serie o en paralelo cerca del suelo, especialmente si se instalan en la misma plataforma de soporte, las vibraciones de la frecuencia de trabajo entre los caudalímetros másicos se afectarán entre sí, causando vibraciones anormales y, en casos graves, el funcionamiento de los instrumentos.

2.1.3 Posicionamiento óptimo de instalación del sensor de caudal másico

La postura y la posición de instalación del sensor de caudal másico también son fundamentales para el correcto funcionamiento del medidor de caudal. Los sólidos residuales dentro del tubo de medición y las incrustaciones en la pared del tubo pueden afectar la precisión de la medición.

Instrucciones de instalación:

• Configuración ideal: tubería vertical que fluye de abajo hacia arriba
• Configuraciones alternativas: Determine la instalación vertical u horizontal según las condiciones de vibración de la tubería y los requisitos de la aplicación.
• Medición de caudal de líquido: Evite la instalación en puntos altos del sistema para evitar la acumulación de gas.
• Medición del flujo de gas: Evite la instalación en puntos bajos del sistema para evitar la acumulación de condensado
• Requisito crítico: garantizar el llenado completo del tubo de medición en todas las condiciones de funcionamiento

Por supuesto, en algunos casos especiales, el método de instalación de los sensores de caudal másico puede modificarse. Por ejemplo, debido a la tubería de proceso del caudalímetro másico para medición de petróleo crudo en la Unidad de Destilación Petroquímica de Jinxi, si bien mide líquidos, se instala de forma ascendente con el tubo de medición. En este caso, la contrapresión de salida del caudalímetro másico debe ser alta para garantizar que el tubo de medición esté lleno. Al mismo tiempo, se debe prestar atención a las vibraciones para reducir su impacto en la medición del caudalímetro.

2.1.4 Impacto en la instalación de la válvula

Requisitos de la válvula de cierre: para garantizar que el medio de medición no fluya cuando el sensor de flujo se ajusta a cero, se deben instalar válvulas de cierre aguas arriba y aguas abajo del medidor de flujo másico y asegurarse de que las válvulas no tengan fugas.

Posicionamiento de la válvula de control: Si es necesario instalar una válvula de control, debe instalarse aguas abajo del medidor de flujo másico, lo que es beneficioso para mantener la presión estática más alta posible del medidor de flujo másico para evitar la aparición de cavitación y evaporación instantánea.

Medición de propiedades del medio y efectos de los parámetros

2.2.1 Evaluación del impacto de la variación de presión

Estudio de caso: Desafío de medición de gas licuado:

En Jinxi Petrochemical, se utiliza un caudalímetro másico Coriolis para la medición de gas licuado, que siempre presentaba una gran desviación durante el proceso de medición. Se realizó una inspección exhaustiva de la instalación del caudalímetro másico y no se detectaron problemas. El caudalímetro másico se envió al departamento de calibración para su calibración, y los resultados fueron correctos. Sin embargo, tras la reinstalación, persistieron los problemas con los datos de medición del caudalímetro másico.

La presión de operación de fluidos no debe ser mayor que la presión nominal del medidor de flujo másico.

Análisis de la causa raíz: Ante esta situación, comparamos los parámetros operativos del caudalímetro in situ con los del proceso de calibración y observamos que la presión del gas licuado in situ era de 1,6 MPa, mientras que la presión del medio durante la calibración era de aproximadamente 0,3 MPa. Por lo tanto, el cambio en la presión del medio medida afectó la medición del caudalímetro másico.

Explicación del impacto técnico: De hecho, un medidor de caudal de calidad debe considerar primero que la presión del medio medido no supere la presión de trabajo especificada, así como el grado de influencia de las variaciones de presión estática. Las variaciones de presión afectan la estanqueidad del tubo de medición y el grado de efecto Bourdon, así como la desviación del cero original, que elimina la asimetría del tubo de medición. Si bien la variación de las constantes del instrumento y la deriva del cero son pequeñas, el impacto en los instrumentos de alta precisión no puede ignorarse cuando existe una diferencia significativa de presión y calibración durante el uso.

Correlación del efecto de la presión:

• Instrumentos de diámetro pequeño: Las altas relaciones entre el espesor de pared y el diámetro minimizan el impacto de la presión
• Instrumentos de gran diámetro: Las bajas relaciones entre el espesor de pared y el diámetro crean una sensibilidad a la presión significativa

Resultados de pruebas autorizados: Las pruebas independientes de ocho medidores de flujo másico demostraron efectos de presión cuantificables:

2.2.2 Efectos de variación de la densidad media

El cambio en la densidad del medio de medición altera la calidad del sistema de medición de caudal, lo que provoca una alteración en el equilibrio del sensor de caudal y una desviación del cero. Si se mide un líquido específico, siempre que se ajuste a cero en las condiciones reales de densidad del líquido, el cambio de densidad durante el uso no es significativo y, por lo general, no presenta problemas.

Desafíos de las tuberías de múltiples fluidos: Sin embargo, medir varios líquidos con diferencias de densidad significativas en una sola tubería puede generar errores adicionales debido a las variaciones del punto cero, lo que requiere una consideración cuidadosa durante el diseño y la operación del sistema.

2.2.3 Análisis del caudalímetro másico de impacto de viscosidad media

El caudalímetro másico de fuerza Coriolis puede medir un amplio rango de viscosidades de líquidos y presenta un buen rendimiento de medición. De hecho, la viscosidad del líquido puede alterar las características de amortiguación del sistema, lo que afecta el sesgo de cero y, en cierta medida, los valores de medición de caudal a caudales bajos.

Consideraciones de diseño: Uno de los principales factores que consideramos al seleccionar las especificaciones y tamaños de los medidores de caudal másico según las condiciones de uso es que la pérdida de presión estimada del instrumento se encuentre dentro del rango admisible del sistema de tuberías. Para lograr una precisión de medición óptima, considerando la caída de presión, el caudal máximo utilizado debe ser el más alto posible dentro del rango de caudal.

Curva de pérdida de presión/viscosidad del medidor de caudal Coriolis SH-CMF de silverinstruments.com

Relación viscosidad-caída de presión: La caída de presión de un caudalímetro másico aumenta con el aumento de la viscosidad del fluido, lo que significa que un aumento de la viscosidad incrementará la pérdida de presión del instrumento. El caudalímetro másico Coriolis utilizado para la medición de petróleo crudo en la unidad de destilación de Jinxi Petrochemical consideró plenamente los factores de aumento de la viscosidad y la pérdida de presión durante el proceso de selección, sin afectar el funcionamiento del equipo de proceso.

Caudal/Precisión/Caída de presión del medidor de caudal Coriolis serie SH-CMF de silverinstruments.com

Soluciones avanzadas y desarrollos futuros

Existen numerosos factores que afectan actualmente la medición normal de caudalímetros de calidad. Algunos requieren la reinstalación del caudalímetro, mientras que otros incluso requieren su reemplazo. Esto exige considerar exhaustivamente todos los factores influyentes en el proceso de selección de caudalímetros de calidad para garantizar su correcto funcionamiento.

Requisitos de mantenimiento y calibración: En aplicaciones prácticas, existen numerosos factores que provocan la deriva del cero, como la tensión de instalación de los sensores, la asimetría estructural de los tubos de medición y los cambios en los parámetros físicos del fluido medido. Esto requiere la comprobación y el ajuste periódicos del punto cero.

Avances tecnológicos de última generación: Actualmente, con el continuo avance de la tecnología de medición y la mejora continua del rendimiento de los medidores de caudal másico, se propone que algunos medidores de caudal másico en serie cumplan con las condiciones de laboratorio. Tras establecer el punto cero en fábrica, no es necesario ajustarlo in situ ni tras cambios en las condiciones del proceso. Esto reducirá el número de válvulas, simplificará la instalación y la carga de trabajo de mantenimiento de los medidores de caudal másico. Asimismo, se propone que la medición de los medidores de caudal másico no se vea afectada por los cambios de temperatura ni por los cambios de tensión en las tuberías.

Conclusión y perspectivas de la industria

El caudalímetro másico Coriolis es un instrumento de medición de caudal relativamente preciso, fiable, estable, eficiente y flexible, ampliamente utilizado en el procesamiento de petróleo, la industria química y otros sectores. También se utiliza con fiabilidad en la medición de gasolina, queroseno, diésel, hidrocarburos líquidos y otros productos de Jinxi Petrochemical Company, mejorando la precisión de la medición del caudal de energía y materiales y evitando pérdidas innecesarias.

Bienvenido a contactar a silverinstruments.com para obtener soluciones de medición de flujo másico.

Las mejoras continuas en el rendimiento de la tecnología de caudalímetros másicos Coriolis reducen progresivamente los factores que afectan el funcionamiento normal de la medición, a la vez que simplifican los requisitos de mantenimiento. Líderes del sector como Silver Instruments (silverinstruments.com) continúan desarrollando la tecnología de caudalímetros Coriolis, ofreciendo soluciones integrales para empresas petroquímicas que buscan la máxima precisión de medición y fiabilidad operativa.