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Este artículo presenta el principio de funcionamiento y las ventajas del caudalímetro másico de fuerza Coriolis , centrándose en la enumeración y el análisis de algunos problemas detectados en su uso en diversos procesos de medición de materiales en la industria petroquímica. Asimismo, plantea las cuestiones que deben tenerse en cuenta en la selección e instalación del caudalímetro másico de fuerza Coriolis y analiza la influencia de la tensión y la presión sobre este dispositivo.
El caudalímetro másico de fuerza Coriolis se utiliza ampliamente en la industria petroquímica y otros campos, y es uno de los instrumentos de medición de caudal más avanzados del mundo en la actualidad.
El caudalímetro másico Coriolis es popular en la industria petroquímica.
Como gran 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 el proceso de medición de estos materiales, especialmente en la medición de los productos de fábrica, con una precisión inferior al 2 ‰, lo que mejora la precisión de la medición del flujo de energía y materiales de Jinxi Petrochemical Company, evita pérdidas innecesarias y garantiza que los intereses de la empresa no se vean perjudicados.
Para las empresas que buscan soluciones fiables de medición de flujo Coriolis, compañías como Silver Automation Instruments ofrecen líneas completas de productos de caudalímetros másicos diseñados para satisfacer las exigentes necesidades de la industria petroquímica.
Silverinstruments.com ofrece una línea completa de medidores de flujo Coriolis.
El caudalímetro másico Coriolis (CMF) es un caudalímetro 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 m se mueve a una velocidad υ en una tubería que gira a una velocidad angular 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 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. Fuerza de Coriolis
Implementación moderna de la fuerza de Coriolis
Por lo tanto, la medición directa o indirecta de la fuerza de Coriolis generada por el fluido que fluye en una tubería giratoria permite determinar el caudal másico, que es el principio básico de la fuerza de Coriolis.
Sin embargo, es difícil generar la fuerza de Coriolis mediante movimiento rotacional. Actualmente, todos los productos se generan mediante vibración en tuberías, lo que implica que un tubo de medición de paredes delgadas con dos extremos fijos se excita a la frecuencia de resonancia o cercana a ella (o a su frecuencia armónica superior) en el punto medio. El fluido que fluye dentro del tubo genera la fuerza de Coriolis, provocando una deflexión opuesta en las mitades anterior y posterior del tubo en el punto medio. La magnitud de la deflexión se detecta para obtener el caudal másico.
Las ventajas del caudalímetro másico de fuerza Coriolis incluyen principalmente los siguientes aspectos:
(1) Medición directa del caudal másico con alta precisión de medición; a diferencia de los caudalímetros volumétricos (como los caudalímetros de turbina o los caudalímetros de vórtice) que requieren compensación de densidad, los medidores Coriolis proporcionan una medición directa de la masa con una precisión líder en la industria.
Los caudalímetros volumétricos, como los caudalímetros de vórtice, no pueden medir directamente el flujo másico.
(2) Amplia gama de fluidos medibles, 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 densidad suficiente (gases a alta presión).
(3) La amplitud del tubo de medición es pequeña y puede considerarse como un componente no móvil; no hay obstrucciones ni partes móviles dentro del tubo de medición.
(4) No es sensible a la distribución de la velocidad del flujo aguas arriba, por lo tanto no se requieren secciones de tubería rectas aguas arriba y aguas abajo.
(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 flujo másico puede medir múltiples parámetros. La medición simultánea del caudal másico puede medir la densidad y la temperatura del fluido, así como derivar mediciones del caudal volumétrico, la concentración de soluto y el contenido de diferentes fases (o componentes) en fluidos bifásicos líquido-sólido (o líquidos bicomponentes inmiscibles).
El medidor de flujo másico Coriolis puede detectar múltiples parámetros.
En las operaciones petroquímicas, el creciente interés por el control de costos y la eficiencia ha elevado los estándares de medición de energía y materiales en toda la cadena de producción y distribución. Las instalaciones han modernizado y actualizado progresivamente sus instrumentos de medición, incluidos los caudalímetros másicos utilizados para controlar las transferencias de materiales entre las unidades de procesamiento de petróleo crudo y los equipos asociados.
En el sector de la dosificación de productos, los caudalímetros másicos Coriolis de alta precisión se utilizan ampliamente para gasolina, queroseno, diésel, gas licuado y propileno. Proveedores de calidad como Silver Instruments ( silverinstruments.com ) han respaldado estas implementaciones con soluciones de caudalímetros Coriolis robustas y de eficacia probada, diseñadas específicamente para entornos petroquímicos.
El caudalímetro Coriolis se puede utilizar para medir gasolina, diésel, GLP, queroseno, etc.
Si bien los caudalímetros másicos ofrecen un rendimiento excepcional, pueden surgir diversos problemas durante su funcionamiento. Según nuestro análisis, las principales causas de estos problemas se dividen generalmente en dos categorías: factores externos, como una instalación incorrecta, y factores internos relacionados con las propiedades físicas y los parámetros del fluido medido.
Caso práctico: Desafío en la instalación de un muelle de carga:
En 2002, el muelle de carga de Jinxi Petrochemical se equipó con seis caudalímetros másicos DN150 (6 pulgadas), que se utilizaban para medir la gasolina y el diésel durante la carga. Durante la operación inicial, uno de los caudalímetros de diésel registraba con frecuencia un flujo instantáneo breve de 5 a 7 toneladas sin que se estuviera realizando ninguna carga.
Cómo realizar el ajuste del punto cero en un caudalímetro másico Coriolis
A pesar de las múltiples inspecciones in situ y los ajustes del punto cero, este fenómeno persistió. Finalmente, se separó el sensor de flujo másico de la tubería de proceso y se descubrió que la brida de un lado del sensor presentaba una diferencia horizontal de 3 cm con respecto a la brida que conectaba con la tubería de proceso.
En aquel momento, el equipo de instalación no era lo suficientemente profesional y el comandante en obra carecía de experiencia. En este caso, el sensor de flujo másico estaba conectado de forma rígida y la tensión de la tubería actuaba sobre él. En caso de fuertes vientos marinos, el caudalímetro experimentaba con frecuencia un breve pico de caudal instantáneo de 5 a 7 toneladas, lo que afectaba a su funcionamiento normal.
Instalación correcta para garantizar el funcionamiento adecuado del caudalímetro Coriolis.
Por lo tanto, la instalación de los caudalímetros másicos y factores como el entorno in situ son los principales factores que afectan a la medición normal de los caudalímetros másicos Coriolis. Este caso demuestra cómo la calidad de la instalación y los factores ambientales impactan de forma crítica en el rendimiento del caudalímetro, haciendo que los procedimientos de instalación adecuados y la orientación de expertos sean esenciales para una implementación exitosa.
1.1 Análisis del impacto de la tensión en la tubería
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 si la temperatura de la tubería cambia, se generarán tensiones en la tubería que formarán fuerzas de presión, tensión o cizallamiento que actuarán sobre la alineación entre las tuberías de medición del caudalímetro másico, provocando una asimetría de la sonda de detección y dando lugar a una deriva del punto cero.
Estrategias de mitigación:
Por lo tanto, durante la instalación del caudalímetro, es necesario asegurar que el centro de la tubería conectada al sensor de flujo esté alineado. Asimismo, en caso de grandes variaciones de temperatura, se pueden instalar accesorios de aislamiento por dilatación térmica en la tubería.
1.2 Gestión de vibraciones ambientales
Ejemplo práctico: El medidor de flujo másico Coriolis de la unidad de destilación petroquímica de Jinxi, que mide el petróleo crudo, está instalado dentro de la unidad, 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, lo que resulta en un rendimiento anormal de la unidad.
Implementación de la solución: En este caso, hemos instalado soportes en ambos extremos del caudalímetro para reducir el impacto de las vibraciones y garantizar su funcionamiento normal.
Es mejor tener soportes en ambos extremos del medidor de flujo másico.
Los caudalímetros másicos pueden funcionar en entornos con vibraciones, pero deben estar aislados de las mismas.
Mejores prácticas para el control de vibraciones:
Especialmente en casos de alta vibración, se pueden usar tuberías flexibles para conectar con el tubo de vibración y estructuras de soporte para aislar la vibración. Sin embargo, es fundamental evitar que la frecuencia de vibración coincida con la frecuencia de operación o la frecuencia armónica del caudalímetro. Cuando se instalan varios instrumentos del mismo modelo en serie o en paralelo cerca del suelo, sobre todo en la misma plataforma de soporte, las vibraciones de la frecuencia de trabajo entre los caudalímetros se afectan mutuamente, provocando vibraciones anormales y, en casos graves, el mal funcionamiento de los instrumentos.
1.3 Posicionamiento óptimo para la instalación del sensor de flujo másico
La postura y la posición de instalación del sensor de flujo másico también son muy importantes para el funcionamiento normal del caudalímetro. Los sólidos residuales dentro del tubo de medición y la acumulación de incrustaciones en la pared del tubo pueden afectar la precisión de la medición.
Instrucciones de instalación:
Requisito crítico : Asegurar 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 flujo másico puede modificarse. Por ejemplo, en la unidad de destilación petroquímica de Jinxi, el caudalímetro de flujo másico para la medición de petróleo crudo, si bien mide líquidos, utiliza un método de instalación ascendente con el tubo de medición. En este caso, la contrapresión de salida del caudalímetro debe ser alta para asegurar que el tubo de medición esté lleno. Asimismo, se debe prestar atención al problema de las vibraciones para reducir su impacto en la medición del caudalímetro.
1.4 Impacto de la instalación de la válvula
Requisitos de las válvulas de cierre: Para garantizar que el fluido 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, esta debe instalarse aguas abajo del caudalímetro másico, lo cual es beneficioso para mantener la mayor presión estática posible del caudalímetro másico y evitar la aparición de cavitación y evaporación instantánea.
Caso práctico: El reto de la medición de gases licuados:
En la planta petroquímica de Jinxi se utiliza un caudalímetro másico Coriolis que presenta una desviación de medición considerable. Se realizó una inspección exhaustiva de la instalación del caudalímetro, sin detectarse problemas. El caudalímetro se envió al departamento de calibración para su ajuste, obteniéndose resultados satisfactorios. Sin embargo, tras su reinstalación, persistieron los problemas con los datos de medición.
La presión de operación de los fluidos no debe superar la presión nominal del caudalímetro másico.
Análisis de la causa raíz: Ante esta situación, comparamos los parámetros de funcionamiento del caudalímetro in situ con los parámetros 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 el proceso de calibración era de aproximadamente 0,3 MPa. Por lo tanto, la variación en la presión del medio medida afectó la medición del caudalímetro másico.
Explicación del impacto técnico: De hecho, para un caudalímetro de calidad, es fundamental considerar que la presión del fluido medido no supere la presión de trabajo especificada, así como el grado de influencia de las variaciones de presión estática. Estas variaciones afectan la estanqueidad del tubo de medición y el efecto Bourdon, además de la desviación del cero original, que altera la asimetría del tubo. Si bien la variación de las constantes del instrumento y la deriva del cero son mínimas, su impacto en instrumentos de alta precisión es considerable cuando se produce una diferencia significativa de presión y calibración durante su uso.
Correlación del efecto de la presión:
• Instrumentos de pequeño diámetro: Las altas relaciones entre el espesor de la pared y el diámetro minimizan el impacto de la presión.
• Instrumentos de gran diámetro: Las bajas relaciones entre el espesor de la pared y el diámetro generan una sensibilidad a la presión significativa.
Resultados de pruebas autorizadas: Las pruebas independientes realizadas a ocho caudalímetros másicos demostraron efectos de presión cuantificables:
| Presión estática MPa | 2 | 2.4 | 2.8 | |
| Error de medición de flujo % | promedio | -2.21 | -3,25 | -0,375 |
| máximo | -1,57 | -2,55 | -2,6 | |
| min | -3.15 | -4 | -4,56 | |
| Nota: La presión durante la calibración prevalecerá | ||||
Figura 3. Impacto de la presión.
El cambio en la densidad del medio de medición altera la calidad del sistema de medición de flujo, provocando una alteración en el equilibrio del sensor y, en consecuencia, una desviación del cero. Si se mide un líquido específico, siempre que se haya calibrado a cero en las condiciones reales de densidad del líquido, el cambio de densidad durante su uso no es significativo y, por lo general, no hay problema.
Desafíos de las tuberías multifluídicas: Sin embargo, la medición de varios líquidos con diferencias de densidad significativas en una sola tubería puede generar errores adicionales debido a variaciones en el punto cero, lo que requiere una consideración cuidadosa durante el diseño y la operación del sistema.
El caudalímetro másico de fuerza Coriolis puede medir un amplio rango de viscosidad de líquidos y ofrece un buen rendimiento de medición. De hecho, la viscosidad del líquido puede modificar las características de amortiguación del sistema, afectando así al sesgo de cero y teniendo cierto impacto en los valores de medición de caudal a bajas velocidades.
Consideraciones de diseño: Uno de los factores principales que consideramos al seleccionar las especificaciones y tamaños de los caudalímetros másicos 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, teniendo en cuenta la caída de presión, el caudal máximo utilizado debe seleccionarse lo más alto posible dentro del rango de caudal.
Curva de pérdida de presión/viscosidad del caudalímetro Coriolis SH-CMF de silverinstruments.com
Relación entre viscosidad y caída de presión: La caída de presión de un caudalímetro másico aumenta con el incremento 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 viscosidad y pérdida de presión durante el proceso de selección, sin afectar el funcionamiento del equipo.
Caudal/Precisión/Caída de presión del caudalímetro Coriolis de la serie SH-CMF de silverinstruments.com
Actualmente, existen muchos factores que afectan la medición normal de los caudalímetros de calidad. Algunos de estos factores requieren la reinstalación del caudalímetro, mientras que otros incluso exigen su sustitución. Por ello, es fundamental considerar exhaustivamente todos los aspectos que influyen en la medición durante el proceso de selección de caudalímetros de calidad para garantizar su correcto funcionamiento.
Requisitos de mantenimiento y calibración: En aplicaciones prácticas, existen muchos factores que provocan la desviación del punto cero, como la tensión de instalación de los sensores, la asimetría estructural de los tubos de medición y las variaciones en los parámetros físicos del fluido medido. Esto requiere la comprobación y el ajuste periódicos del punto cero.
Avances en tecnología de última generación: Actualmente, gracias al continuo avance de la tecnología de medición y la mejora constante del rendimiento de los caudalímetros másicos, algunos modelos proponen que su funcionamiento en campo sea consistente con las condiciones de laboratorio. Tras establecer el punto cero en fábrica, no es necesario ajustarlo en campo ni tras cambios en las condiciones del proceso. Esto reduce el número de válvulas, simplifica la instalación y disminuye la carga de trabajo del mantenimiento de los caudalímetros másicos. Asimismo, se propone que la medición de los caudalímetros másicos no se vea afectada por cambios de temperatura ni por variaciones en la tensión de la tubería.
El caudalímetro másico Coriolis es un instrumento de medición de flujo relativamente preciso, fiable, estable, eficiente y flexible, que se utilizará ampliamente en el procesamiento de petróleo, la industria química y otros sectores. También se utiliza con fiabilidad en el proceso de medición de gasolina, queroseno, diésel, hidrocarburos líquidos y otros productos de la empresa petroquímica Jinxi, mejorando la precisión de la medición del flujo de energía y materiales y evitando pérdidas innecesarias.
Bienvenido a contactar con silverinstruments.com para obtener soluciones de medición de flujo másico.
Las continuas mejoras en el rendimiento de la tecnología de caudalímetros másicos Coriolis reducen progresivamente los factores que afectan al funcionamiento normal de la medición, a la vez que simplifican los requisitos de mantenimiento. Líderes del sector como Silver Instruments siguen impulsando la tecnología de caudalímetros Coriolis, ofreciendo soluciones integrales para empresas petroquímicas que buscan los más altos niveles de precisión de medición y fiabilidad operativa.
