Dimensionamiento de rotámetros de tubo metálico para agua ultrapura y gas nitrógeno.

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La ampliación de una planta petroquímica en Taiwán requirió cuatro rotámetros de tubo metálico para dos aplicaciones distintas. Dos unidades DN25 y DN20 (1 pulgada y 3/4 de pulgada) necesitaban cuerpos de acero inoxidable 316 con revestimiento de PTFE, salida HART de 4-20 mA y carcasas NEMA 4X o IP65 para agua ultrapura a 0-250 kg/h y gas nitrógeno a 0-50 Nm³/h. Una cuarta línea solo requería indicación local, por lo que la especificación requería un rotámetro de tubo de PVC transparente a 0-7 Nm³/h. Silver Automation Instruments fabrica ambas configuraciones sobre la misma plataforma de rotámetro de tubo metálico HH50, con una precisión de ±0,5 % del rango.

Antecedentes: Un proyecto de expansión, cuatro puntos de flujo, dos fluidos.

Este caso proviene de un paquete real de adquisición de instrumentación para la ampliación de una planta petroquímica en Taiwán. El proyecto requería cuatro rotámetros en cuatro terminales independientes. Dos de ellos se utilizaban para medir agua ultrapura y nitrógeno, con salida de transmisor completa. Los otros dos se utilizaban para medir nitrógeno; uno requería salida HART para la integración con el sistema de control distribuido (DCS) y el otro solo necesitaba una báscula local.

Esa combinación es común en las ampliaciones de terrenos contaminados. Las líneas de servicios públicos rara vez reciben el mismo presupuesto para instrumentación que las líneas de proceso. Un ingeniero que dimensiona cuatro rotámetros para un proyecto a menudo termina especificando dos o tres niveles de construcción diferentes, en lugar de una unidad estándar repetida cuatro veces.

Hemos observado este patrón en numerosas ocasiones en plantas petroquímicas y de fibras químicas en Taiwán y el sudeste asiático. Una nueva línea de producción requiere una monitorización rigurosa con HART de 4-20 mA para el análisis de tendencias del DCS. Mientras tanto, una línea de purga o ventilación, que un operario solo revisa al pasar junto a ella, recibe una unidad de lectura local más económica y sin componentes electrónicos.

Aplicación 1: Rotámetro de tubo metálico DN25 para agua ultrapura, 0-250 kg/h

La primera especificación requería un rotámetro de tubo metálico de 1 pulgada (DN25) para una línea de agua ultrapura (UPW), montado en línea, con flujo vertical, de abajo hacia arriba. El cuerpo y el flotador se especificaron en acero inoxidable 316 con revestimiento de PTFE, conectados mediante una brida RF de 1 pulgada y 150 lb. Debido a que el agua ultrapura absorbe fácilmente la contaminación, un material de tubo que no desprenda partículas ni libere iones al flujo es más importante en este caso que en una aplicación típica de agua de proceso.

El caudal normal se fijó en 150 kg/h, con un máximo de 250 kg/h. En términos volumétricos, con una densidad relativa de 1000 kg/m³, esto equivale aproximadamente a entre 0,15 y 0,25 m³/h, o entre 0,66 y 1,1 GPM. Se trata de una línea pequeña para los estándares petroquímicos, y es precisamente el tipo de carga que maneja bien un rotámetro de tubo metálico, ya que las unidades de tubo de vidrio no están diseñadas para la presión de trabajo aquí especificada.

La presión de trabajo alcanzó los 5 kg/cm²G (aproximadamente 4,9 bar o 71 psi), con una condición normal de 3 kg/cm²G (43 psi), y la temperatura máxima fue de 60 °C (140 °F). La especificación permitía una caída de presión de 0,5 kg/cm²G (0,49 bar o 7,1 psi) a través del medidor, lo cual es típico para un rotámetro de tubo metálico de este tamaño y rango de caudal. La salida fue de 4-20 mA con HART, alimentada por bucle a 24 VCC, con una carcasa NEMA 4X o IP65 y una precisión nominal de ±0,5 % del rango.

Aplicación 2: Rotámetros de tubo metálico DN20 para monitorización de gas nitrógeno, 0-50 Nm3/h

Dos etiquetas de este proyecto realizaban mediciones de flujo de gas nitrógeno prácticamente idénticas, ambas en tuberías de 3/4 de pulgada (DN20) con bridas RF de 3/4 de pulgada y 150#, cuerpos de acero inoxidable 316 con revestimiento de PTFE y la misma salida HART de 4-20 mA y carcasa NEMA 4X/IP65 que el medidor UPW. El rango de flujo era de 0 a 50 Nm³/h, aproximadamente 29,4 SCFM, con un punto de funcionamiento normal de 15 Nm³/h (8,8 SCFM).

Las líneas de inertización y purga de nitrógeno como esta aparecen constantemente en las plantas petroquímicas. La inertización de tanques, la purga de instrumentos y el gas de sellado se abastecen del mismo colector de servicios, y cada ramal suele tener su propio indicador de flujo local para que los operadores puedan confirmar que la cantidad correcta se dirige al lugar adecuado.

La densidad del gas es importante para el dimensionamiento del rotámetro, a diferencia de lo que ocurre con el servicio de líquidos. Esta especificación indicaba un peso molecular de 28, que corresponde al nitrógeno, y una viscosidad de 0,01 cP. Un rotámetro calibrado con un gas diferente o una presión de referencia diferente dará lecturas erróneas, a veces con un margen amplio, por lo que el flotador y la escala debían calibrarse con el gas de servicio real y la presión máxima indicada de 5 kg/cm²G (71 psi) y la presión de trabajo normal de 2 kg/cm²G (28 psi). La temperatura máxima era de 60 °C (140 °F), con un funcionamiento normal a temperatura ambiente.

Aplicación 3: Rotámetro de tubo de PVC transparente DN20, indicación local únicamente, 0-7 Nm³/h

La cuarta etiqueta fue la excepción. Mismo tamaño de línea de 3/4 de pulgada (DN20) y conexión RF de 3/4 de pulgada y 150# que las dos unidades HART anteriores, pero sin salida de transmisor, solo una escala local. El material del tubo y del flotador cambió de acero inoxidable 316 con revestimiento de PTFE a PVC transparente. El rango de flujo se redujo a 0-7 Nm3/h, aproximadamente 4,1 SCFM, y la presión nominal también fue menor, 5 kg/cm2G (71 psi) máximo, pero solo 1 kg/cm2G (14 psi) en operación normal.

Esta es una medida común para ahorrar costos en ramales de servicios de menor criticidad. Un rotámetro de tubo de PVC transparente cuesta una fracción de lo que cuesta un transmisor HART de acero inoxidable, y para una línea que un operador solo necesita revisar durante una inspección, suele ser la opción más acertada. Sin embargo, los rotámetros de tubo de PVC soportan límites de presión y temperatura más bajos que las unidades de tubo metálico, por lo que la presión de trabajo en este ramal debe mantenerse muy por debajo del límite nominal del tubo, no solo dentro de la presión de diseño del proceso.

Resumen de especificaciones

Por qué un rotámetro tenía sentido para estos cuatro puntos

Ninguno de estos cuatro puntos de flujo requería la precisión o repetibilidad que justificara un medidor Coriolis o electromagnético. La dosificación de agua ultrapura a menos de 1,1 GPM y las derivaciones de nitrógeno a menos de 30 SCFM se encuentran justo en el rango donde la precisión de ±0,5 % del rango de un rotámetro de tubo metálico es más que suficiente, y donde el menor costo de instalación es importante.

Es importante mencionar con honestidad la desventaja de esta limitación. La lectura de un rotámetro depende de la densidad del fluido que lo atraviesa. Si se cambia el gas, la presión o la gravedad específica del líquido, la calibración deja de ser válida a menos que el medidor haya sido dimensionado y calibrado para esas condiciones específicas. Por eso, en este proyecto, cada etiqueta especificaba su propio fluido, presión y temperatura, en lugar de reutilizar una única calibración para las cuatro.

Para los puntos donde la lectura de flujo alimenta un DCS o se registra para un registro de lote, recomendamos la salida HART de 4-20 mA, tal como se especifica en tres de las cuatro etiquetas. Para una línea de purga o ventilación donde una simple verificación visual es suficiente, la versión con tubo transparente y solo indicación local reduce el costo sin sacrificar ninguna de las funciones que la aplicación realmente necesita.