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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