INGENIERIA CONCEPTUAL(medidor de caudal)

1.- Planteamiento del problema

La planta Mentor S.A. fue construida para la producción de Metanol. Esta requiere en una de las etapas del proceso de formación de dicho gas, aire de medio ambiente. El cual es succionado a través de una chimenea en la cual esta montado un tubo Venturi por medio del cual se miden las variables de interés: presión, flujo y temperatura.

Las lecturas que arrojan los transmisores de presión (PT-227), flujo (FT-212) y temperatura (TE-243) se mantienen constantemente oscilando con un rango de variación, no aceptado y perjudicial para el control del proceso.

El problema se presenta con el control de la turbina que comanda al ventilador de tiro forzado (K-201) quien succiona el aire del ambiente que se suministra al reformador, la cual varia sus RPM en proporción a la salida del transmisor de flujo ocasionando que el proceso de reformación del gas se ve afectado.
En la figura siguiente se muestra el diagrama de flujo representativo de la sección de entrada de aire hacia el reformador con su respectivo símbolo que conforma el lazo de control.



              Figura 1. Sistema de succión de aire.

2.- Descripción del funcionamiento de la planta:

La planta esta orientada específicamente a la producción de Metanol. Todo el proceso consiste básicamente en la reformación del gas natural, seguida por la síntesis y purificación del Metanol.
La materia prima, el gas natural, así como el agua filtrada y potable, y la electricidad son insumos que suministra Pequiven a Metor. Otras necesidades vapor y agua desmineralizada son producida por la misma planta.


El proceso de formación de Metanol (ver figura 2) comprende principalmente las siguientes etapas:

• Recepción y distribución del gas natural.
• Hidrodesulfuracion.
• Reformación.
• Compresión
• Síntesis del Metanol.
• Destilación





Figura 2. Produccion de metanol en Metor.

Recepción y distribución del gas natural

Es suministrado por Pequiven y proviene de Corpoven, pasa a través del tambor separador de entrada de gas natural para eliminar el contenido de pesados. El contenido de este tambor se distribuye al área de servicios para alimentar las calderas auxiliares, los quemadores del reformador como gas natural combustible y al área de deshidrodesulfuracion para ser acondicionado como gas natural del proceso.

Hidrodesulfuracion

Esta etapa elimina los compuestos de azufre en la forma de sulfuro de hidrogeno, sulfuro carbolilo y mercaptanos antes de que entre al horno reformador para evitar el envenenamiento del catalizador de cobre de la etapa de síntesis. El máximo contenido de azufre a la entrada del catalizador debe ser de 0,1 ppm.
La sección de hidrodesulfuracion consta del hidrogenador y los absorbedores de azufre.

Reformación

El gas desulfurado pasa al saturador de gas natural donde entra en contacto con el condensado de agua del proceso proveniente de la zona de recuperación de calor. En este equipo se evapora el condensado empleando el calor utilizado por el gas reformado. La mezcla gas vapor sale del saturador con 20% del vapor requerido en la reformación, el 80% restante es suministrado desde el cabezal de vapor de media presión.

La mezcla del gas natural-vapor es calentado en el precalentador de vapor de gas natural ubicado en la zona de convección. En estas condiciones entra al reformador.
El reformador es un horno aislado térmicamente con 195 quemadores distribuidos en el techo para el suministro de calor. El combustible para los quemadores es gas natural y aire en exceso para lograr combustión completa. Dentro del reformador hay 700 tubos llenos de catalizador en base a oxido de níquel. La reacción global es endotérmica.

Las condiciones de equilibrio dependen de las condiciones del proceso, tales como: temperatura de reacción, presión y relación vapor/carbono. Las condiciones que favorecen el proceso son: Alta temperatura, baja presión, alta reacción vapor/carbono y alta actividad del catalizador.
El gas de salida se denomina gas reformado, por lo que se conoce a esta etapa como la sección de alta temperatura del proceso.

Seguidamente al gas se le aplican cambios de temperatura antes de entrar a la sección de compresión.

Compresión

En esta sección el gas donde entra el gas se eleva la presión a traves de un compresor centrífugo. La temperatura del gas de salida es de 96 grado centígrados.

Síntesis del Metanol

La salida de la sección de compresión pasa a través del precalentador nº 1 el cual tiene dos salida:

Una se usa como gas de enfriamiento rápido para controlar la temperatura de los lechos catalíticos y otra como la alimentación del gas fresco al convertidor de Metanol. El gas sufre cambios de temperatura y presión y pasa al separador de Metanol y su salida se conoce como Metanol crudo, la que pasa a otro separador para eliminar los gases disueltos en el y luego enviarlo a los tanque de almacenamiento.

Destilación

El Metanol crudo contiene aproximadamente 80% de Metanol, 18% de agua e impurezas tales como alcohol pesado, parafina, dimetil éter, cetonas, formiato de metilo, acido ascético que son producidos simultáneamente con el Metanol. Es por ello que se requiere la purificación del producto por destilación.

3.- Soluciones de Terceros

Una solución para corregir el problema fue la instalación de un segundo medidor de flujo montado en el Venturi cerca del que se encontraba instalado con anterioridad para una mayor fiabilidad de la medición, sin embargo, este segundo transmisor montado también presento variaciones similares al primer medidor de flujo ya que están sometidos a las mismas condiciones dentro del tubo de venturi, y aunque las mediciones son relativamente mas fiables pero no suficientes, hay que considerar que no es una opción viable económicamente por lo costoso de implementar una serie de medidores.

Un segundo método para aplicar es la colocación de dos pares de medidores ultrasónicos en la chimenea, por ejemplo el de la figura 3, de una configuración simple en donde dos sensores están a ambos lados del tubo para tomar mediciones.



             Figura 3. Configuración simple

Existen muchas ventajas asociadas a los medidores ultrasónicos:

• Porcentajes de error relativamente bajos.
• Inmunes a los ruidos ambientales y circundantes.
• Ausencia de piezas móviles.
• Resistencia al ambiente hostil.

Sin embargo para ciertos procesos específicos como el actual los medidores ultrasónicos pueden tener inconvenientes:

• Por lo general el caudal de flujo presenta repentinas variaciones ya que proviene directamente del ambiente afectando a los medidores ultrasónicos.
• La geometría del tubo de venturi genera en el flujo oscilaciones y por tanto afecta a los sensores ultrasónicos.


4.- Planteamiento y análisis comparativo de soluciones

Las soluciones expuestas por terceros son buenas opciones pero en vista de que no se lograba mantener la estabilidad deseada en la medición del caudal de la chimenea, ya que el problema esta ligado a su uso, es necesario una alternativa que ofrezca confianza y reducción en la variación.

Esta otra alternativa consistió en el calculo de la concentración de oxigeno del gas efluente usado en el proceso de reformación a través de dos analizadores de oxigeno denominado QI207 y QI207-1. Esta nueva medida es más estable que la realizada por el FT212 por lo que el lazo tiende a mantenerse estable.

A esta alternativa hay que agregar que la adición de un enderezador de flujo al sistema siendo este un elemento necesario ya que ayuda a corregir el caudal del flujo y por lo tanto puede reducir los errores de medición a la vez de mejorar el control del sistema.

El enderezador de flujo es una tubería especial cuyo objetivo es redirigir el caudal de forma uniforme, por lo general esta ubicado corriente arriba del sensor, de forma que la uniformidad del caudal permita que el sensor tome las mediciones de forma exacta.

En la industria petroquímica estos dispositivos son muy frecuentes de encontrar, y aunque hay muchos tipos de enderezadores hay 3 que son muy estándar:

• Acondicionador de tubo Bundle (figura 4).
• Enderezador de flujo Zanker (Figura 5).
• Enderezador de flujo Sprenkle (Figura6).

De los tres tubos usados anteriormente, el tubo bundle es el más usado, este tubo consiste en una serie de tubos pequeños circulares dispuestos de forma paralela y alineada al eje de la tubería (Ver figura 4).                



                 Figura 4. Tubo de Bundle

Por lo general la diferencia de estos enderezadores es la geometría de las secciones de las tuberías como el caso del tubo de Zanker (figura 5) y el tubo de Sprenkle (Figura6). Es de destacar que la construcción de estos enderezadores no requiere de un material especial, y ofrece un rango de medidas amplio a escoger para su diseño.
       


                     Figura 5. Tubo de Zanker.
 


                     Figura 6. Tubo de Sprenkle.

La solucion presentada es la mas idonea con respecto a otras soluciones suministradas por terceros en el sentido de que los enderezadores ayudan a un mejor direccionamiento del caudal al sensor y asi para que el sensor capte mejor las variables para optimizar al lazo de control y mejorar el desempeño del proceso.

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