Medición Continuada de Densidad y Concentración en Procesos Industriales

Existen muchos métodos de medición en procesos industriales basados en distintas tecnologías, tales como medidores nucleares, refractómetros, medidores másicos de efecto Coriolis, medición con diapasón vibrante, areómetros, análisis de laboratorio, etc. El transmisor capacitivo de densidad y concentración mide de forma continuada y precisa la densidad y la concentración de líquidos a través de una sonda de inmersión y dos sensores de presión integrados en una sola unidad.

Muchos procesos industriales necesitan medición continuada de densidad para funcionar eficientemente y garantizar calidad y uniformidad al producto final. Esto incluye ingenios de azúcar y etanol, cervecerías, lacticinios, industrias químicas y petroquímicas, de papel y celulosa, de minería, entre otras. La densidad es uno de los mejores indicadores de la composición de un producto y fue usada, por ejemplo, por Arquímedes (250 a.C.) para determinar que la corona del rey Hiero no era de oro puro.

Los artículos siguientes presentarán las características del transmisor capacitivo de densidad y concentración de líquidos directamente en los procesos industriales.

El 1r  tema presentará el transmisor digital de densidad y concentración capacitivo, el artículo 1, su principio fundamental de funcionamiento, el artículo 2, las formas de instalación y montaje, el artículo 3, los detalles de calibración y puesta en marcha, el artículo 4, la operación y el mantenimiento. El 2º tema compara el transmisor capacitivo con otras tecnologías disponibles para medición de densidad. El 3r tema enumera las aplicaciones más frecuentes de este transmisor. Y el último asunto lleva la conclusión de este trabajo.

Transmisor Digital Capacitivo de Densidad y Concentración

Este transmisor utiliza el principio de medición de presión diferencial hidrostática entre dos puntos separados por una distancia fija y conocida para calcular con precisión la densidad y la concentración de líquidos.


F1. cálculo de densidad del fluido a través del diferencial de presión hidrostática

1. Principio de funcionamiento

El equipo utiliza un sensor de presión diferencial tipo capacitivo que se comunica mediante capilares con los diafragmas inmergidos en el fluido de proceso, separados  por una distancia fija.

La presión diferencial sobre el sensor será directamente proporcional a la densidad del líquido medido (ver figura y fórmulas). Este valor de presión diferencial no es afectado por la variación del nivel del líquido ni la presión interna del recipiente. El transmisor capacitivo tiene también un sensor de temperatura ubicado entre los sensores de presión para efectuar la corrección y la normalización de los cálculos basado en la temperatura del proceso.

La temperatura del proceso posibilita corregir la distancia entre los diafragmas y aún la variación volumétrica del fluido de llenado de los capilares que transmiten la presión de los sensores a la célula capacitiva. Como el sensor utilizado es del tipo capacitivo emite una señal digital, y el procesamiento posterior de la unidad electrónica es también es digital, se obtiene medición de alto nivel de estabilidad y precisión.

Con la información generada y la temperatura del proceso el software de la unidad electrónica efectúa el cálculo de densidad o de concentración, enviando una señal de corriente o digital proporcional a la escala de densidad o concentración seleccionada por el usuario (ºBrix, ºPlato, ºBaumé, g/cm3, etc.).

La misma información podrá obtenerse en el indicador digital local o de forma remota a través de la comunicación digital.

El transmisor inteligente de densidad capacitivo provee una precisión de ± 0,0004 g/cm3 (± 0,1 ºBrix), y puede utilizarse en mediciones  de densidad  de 0,5 g/cm3 a 5 g/cm3.

Este método de medición está inmune a variaciones de nivel del recipiente y puede emplearse tanto en tanques abiertos como en tanques presurizados. La única condición obligatoria es que ambos sensores de presión deben estar en contacto permanente con el fluido que se está midiendo.

Otra importante ventaja de este transmisor es su robustez, pues no tiene partes móviles y soporta las vibraciones de la planta, al contrario de los medidores de densidad basados en la oscilación de un elemento sensor.

1a. Medición de densidad

El transmisor capacitivo mide la densidad de líquidos de la siguiente manera, vista en la figura 1.

Presión hidrostática aplicada en el transmisor de densidad capacitivo:

P1 = ρ. g . h1
P2 = ρ. g . h2
P1 - P2 = ρ. g . (h1 - h2)
Δp = ρ. g . h
ρ= Δp / g . h

La fórmula del cálculo de densidad está en la figura 1, done:

ρ: Densidad
t : Temperatura del proceso
Δp : Diferencial de presión
a : Coef. de compensación de temperatura del fluido de llenado
tzero : Temperatura de calibración del transmisor
g : Aceleración de la gravedad local
h : Distancia entre los diafragmas
a : Coeficiente de dilatación del metal
tmed: Temperatura de medición de h

1b. Medición de concentración

Concentración es la cantidad de un elemento en una solución y, por lo tanto, esta medida no depende de la temperatura, al contrario de la densidad.

Si tenemos una solución con 25% de azúcar a 20ºC, la solución tendrá densidad ρ; si calentamos la solución a 60ºC seguimos con los mismos 25% de azúcar, pero la densidad de la solución será ρ', tal que ρ' < ρ, pues siempre que aumentamos la temperatura de un líquido su densidad disminuye. 

Por lo tanto, algunos procesos industriales utilizan la concentración como unidad de medición y para control del proceso. Las unidades de concentración mas usadas son:

Grado Brix y Grado Plato:es el porcentaje de masa de sacarosa presente en una solución. Por ejemplo: la solución a 30º Brix tendrá 30g de sacarosa en 100g de solución. Utilización: industrias de azúcar y etanol, de jugos, refrigerantes, cervecerías, etc.

Grado Baumé:hay dos fórmulas distintas para su cálculo, una para líquidos más leves que el agua y otra para líquidos más pesados: °Bé (leve) = 140 / DR @ 60°F – 130; °Bé (pesado) = 145 – 145 / DR @ 60°F. Utilización: industrias químicas, petroquímicas, papel y celulosa, etc.

Grado INPM: es el porcentaje en peso de alcohol de una solución hidroalcohólica. Por ejemplo: una solución hidroalcohólica a 97ºINPM contiene 97 g de alcohol en 100g de solución. Utilización: destilerías de alcohol, etc.

Grado GL(Gay Lussac): es el porcentaje de volumen de alcohol en una solución hidroalcohólica. Por ejemplo: una solución hidroalcohólica a 97ºGL contiene 97 g de alcohol en 100g de solución. Utilización: industrias de bebidas, etc.

Grado API:se calcula a través de la expresión: °API = 141,5 / DR @ 60°F – 131,5. Utilización: industria del petróleo.

 % de sólidos: se puede calcular el porcentaje de sólidos de un fluido a través de la siguiente ecuación: % Sol.=a0 + a1.Bé + a2.Bé2 + a3.Bé3 + a4.Bé4 + a5.Bé5. Se hace una tabla relacionando la concentración en Grado Baumé del fluido del proceso con el porcentaje de sólidos obtenida en el laboratorio y se ubica la mejor ecuación que relaciona estas variables. Después de configurarse los coeficientes a0, a1 hasta a5, el transmisor de densidad capacitivo estará listo para informar el porcentaje de sólidos del fluido del proceso.

Si se tratar de un proceso en que más que un elemento disuelto su cantidad varíe, la densidad de la solución podrá  ser desproporcionada a la variación de concentración de uno de estos elementos y, por lo tanto, el transmisor de densidad no será adecuado para obtener la concentración.

2. Instalación y montaje

Como el transmisor capacitivo de densidad es una unidad integrada y única, su instalación es muy sencilla, necesitando penetrar apenas una vez en el recipiente, característica que lo distingue de otros sistemas de medición.

Esta línea de transmisores de densidad incluye un modelo industrial de montaje con brida (figura 2 a) y un modelo sanitario conectado con una junta tipo Tri-clamp (figura 2 b).

La sonda del modelo sanitario que queda inmergida en el fluido de proceso tiene acabamiento superficial bruñido, según es estándar 3 A, para evitar el depósito de residuos y el crecimiento de bacterias. Ambos modelos pueden montarse lateralmente en la pared de los tanques o en el topo, en recipientes de muestreo. Como el indicador digital puede girar, la lectura será cómoda en cualquier posición de montaje.

El transmisor capacitivo de densidad puede montarse sin interrupción del proceso, cuando instalado en un desvío a través de un vaso de muestreo, y debido a su principio de funcionamiento no necesita ningún tipo especial de calibración en laboratorio para funcionar, bastando energizarlo para empezar inmediatamente, pues es calibrado en la fábrica en la unidad y el rango seleccionados por el usuario.

2a. Montaje en tanques

Por lo general, el modelo más adecuado para montajes en tanques es el tipo curvo, instalado en la pared del tanque, con una conexión por brida o tipo Tri-clamp. Cuando no es posible instalarse el transmisor directamente en el tanque, puédese utilizar un recipiente de muestreo externo tipo stand-pipe (figura 3).

2b. Montaje en línea

En procesos que no se disponga de recipientes o tanques de almacenaje para la medición es posible instalarse el transmisor de densidad capacitivo en línea. Para tanto basta intercalar en la línea un vaso de muestreo por el cual circule el fluido de proceso, como se ve en las figuras 4a y 4b.

Como la entrada del producto en el vaso de muestreo es a través de la parte superior e inferior simultáneamente, la medición no es afectada por la velocidad de circulación del fluido.

Una alternativa de montaje es el recipiente de muestreo con descarga por transborde, en el cual el producto entra por la parte inferior y transborda por la parte superior (figura 4c).

De esta manera, se regula el recipiente para que la altura de la columna de líquido constante, que transborda, cubra completamente los sensores de presión del transmisor.

3. Calibración y puesta en marcha

El transmisor se calibra en fábrica en la unidad de ingeniería y en el rango de medición indicados por el usuario, bastando instalar el equipo y energizarlo para que funcione. En caso de ajuste de calibrado o reprogramación basta conectar al transmisor un programador portátil de campo, sin necesidad de interrumpir el proceso. Como los cálculos de densidad y normalización por temperatura se realizan en la misma unidad, no son necesarios otros datos además del rango de densidad o concentración determinados.

Una característica fundamental de este transmisor es que dispensa la calibración en el laboratorio.

La alimentación se hace por el mismo par de hilos de comunicación de 4-20mA, y para verificarse la conexión durante la puesta en marcha, el transmisor puede generar una salida de corriente constante definida por el usuario. 

Si el usuario necesitar que el valor de densidad o concentración se exprese en una unidad distinta de las normalmente usadas, por ejemplo 5 de sólidos, existen dos opciones:

  • Un polinomio del 5º grado con los coeficientes configurables para realizar la correlación entre la función de la unidad del usuario y la densidad;
  • Una tabla de 16 puntos con dos entradas para realizar una linealización de la función que relaciona la unidad del usuario con la densidad;

Habilitando un de estas opciones, el transmisor de densidad y concentración medirá primeramente la densidad, mientras la indicación local y la salida digital seguirán la función cargada en el polinomio o en la tabla.

F3.Transmisores capacitivos de densidad

 F4.Transmisores capacitivos de densidad

4. Operación y mantenimiento

El transmisor capacitivo de densidad provee una indicación directa y en unidades de ingeniería del valor de la densidad del líquido, además de su temperatura tanto en el indicador local como a través de la comunicación digital.

Este transmisor se proyectó para trabajar con fluidos polucionados y sólidos en suspensión, sin necesitar filtraje. El diseño de los sensores de presión causa restringe mucho la ocurrencia del depósito de productos, siendo desnecesaria la limpieza frecuente del equipo.

El modelo sanitario fue proyectado especialmente para trabajar con sistemas de limpieza CIP, garantizando que todas las partes del transmisor que tengan contacto con el proceso se alcancen por el fluido de lavado del sistema CIP.

El transmisor digital capacitivo de densidad y concentración comparado a otras tecnologías

1. Transmisor capacitivo de densidad

Este transmisor provee una precisión de ± 0.0004 g/cm³, permitiendo al usuario fabricar un producto con calidad más uniforme, además de proporciona el ahorro de aditivos y energía, en muchos casos. El transmisor capacitivo de densidad es un instrumento integrado y único, necesitando de apenas una perforación en el tanque, sin partes móviles, que calcula la densidad y la compensación de temperatura en la propia unidad electrónica. No necesita hardware adicional y las indicaciones están disponibles en el campo.

Puede instalarse en tanques o en línea, a través de un recipiente de muestreo. Como tiene una sonda en contacto permanente con el fluido del proceso, deben tenerse cuidados especiales cuando instalado en fluido con substancias incrustantes. En este caso débese prever un sistema de limpieza para accionar especialmente durante las interrupciones del proceso. Fluidos corrosivos exigen sonda de material adecuado para el equipo.

2. Transmisor Radioactivo

El transmisor de densidad nuclear utiliza un fuente radioactivo, normalmente el Cesio 137, para inferir la densidad del fluido. Este equipo se compone de dos partes instaladas a 180º en la tubería del proceso, un fuente y un receptor. El fuente nuclear emite un haz de rayos gama que cruzan por la pared del tubo y el fluido de proceso. Estos rayos gama se absorben por el receptor del transmisor. La densidad del fluido es inversamente proporcional a la radiación recibida por el receptor. La radiación detectada se convierte en pulsos proporcionales de luz, los cuales se convierten en señales eléctricas de 4-20ma u otras habituales de proceso.

Este método necesita para su instalación una licencia especial gubernamental debido al uso de fuentes radioactivas.  Además se debe verificar periódicamente la existencia de escape de radiación en la instalación, que abarca la fuente, el detector, la unidad electrónica y el hilado entre ellos. Como la fuente de radiación requiere un fuente de alimentación, no se pueden utilizar cables duplos.

Este sistema solo puede utilizarse en líquidos en movimiento y por lo tanto no se puede instalar en tanques.

El transmisor de densidad nuclear no está en contacto con el fluido del proceso, siendo entonces inmune a corrosión, abrasión o incrustación.

3. Transmisor de Diapasón Vibrante

Este método de medición de densidad utiliza un diapasón o tenedor vibrantes. La frecuencia de resonancia depende de la densidad del fluido en el cual está inmergido. El diapasón se suscita por un excitador piezoeléctrico  y su resonancia se detecta por un colector piezoeléctrico.

Debido al consumo alto, los transmisores de diapasón vibrante requieren fuente de alimentación distinta del lazo de 4-20mA. Se indican para utilización en fluidos limpios, no corrosivos y no incrustantes, pues están en contacto permanente con el fluido del proceso.

4. Transmisor Másico de Efecto Coriolis

Estos medidores de flujo se basan en el efecto Coriolis para medir la densidad del fluido como uno de los parámetros para cálculo del flujo másico.

Ellos utilizan pares de tubos, normalmente en formato de “U”, por donde circula el fluido de proceso. Estos tubos se excitan magnéticamente para una frecuencia de vibración. Cuando están vacíos, ellos tienen una determinada frecuencia de vibración que se altera cuando un fluido circula por ellos. La relación entre la frecuencia de vibración de los tubos con y sin fluido es proporcional a la densidad.

Los transmisores de flujo másico tipo Coriolis se instalan en línea en la tubería y consecuentemente están inadecuados para mediciones en tanques. Solo están adecuados para fluidos limpios y sin sólidos en suspensión, pues los tubos tienen diámetro pequeño y pueden entupir. Otra dificultad es la intercambialidad, pues no hay normas reguladoras para prever las dimensiones entre las bridas.

Para procesos que necesiten el flujo másico se puede obtener también la densidad, a través de un medidor másico de efecto Coriolis.

5. Densidad Inferida

Este método utiliza un transmisor de presión diferencial con dos sellos remotos o dos transmisores de presión. De esta manera se mide la presión en dos puntos, con lo cual se puede inferir la densidad. Normalmente es necesario hacerse una medición adicional de temperatura para cálculos de compensación. La instalación requiere el montaje de los tres transmisores y en algunos casos de computadoras de campo, donde se realizan los cálculos. En general, el cálculo de densidad se obtiene en un sistema central y, por lo tanto, no está disponible en el campo.

6. Refractómetros

Este método de medición de densidad se basa en la refracción de la luz. El transmisor se compone de   prisma óptico, fuente de luz y sensor. El fuente de luz, normalmente infrarrojo, emite un haz de luz contra el interfaz ubicado entre un prisma y el fluido de proceso, con ángulos distintos. Algunos rayos son totalmente reflejados, otros parcialmente reflejados,  mientras otros sufren refacción en la solución, dependiendo del ángulo.

El ángulo crítico medido es una función de la densidad del fluido. Fotocélulas convierten la imagen óptica en señal eléctrica. Los refractómetros no son sistemas de dos hilos y por lo tanto requieren fuente de alimentación externa, y la unidad electrónica está separada e interconectada al sensor a través de un cable.

El refractómetro requiere que el prisma emisor de la refracción de luz esté siempre limpio y deben tomarse cuidados especiales en la instalación para evitar el acumulamiento de residuos. Este tipo de medidor solo es indicado para instalación directa en tanques.

7. Areómetros

Los areómetros no proveen medición continuada y sirven para mediciones periódicas a través de la toma de muestras del fluido del proceso. Algunas aplicaciones necesitan precauciones especiales, pues pueden exponer los operarios a substancias tóxicas o corrosivas en el momento de colectarse una muestra o en su manejo posteriormente.

8. Análisis de laboratorio

De la misma manera que la medición con aerómetros, se debe  recoger una muestra del fluido de proceso en el análisis de laboratorio.

No obstante la exactitud obtenida en la medición de densidad o concentración en laboratorio ser muy buena, en algunos casos los valores alcanzados no corresponden a la realidad, pues la condiciones ambientales del proceso no se pueden reproducir artificialmente y pueden causar errores en el análisis.

En procesos de variación muy rápida, tales como en la fermentación, el tiempo de demora del análisis puede llevar a toma de decisiones erróneas porque no se puede comprobar el valor logrado.

Aplicaciones

La versatilidad del transmisor capacitivo de densidad posibilita al usuario utilizar la unidad de medición más indicada según el tipo de proceso. La indicación de este transmisor puede expresarse en unidades de densidad tales como: g/cm3, kg/m3, lb/ft3, densidad relativa (@20ºC, @4ºC) o  concentración (ºBrix, ºBaumé, ºPlato, ºINPM, ºGL, % de sólidos, % de concentración).

Algunas aplicaciones frecuentes son:

Ingenios de azúcar y etanol:

  • Grado Brix del mosto y de la miel;
  • Grado Brix de la meladura de los evaporadores;
  • Grado INPM en la salida de las columnas de destilación;
  • Grado Baumé de la leche de cal;
  • Densidad del lodo del decantador;
  • Nivel de interfaz etanol/ciclohexano.

Industrias alimenticias:

  • Concentrados de frutas,
  • Cremas y leche condensado,
  • Concentración de miscela en aceites vegetales.
  • Dilución de almidón,
  • Mieles, jaleas, etc.

Industrias de bebidas:

  • Grado Plato en fermentadores de cerveza,
  • Grado Plato en cocedores de cerveza,
  • Grado alcohólico (INPM o  GL),
  • Grado Brix en diluciones de melados,
  • Concentración de sucos,
  • Densidad de derivados de leche,
  • Grado Brix del café soluble. 

Industrias químicas e petroquímicas:

  • Densidad y concentración de ácidos,
  • Densidad de soda cáustica,
  • Densidad de cloruro de sodio,
  • Densidad de leche de cal,
  • Densidad de gasolina, queroseno, aceite diesel, GLP,
  • Nivel de interfaz agua/aceite. 

Industrias de celulosa y papel:

  • Concentración de hidróxido de potasio,
  • Concentración de licores (licor negro, licor verde, etc.),
  • Densidad de lodo de cal,
  • Concentración de soda cáustica,
  • Dilución de almidón,
  • Dilución de celulosa.

Minería:

  • Densidad de la pulpa de mineral,
  • Densidad de la pulpa en la salida del espesante,
  • Densidad en la entrada y la salida de la célula de flotación,
  • Densidad en la salida de las espirales de concentración,
  • Densidad da extracción de lodo,
  • Dilución de ácidos,
  • Densidad de lodo de cal.

Conclusión

La utilización de un transmisor de densidad para medir de forma continuada la densidad o la concentración de procesos industriales brindan muchos beneficios, tales como: automatizar el proceso reduciendo su variabilidad, aumentar la productividad, optimizar el proceso reduciendo en algunos casos el uso de reactivos y de energía, eliminar o reducir drásticamente el costo de mano de obra relacionada a la toma de muestras y análisis de laboratorio, eliminar perdidas y lecturas erradas relacionadas a toma de muestras, proveer datos en tiempo real para el sistema de monitoreo y control de proceso, suministro máximo de datos para el control estadístico del proceso y la mejora del control de calidad, aumento de la confiabilidad del proceso, garantizando más uniformidad y calidad del producto final.