Control de procesos en la industria química

Los sistemas de procesamiento químico, para ser eficientes, deben mantener los fluidos bajo condiciones precisas de temperatura, caudal y presión. Son muchos los componentes que contribuyen a controlar estas condiciones, pero uno de los más importantes es el regulador de presión.

Entregar productos dentro de especificaciones es una prioridad clave y, para ello, los sistemas deben operar bajo condiciones controladas. Componentes como conexiones, válvulas, manómetros y otros elementos son esenciales para mantener el control de presión, temperatura y caudal. En el caso de la presión, una caída inesperada puede generar ineficiencias o problemas en el proceso, mientras que un aumento no deseado puede dañar equipos sensibles o representar un riesgo para el personal.

Por ello, los reguladores de presión son fundamentales para mantener la presión deseada frente a cambios en el sistema. Elegir el regulador adecuado para cada aplicación es esencial, aunque no siempre sencillo.

La selección de un regulador comienza por entender los requisitos de presión, temperatura y caudal, así como la compatibilidad de materiales con el fluido del sistema.

Presión

Los líquidos y los gases se comportan de forma distinta, lo que influye en la selección del regulador. Por ejemplo, un regulador de presión permitirá mayor caudal de gas si este es de baja densidad que si es de alta densidad. También es importante conocer los rangos de presión esperados, ya que los reguladores están diseñados para un rango de presiones máximas, mínimas y de operación. Los rangos de control de presión, indicados por sus correspondientes curvas de caudal, suelen figurar en las especificaciones técnicas de cada regulador.

Dos preguntas importantes que debemos hacernos antes de su selección son: "¿Cómo se relaciona la presión de salida con el caudal previsto?" y "¿Necesitamos que la presión de salida se mantenga en condiciones de caudal mínimo, normal y máximo?"

Temperatura

Algunos fluidos pueden experimentar cambios bruscos de temperatura al variar la presión debido al efecto Joule-Thomson. Por ejemplo, el gas natural comprimido (CH4) puede enfriarse, aproximadamente, hasta 1 °C por cada 2 bar de caída de presión, lo que podría congelar el regulador si no se toman medidas adecuadas.

Los materiales de los componentes en contacto con fluido deben ser compatibles químicamente. La incompatibilidad puede causar el deterioro acelerado, generación de partículas o fallos prematuros. Un proveedor de reguladores experto, puede ayudar a seleccionar los materiales más adecuados.

Una vez consideradas las condiciones del proceso, el siguiente paso debe ser determinar qué necesitamos que haga el regulador. La funcionalidad de este se divide en dos categorías distintas, y su elección depende de los requisitos del proceso.

Existen dos tipos principales de reguladores:

• Reguladores de contrapresión: Controlan la presión aguas arriba liberando el exceso si esta supera el nivel deseado. Controlan la presión del proceso.
• Reguladores reductores de presión: Reducen la presión de entrada y mantienen la presión constante aguas abajo. Controlan la presión al proceso.

Una vez que haya determinado si necesita un control de contrapresión o una función reductora de presión, es útil comprender los diferentes elementos que componen un regulador y cómo funcionan juntos para proporcionar la función de control de presión deseada. A menudo, la funcionalidad de estos elementos ayudará en la elección específica del regulador. Estos elementos incluyen:

• Elemento de carga: Aplica fuerza sobre el elemento sensor. Habitualmente es un resorte (regulador auto-pilotado) o una presión (regulador pilotado).
• Elemento sensor: Permite el movimiento del obturador para controlar la presión. Puede ser un diafragma o un pistón.
• Elemento de control: Incluye el asiento y el obturador, que regulan el paso del fluido.

Los reguladores reductores de presión utilizan estos elementos para establecer un balance de cuatro fuerzas diferentes, como se muestra en la figura 4. Estas fuerzas son la fuerza de carga (F1), la fuerza del resorte del obturador (F2), la fuerza de presión de salida (F3) y la fuerza de presión de entrada (F4). El balance establecido es F1 = F2 + F3 + F4.

Los reguladores de contrapresión funcionan estableciendo el balance F1 = F2 + F3, como se muestra en la figura 5. La fuerza del resorte debe ser igual a la fuerza combinada de la presión de entrada y la presión de salida.

Una vez instalado, debemos entender como se comportará el regulador:

• Curva de flujo: Muestra cómo se comporta la presión de salida frente a cambios en la demanda de caudal.

• Caída de presión (droop): Ocurre cuando el obturador se abre más para permitir mayor caudal y la fuerza sobre el elemento de carga disminuye. Aunque ocurre en todos los reguladores de presión, y especialmente en los auto-pilotados, es importante escoger el más adecuado para nuestra aplicación para que la curva sea lo más plana posible.

• Lockup: Es la caída inicial de presión cuando se inicia el paso de caudal en el regulador.

• Rango de operación ideal: La zona de la curva de caudal en la que el regulador debe alcanzar su mejor funcionamiento.

• Caudal estrangulado (Choked Flow): El regulador está totalmente abierto, no regula presión.

• Efecto de presión de suministro (SPE):  Describe cómo los cambios en la presión de entrada afectan a la presión de salida. Cuando la presión de entrada decrece la de salida aumenta y viceversa.

Para minimizar el SPE, se pueden usar reguladores de doble etapa (dos en serie) o diseños con obturador equilibrado.

Una vez que haya identificado el regulador ideal para las necesidades de su aplicación, es importante seguir las mejores prácticas de mantenimiento a lo largo de su vida útil, ya que, al igual que cualquier otro equipo, los reguladores sufren un desgaste que puede comprometer su rendimiento.

Por ejemplo, uno de los problemas más comunes con un regulador mal mantenido es el llamado «creep», que se produce cuando un contaminante crea un pequeño espacio entre el asiento del regulador y el obturador (véase la figura 7). Este espacio permite que el fluido del sistema fluya involuntariamente a través del asiento y puede provocar aumentos de presión no deseados aguas abajo, una situación que puede resultar problemática, peligrosa o ambas.

Instalar un buen filtro aguas arriba del regulador puede ayudar a retener contaminantes. Es importante destacar que, para que sea eficaz, el filtro debe limpiarse y sustituirse periódicamente según sea necesario. Si, a pesar de todo, se produce contaminación, la instalación de una válvula de alivio aguas abajo puede actuar como un sistema de seguridad antes de que el incremento de presión cause daños o influya en el sistema. Disponer de kits de repuesto para el regulador permitirá solucionar cualquier problema rápidamente.

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