Variable de Proceso

 

  VARIABLES DE PROCESO

Las variables de proceso son magnitudes tales como presión, flujo, nivel, etc., que van a ser controladas o supervisadas. El entendimiento del comportamiento de las variables de proceso involucradas en una medición permite una adecuada selección de la instrumentación a ser implantada en un proceso industrial. 1

Densidad

La densidad (ρ) se define como la masa de un material por unidad de volumen.

La densidad de una sustancia varía con la temperatura, presión y composición de la misma. En términos generales, la densidad disminuye al aumentar la temperatura (aunque este no es el caso del agua), y aumenta al incrementarse la presión. En el caso de los líquidos, la densidad varía principalmente debido a la temperatura, y no a la presión. Cuando la densidad de un líquido no varía significativamente con la presión, se dice que el líquido es incompresible. Una variable que se usa mucho para expresar la densidad de los líquidos y gases, es la gravedad específica (densidad relativa), la cual se define como la relación entre la densidad de la sustancia y la densidad de una sustancia tomada como referencia a condiciones estándar de temperatura y presión (60 ºF y 14,7 psia (15 ºC y 1atm)).

En el caso de líquidos:

 y para los gases,

Otra variable utilizada para expresar la densidad, es la gravedad API (American Petroleum Institute), que se utiliza principalmente para indicar la gravedad del petróleo crudo. La relación entre la gravedad API y la gravedad específica, viene dada por:

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El volumen específico es otra variable asociada con la densidad. La relación entre densidad y volumen específico es:

2 Viscosidad La viscosidad es la fricción interna de un fluido. También se define como la resistencia que ofrece un fluido a fluir. La viscosidad según Newton viene definida como la relación entre esfuerzo cortante por unidad de área (F/A), entre velocidad cortante por unidad de espesor (V/L) de una capa de fluido.

La unidad de viscosidad es el Poise (1 P = 1 g/cm.s). La viscosidad es un factor importante, pues de ella depende el régimen de un fluido dentro de una tubería, y de esto a su vez dependen la dinámica del proceso y la selección del tipo de instrumento adecuado para medir flujo. En una tubería se pueden encontrar dos tipos de flujo: laminar y turbulento. En el flujo laminar, el fluido se desplaza en forma de laminas que se deslizan una sobre otra, formando un perfil parabólico de velocidades a lo largo de la sección transversal de la tubería. En el régimen turbulento el fluido se desplaza con un perfil de velocidades plano a lo largo de la sección transversal de la tubería. En el flujo turbulento se crean vórtices o remolinos que hacen que el fluido se mezcle. La existencia de un tipo de flujo u otro, dentro de una tubería, depende de una cantidad adimensional denominada número de Reynolds (Re), el cual se calcula como:

donde: ν =

velocidad del fluido.

d = diámetro de la tubería.

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  Si 0 < Re < 2000, se está en presencia de flujo laminar, y si Re > 3000 se está en presencia de flujo turbulento. Si el número de Reynolds está comprendido entre 2000 y 3000, el flujo puede ser laminar o turbulento, o una transición entre ambos. En la práctica, la mayoría de los diseños se realizan para que exista régimen turbulento, y con Re > 10000.

De acuerdo al tipo de flujo que se tenga en una tubería, se puede estimar la distancia mínima a la que debe ser colocado un medidor de flujo de un cambio brusco de dirección del fluido en una tubería (ej.: codo), de modo de garantizar un perfil estable de velocidades en el punto en el cual va a ser instalado el medidor. Esta distancia, es decir, desde el medidor al codo (Xt) es calculada de acuerdo a la siguiente fórmula: Para flujo laminar:  Xt > 100.d Para flujo turbulento:  Xt > 50.d 3

Flujo

Es la cantidad de volumen de un fluido que pasa por cierto punto por unidad de tiempo. A esto también se le llama flujo volumétrico.

Cuando en lugar de utilizarse el volumen, se utiliza la masa, entonces se habla de flujo másico.

La principal diferencia entre medir flujo másico y volumétrico está en que el flujo volumétrico necesita ser compensado por los efectos del cambio de la densidad del fluido por temperatura y presión, mientras que el flujo másico no requiere ser compensado. Sin embargo, los instrumentos que miden flujo volumétrico son más sencillos y de uso más difundido que los que miden flujo másico. La ecuación que define el comportamiento de un fluido dentro de una tubería suponiendo que no hay perdidas por fricción, que el flujo es laminar y que el fluido es incompresible, es la denominada ecuación de Bernoulli, la cual establece que:

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donde: P = Presión. g = Aceleración de gravedad. h = Altura de la tubería con respecto a un punto de referencia.

Según esta ecuación, al disminuir el diámetro de la tubería aumenta la velocidad y disminuye la presión del fluido, de modo de mantener el flujo constante. En este principio se basan algunos medidores de flujo, es decir, miden la caída de presión ocasionada por una constricción momentánea en la tubería; el flujo entonces es proporcional a la caída de presión

El tipo de fluido según la cantidad de sólidos, se clasifica en:

  Limpio Limpio:: Sin partículas sólidas. Sucio:: Contiene partículas sólidas.   Sucio Lodo (  ( slurry )):: Un líquido que contiene partículas sólidas muy finas en suspensión que pueden   Lodo

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fluir libremente por una tubería. agua (steam )   Vapor de agua (

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Presión

La presión se define como la fuerza por unidad de superficie, y representa el potencial de hacer trabajo por medio de fluidos.

Las unidad de presión en el SI es el Pascal (Pa) (1 Pa = 1 N/m2). La presión estática causada por una columna de líquido o gas dentro de un recipiente, viene dada por la siguiente expresión: P = ρ⋅g⋅h

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Existen varios tipos de presión: Presión absoluta Es la presión medida respecto al cero absoluto de presión, es decir, vacío   perfecto. Presión atmosférica. atmosférica. Es la presión ejercida por la atmósfera a nivel del mar. La cual equivale a   14,7 psi de presión absoluta o a 760 mmHg. A la presión atmosférica también se le denomina presión barométrica, por ser medida por un instrumento denominado barómetro.   Presión relativa. relativa. Es la presión medida con respecto a la presión atmosférica. A esta presión también se le denomina presión manométrica. 





La relación entre la presión absoluta y la presión relativa, viene dada por: Pabsoluta = Prelativa + Patmosferica

5 Temperatura La temperatura representa la cantidad de energía cinética que tienen las moléculas de un cuerpo. También representa el potencial de realizar trabajo mediante transferencia de calor.

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  Existen dos tipos de temperatura:

 

Temperatura absoluta. absoluta. Es la temperatura medida con respecto al cero absoluto de temperatura, es decir, con mínimo movimiento molecular. La unidad para temperatura absoluta es el grado Kelvin (ºK). 

 

Temperatura relativa. relativa. Es la temperatura de un cuerpo medida con respecto a la temperatura a la cual se congela el agua. La unidad de temperatura relativa es grado centígrado (ºC). (0ºC = 273,15 ºK). 

La variación de temperatura ocasiona diferentes fenómenos fácilmente medibles, entre los cuales encontramos: • • • • •

 Variaciones en el volumen de los cuerpos.  Variación de la resistencia de un conductor.  Variación de la resistencia de un semiconductor.  Fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales diferentes.  Intensidad total de radiación emitida por un cuerpo. 6 Nivel

El nivel es una de las las variables de proceso más utilizada para el gobierno de las plantas industriales, pero muy especialmente en el control de almacenamiento tanto de materias primas como de productos acabados. En general, en las medidas de nivel para el control control de procesos no se requiere una gran precisión, salvo en los casos de dosificación por llenado de depósitos, mientras que en el caso de medida de almacenamiento la precisión es fundamental. En selección del tipo de medidor tienen tienen preferencia, técnicamente, los medid medidores ores estáticos frenteala los la que tienen partes móviles y los que no necesitan contacto con el fluido o, incluso, son exteriores recipiente, así como los que requieren menor modificación en la estructura del recipiente y sus soportes, especialmente cuando éstos están construidos. En cuanto a métodos de medición de nivel, se puede decir que hoy en día apenas existe algún efecto físico que no se emplee como base para un método de medición de niveles, de modo que se dispone de una amplia gama de técnicas de medición y, por ello, no siempre resulta fácil la elección del método de obtención de lecturas que se adapte mejor a los requerimientos específicos de una instalación.  Antes de la llegada de la tecnología de los semiconductores, la mayoría de los métodos se basaban en principios mecánicos y/o neumáticos. Actualmente los métodos de medición más comunes se pueden clasificar de la siguiente forma:  

Instrumentos de medida directa   Instrumentos basados en la presión hidrostática Página 6

 

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Instrumento basado en el desplazamiento Instrumentos basados en características eléctricas del líquido Medidor de nivel de ultrasonidos Medidor de nivel de radar o microondas Medidor de nivel de radiación

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