Enfriadores de muestras e intercambiadores de calor para el muestreo a alta temperatura
Muchos flujos de proceso de refinería, petroquímicos y de generación de energía alcanzan temperaturas demasiado elevadas como para poder tomar muestras directamente. A enfriador de muestras — un pequeño intercambiador de calor destinado al acondicionamiento de la muestra — reduce la temperatura del fluido hasta un nivel que el analizador o el laboratorio puedan soportar, al tiempo que protege las juntas, los tubos y los instrumentos frente a daños térmicos. Si se realiza correctamente, también evita que la muestra se evapore o se condense, lo que garantiza que la muestra siga siendo representativa.
Esta guía explica por qué es necesario acondicionar las muestras a alta temperatura, los principales diseños de enfriadores, cómo dimensionarlos y las consideraciones relativas a los materiales y al punto de rocío que determinan si la muestra enfriada sigue representando lo que se supone que debe representar.
Por qué es necesario acondicionar las muestras a alta temperatura
Una muestra extraída a una temperatura de entre 200 y 350 °C no puede introducirse directamente en un analizador. Los problemas son tanto prácticos como analíticos:
- Límites del instrumento y del sello — Los analizadores, las juntas de las válvulas y los tubos tienen temperaturas máximas de servicio muy por debajo de las condiciones de proceso a alta temperatura.
- Flashing y flujo bifásico — Un líquido caliente y a presión se vaporizará instantáneamente al enfriarse y despresurizarse, dando lugar a una corriente bifásica que ninguna medición monofásica puede interpretar.
- Seguridad — Las tuberías de muestra en caliente suponen un riesgo de quemaduras para los operarios y una fuente de tensión térmica en los racores.
- Representatividad — Un enfriamiento no controlado puede provocar la condensación de los componentes pesados y la pérdida de los fracciones ligeras, por lo que la muestra analizada ya no se corresponde con el proceso.
Un enfriador de muestras del tamaño adecuado resuelve estos cuatro problemas al llevar la muestra a un estado controlado, monofásico (o con gestión del punto de rocío) antes de que llegue al analizador.
Diseños de refrigeradores de muestreo
| Diseño | Construcción | Ideal para |
|---|---|---|
| Enfriador de carcasa y tubos | La muestra circula por los tubos y el medio de refrigeración por la camisa | Aplicaciones con altas temperaturas, servicio de procesos generales |
| Enfriador de bobina / en espiral | Tubo en espiral dentro de una camisa de refrigeración o un baño | Instalaciones compactas, uso moderado |
| Enfriador de dos etapas | Dos enfriadores en serie (por ejemplo, primero aire y luego agua) | Corrientes muy calientes, temperatura de aproximación muy ajustada |
| Refrigerador refrigerado por aire | Tubo aleteado con aire forzado | Cuando no se dispone de agua de refrigeración |
La elección depende de la carga térmica, del medio de refrigeración disponible y de su temperatura, de la temperatura de salida de la muestra requerida y del espacio físico disponible en la cabina del analizador.
Dimensionamiento de un enfriador de muestreo
El dimensionamiento se realiza siguiendo el método estándar para intercambiadores de calor, pero con las limitaciones específicas de la muestra. La potencia térmica necesaria es:
Q = m · cp · ΔT
donde m es el caudal másico de la muestra, cp su calor específico, y ΔT la caída de temperatura desde la entrada de la muestra hasta la salida requerida. A ello hay que añadir:
- El caudal de la muestra — Caudal del circuito rápido o del flujo paralelo del analizador, normalmente de decenas a cientos de cc/min.
- Temperaturas de entrada y salida — la salida suele situarse justo por encima del punto de rocío de la muestra.
- Temperatura del fluido refrigerante — La temperatura de entrada entre la salida de la muestra y el medio de refrigeración debe ser realista.
- El calor específico y, en el caso de los gases, el comportamiento de condensación de la muestra.
Si el enfriador es demasiado pequeño, la muestra se calienta en exceso y se sobrecarga a los componentes posteriores. Si es demasiado grande, enfría la muestra por debajo de su punto de rocío y se condensa líquido en el interior del analizador, un error que altera silenciosamente la medición.
Control del punto de rocío: la regla de diseño fundamental
El error más habitual con los enfriadores de muestras es enfriar una muestra de gas por debajo del punto de rocío de sus hidrocarburos o del agua. Cuando esto ocurre, se condensa líquido en el enfriador o en la línea de muestreo, y la muestra que llega al analizador ya no es representativa del proceso: el analizador detecta un gas más pobre que el que realmente contiene el proceso.
Hay dos estrategias para evitarlo:
- Enfriar hasta justo por encima del punto de rocío — Dimensiona el enfriador y controla el medio de refrigeración de modo que la temperatura de salida de la muestra se mantenga por encima del punto de rocío de los componentes más pesados.
- Incluir un sistema de separación y de retorno de líquido — Si es necesario enfriar la muestra por debajo de su punto de rocío, se debe añadir un tambor separador y devolver el líquido condensado al proceso, de modo que, al menos, se controle el comportamiento de las fases.
De Wanan’s sistemas de muestreo de circuito cerrado Incorporar enfriadores de muestreo dimensionados en función del punto de rocío del proceso, con conductos de retorno de líquido cuando sea necesario.
Materiales y construcción
| Servicio | Material recomendado |
|---|---|
| Hidrocarburos estándar | Acero inoxidable 316L |
| Corrientes corrosivas / ácidas | Dúplex, aleación 20 o aleaciones de mayor composición según la norma NACE MR0175 |
| Alta pureza / farmacéutico | Acero inoxidable 316L electropulido con conexiones sanitarias |
| Lado de refrigeración | Material compatible con el medio de refrigeración (agua, glicol, aire) |
La superficie del tubo debe ser resistente tanto al fluido de proceso como al medio de refrigeración, y el diseño del enfriador debe evitar la formación de zonas muertas en las que el líquido pueda acumularse y estancarse. En el caso de las cabinas de análisis, el enfriador suele montarse lo más cerca posible de la toma de muestra, siempre que sea posible, para minimizar la longitud de la línea de muestra caliente.
Preguntas frecuentes
¿Por qué es necesario enfriar las muestras de proceso?
Las muestras de procesos a alta temperatura deben enfriarse hasta una temperatura que el analizador o el laboratorio puedan soportar, así como para proteger las juntas, los tubos y los instrumentos frente a la degradación térmica. El enfriamiento también reduce la presión de vapor, lo que ayuda a evitar la evaporación repentina y mejora la seguridad del muestreo en corrientes calientes y volátiles.
¿Qué tipos de enfriadores de muestras hay disponibles?
Los diseños más habituales son los enfriadores de carcasa y tubos, en los que la muestra circula por unos tubos enfriados por un fluido en el lado de la carcasa, y los enfriadores de serpentín o en espiral, destinados a instalaciones compactas. La elección depende de la carga térmica, del medio de refrigeración disponible y de la temperatura de salida de la muestra requerida. Para aplicaciones con temperaturas muy elevadas o con una carga térmica elevada, se puede utilizar un enfriador de dos etapas.
¿Cómo se determina el tamaño de un enfriador de muestras?
Para el dimensionamiento se necesitan el caudal de la muestra, las temperaturas de entrada y salida, el calor específico y la densidad de la muestra, así como la temperatura del medio de refrigeración. A continuación, la potencia térmica necesaria se adapta a un enfriador con la superficie adecuada y una temperatura de aproximación suficiente. La temperatura de salida suele fijarse por encima del punto de rocío de la muestra para evitar la condensación en el interior del analizador.
¿Por qué es importante el control del punto de rocío en los enfriadores de muestreo?
Si una muestra de gas se enfría por debajo de su punto de rocío de hidrocarburos o de agua, se produce condensación de líquido en el interior de la línea de muestreo o del enfriador, y la muestra deja de ser representativa del proceso. Por lo tanto, el enfriamiento se controla para mantener la muestra por encima de su punto de rocío, o bien se instala un separador y un circuito de retorno de líquido para que cualquier líquido condensado se devuelva al proceso.
¿Qué materiales se utilizan para fabricar las neveras de muestreo?
El acero inoxidable 316L es el material estándar en contacto con el fluido; para aplicaciones corrosivas o ácidas se utilizan aleaciones dúplex o de mayor calidad. Las bobinas de refrigeración y las superficies tubulares deben ser resistentes tanto al fluido de proceso como al medio de refrigeración. Para aplicaciones higiénicas o farmacéuticas, se utiliza acero inoxidable 316L electropulido y conexiones sanitarias.
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