Analizadores de Proceso: Fundamentos y Aplicaciones

Definición, Objetivo y Ubicación

Definición: Dispositivos automáticos para la medida continua o periódica de uno o más parámetros físicos o químicos en un proceso industrial.

Objetivo: Incrementar el rendimiento de los procesos, la calidad de los productos, la seguridad de operación y minimizar la generación de residuos.

Ubicación: Los analizadores están integrados en un sistema de control, que es un conjunto de instrumentos de medida y manipulación que vigilan y actúan de forma automática sobre el proceso.

Tipos de Analizadores de Proceso

1. Off-Line

• Características: El análisis se realiza en un laboratorio. La muestra es transportada manualmente y el instrumento puede analizar distintos tipos de muestras.
• Ventajas: Facilita un buen mantenimiento del equipo y la disponibilidad de servicios auxiliares.
• Inconvenientes: Los resultados son lentos, la frecuencia de análisis es baja y esto afecta negativamente la toma de decisiones.

2. At-Line

• Características: El analizador se encuentra cerca del proceso y la toma de muestra es manual. El instrumento está dedicado a un tipo de análisis específico e incluye analizadores portátiles.
• Ventajas: El análisis es más rápido que en la modalidad off-line.
• Inconvenientes: Requiere personal instruido y ofrece menor grado de automatización.

3. On-Line

• Características: La toma y el transporte de la muestra están automatizados. El análisis es continuo o intermitente y puede atender varias líneas de proceso. Son de tipo extractivos.
• Ventajas: Proporciona información en tiempo real, reduce la intervención humana y mejora el control y la optimización del proceso.
• Inconvenientes: Implica un mayor coste y mantenimiento, requiere calibración continua y es menos flexible.

4. In-Line

• Características: El sensor se instala dentro de la línea de proceso, en contacto directo con la corriente. No hay transporte de muestra, por lo que se considera un análisis in-situ.
• Ventajas: Ofrece una respuesta muy rápida y un control continuo, sin requerir personal para el muestreo.
• Inconvenientes: Su calibración es difícil, son sensibles a condiciones severas y resultan menos versátiles.

5. Non-Invasive (No Invasivo)

• Características: No hay contacto con la muestra, ya que utiliza técnicas no destructivas. El detector y la fuente se colocan fuera de la tubería (por ejemplo, medidores por rayos gamma).
• Ventajas: No requiere preparación de muestra ni personal, la respuesta es rápida y permite un control continuo.
• Inconvenientes: Su coste es elevado.

Ventajas Comunes de los Sistemas Automatizados (On-Line, In-Line y Non-Invasive)

• Control automático y continuo del proceso.
• Eliminación de errores humanos de muestreo.
• Reducción del riesgo al manipular sustancias peligrosas.
• Reducción de costes (personal, análisis, energía, producción).
• Optimización general del proceso.

Calibración de los Analizadores de Proceso

La calibración es el conjunto de acciones necesarias para conseguir que la medida del analizador sea igual al “valor real” de la propiedad de interés en todo el rango de trabajo.

Propiedades Absolutas

Están directamente asociadas a la composición química de la muestra (ej. % de oxígeno, densidad). Los resultados de la medida son independientes del método analítico usado en el laboratorio. Tanto el analizador de proceso como el de laboratorio deben proporcionar el mismo resultado (valor real), dentro de los niveles de precisión correspondientes para cada método.

Propiedades Empíricas

Son el resultado de la realización de algún ensayo de laboratorio de acuerdo con normas estándar o de referencia (ej. punto de inflamación, punto de vertido). La noción de “valor real” se identifica con el valor medio de los resultados obtenidos por un elevado número de diferentes técnicos en diferentes laboratorios.

Métodos de Calibración

1. Método de la Muestra de Referencia

Se utiliza una muestra patrón de composición conocida, que se mide tanto en el laboratorio como con el analizador de proceso para comparar los resultados.

• Ventajas: Emplea mezclas patrón de composición bien conocida. Permite calibrar el instrumento en cualquier punto del rango de medida. Si el patrón es estable, se puede emplear en calibraciones sucesivas y para distintos analizadores.
• Inconvenientes: El analizador no facilita datos del proceso durante la calibración. El patrón puede no ser idéntico en todos los aspectos a las muestras reales y puede ser inestable.

2. Método de la Muestra en Línea o de Comparación

Se toma una muestra directamente de la corriente a analizar y se mide simultáneamente con el analizador de proceso y en el laboratorio para su comparación.

• Ventajas: No se pierde información del proceso durante la calibración. Se tienen en cuenta los efectos del sistema de adquisición de muestras.
• Inconvenientes: Es difícil calibrar todo el rango de medida del instrumento. Se requiere un análisis de laboratorio para cada punto de calibración. No se puede emplear para la calibración antes de la puesta en servicio del equipo.

Comparativa: Instrumentos de Laboratorio vs. Analizadores de Proceso

Instrumentos de Laboratorio

• Son flexibles (pueden analizar diferentes especies y condiciones).
• Realizan análisis específicos en condiciones controladas.
• Son complejos y delicados.
• Operan típicamente 8 horas al día, 5 días a la semana.
• Requieren personal especializado.
• Necesitan calibrarse antes de cada análisis.
• El procesamiento de muestras es manual.
• Se ubican en habitaciones limpias y climatizadas.
• La responsabilidad del fabricante se limita a la garantía de funcionamiento.

Analizadores de Proceso

• Realizan análisis específicos en condiciones de proceso establecidas.
• Son simples y robustos.
• Trabajan 24 horas al día, 7 días a la semana.
• Requieren personal no especializado para su operación rutinaria.
• No necesitan calibración frecuente (pueden tener autocalibración).
• Funcionan en línea con un sistema de toma y tratamiento de muestra.
• El analista está distante del punto de medida.
• Operan en condiciones extremas (humedad, temperatura, corrosión).
• La responsabilidad del fabricante es mayor, abarcando la integración y el rendimiento en el proceso.

Sondas para la Toma de Muestras

Características Generales

• Mejora de la representatividad: La sonda se proyecta a una cierta distancia en el interior de la corriente de proceso (entre 1/3 y la mitad del diámetro interno de la tubería) para evitar el efecto pared.
• Orientación: El orificio de entrada de la sonda debe estar localizado en sentido opuesto a la dirección del flujo para rechazar partículas contaminantes por inercia.
• Dimensiones: El diámetro interno de la sonda debe ser lo más pequeño posible para minimizar el tiempo de residencia, pero compatible con el grado de suciedad esperado y el caudal de salida.
• Diseño y Materiales: El diseño mecánico debe ser consistente con las especificaciones de la tubería. El material de construcción es crítico y debe seleccionarse según la temperatura, contenido de polvo, corrosividad y carácter abrasivo de la muestra (desde polímeros plásticos hasta aleaciones de alta resistencia).

Sonda Isocinética

La velocidad de salida de la muestra a través de la sonda es la misma que la velocidad de la corriente de proceso. Se utiliza principalmente para muestras bifásicas para asegurar la representatividad de ambas fases.

Sonda No Isocinética

La velocidad de salida de la muestra a través de la sonda es diferente a la velocidad de la corriente de proceso. Son las más utilizadas y existen dos tipos: fijas y extraíbles.