Medidores de vazão mássica Coriolis para medição de vazão petroquímica

Este artigo apresenta o princípio de funcionamento e as vantagens do medidor de vazão mássica por força de Coriolis, com foco na listagem e análise de alguns problemas encontrados no uso desse medidor em diversos processos de medição de materiais em empresas petroquímicas. Também aborda os aspectos que devem ser considerados na seleção e instalação do medidor de vazão mássica por força de Coriolis e discute a influência da tensão e da pressão sobre esse equipamento.

Introdução à tecnologia avançada de medição de vazão

O medidor de vazão mássica por força de Coriolis é amplamente utilizado nas indústrias petroquímica e em outros setores, sendo um dos instrumentos de medição de vazão mais avançados do mundo atualmente.

O medidor de vazão mássica Coriolis é popular na indústria petroquímica.

Como uma grande empresa de refino e química, a Jinxi Petrochemical Company produz principalmente gasolina, querosene, diesel, hidrocarbonetos líquidos e outros produtos. O medidor de vazão mássica Coriolis é confiável no processo de medição desses materiais, especialmente para a medição de produtos de fábrica, com uma precisão inferior a 2‰, o que melhora a precisão da medição do fluxo de energia e materiais da Jinxi Petrochemical Company, evita perdas desnecessárias e garante que os interesses da empresa não sejam prejudicados.

Para empresas que buscam soluções confiáveis para medição de vazão Coriolis, empresas como a Silver Automation Instruments (silverinstruments.com) oferecem linhas completas de medidores de vazão mássica, projetadas para atender às exigências da indústria petroquímica.

A Silverinstruments.com oferece uma linha completa de medidores de vazão Coriolis.

Princípios de funcionamento e principais vantagens dos medidores de vazão mássica Coriolis

1.1 Princípio do medidor de vazão mássica por força de Coriolis

O medidor de vazão mássica Coriolis (CMF) é um medidor de vazão mássica direta que utiliza o princípio da força de Coriolis, que é proporcional à taxa de fluxo de massa, gerada pelo fluido em um sistema rotativo enquanto se move em linha reta.

Conforme ilustrado na Figura 1, quando uma partícula com massa m se move a uma velocidade υ em um tubo que gira a uma velocidade angular ω em torno do eixo p, a partícula experimenta duas componentes: aceleração e força.

A física por trás da medição:

1) A aceleração normal, também conhecida como aceleração da força centrípeta α r, tem uma magnitude igual a ω 2r, direção em direção ao eixo P;

2) A aceleração tangencial α t, também conhecida como aceleração de Coriolis, tem uma magnitude de 2 Ωυ e é perpendicular a α r. Devido ao movimento composto, a força de Coriolis Fc=2 Ωυ m atua sobre a partícula na direção α t, e o encanamento exerce uma força inversa - Fc=-2 Ωυ m sobre a partícula.

Quando um fluido com densidade ρ flui a uma velocidade constante υ em uma tubulação rotativa, qualquer seção da tubulação com comprimento Δx experimentará uma força de Coriolis tangencial de ΔFc.

Figura 1.

Implementação moderna da força de Coriolis

Portanto, a medição direta ou indireta da força de Coriolis gerada pelo fluido que flui em uma tubulação rotativa pode determinar a vazão mássica, que é o princípio básico do CMF.

No entanto, é difícil gerar a força de Coriolis por meio de movimento rotacional. Atualmente, todos os produtos são gerados por vibração em tubulações, o que significa que um tubo de medição de paredes finas com duas extremidades fixas é excitado na frequência de ressonância ou próximo à frequência de ressonância (ou em um harmônico superior) do tubo de medição em seu ponto médio. O fluido que flui dentro do tubo gera a força de Coriolis, causando deflexões opostas nas metades frontal e traseira do tubo de medição em seu ponto médio. A magnitude da deflexão é detectada para obter a vazão mássica.

1.2 Vantagens do medidor de vazão mássica por força de Coriolis

As vantagens do medidor de vazão mássica por força de Coriolis incluem principalmente os seguintes aspectos:

(1) Medição direta da taxa de fluxo de massa com alta precisão de medição; Ao contrário dos medidores de vazão volumétricos (como medidores de vazão de turbina ou medidores de vazão de vórtice) que exigem compensação de densidade, os medidores Coriolis fornecem medição direta de massa com precisão líder do setor.

Medidores de vazão volumétrica, como os medidores de vazão por vórtice, não conseguem medir diretamente a vazão mássica.

(2) Ampla gama de fluidos mensuráveis, incluindo vários líquidos com alta viscosidade (como resina, betume, petróleo bruto ), pastas contendo sólidos, líquidos contendo uma pequena quantidade de gás uniformemente distribuído (teor de gás inferior a 5%) e gases com densidade suficiente (gases com alta pressão).

Medidor de vazão Coriolis para medição de vazão de polpa

(3) A amplitude do tubo de medição é pequena e pode ser considerada como um componente não móvel; não há obstruções ou partes móveis dentro do tubo de medição.

(4) Não é sensível à distribuição da velocidade do fluxo a montante, portanto não há exigência de seções de tubulação retas a montante e a jusante.

(5) O valor da medição do fluxo é insensível à viscosidade do fluido e a influência da densidade do fluido no valor da medição do fluxo é mínima.

(6) Um medidor de vazão mássica pode medir múltiplos parâmetros. A medição simultânea da vazão mássica pode medir a densidade e a temperatura do fluido, bem como derivar medições da vazão volumétrica, da concentração do soluto e do conteúdo de diferentes fases (ou componentes) em fluidos bifásicos líquido-sólido (ou líquidos imiscíveis de dois componentes).

O medidor de vazão mássica Coriolis permite a detecção de múltiplos parâmetros.

Aplicações práticas e análise de desafios em operações petroquímicas

Nos últimos anos, com a crescente busca pelo controle de custos e aumento da eficiência por parte da Jinxi Petrochemical Company, as exigências para a medição de energia e materiais nos processos de produção e vendas também aumentaram. A empresa tem intensificado seus esforços para atualizar e modernizar seus instrumentos de medição de energia e materiais, incluindo o uso de medidores de vazão mássica para medir o fornecimento mútuo de petróleo bruto e materiais para equipamentos.

Principalmente em termos de distribuição de produtos, os medidores de vazão mássica Coriolis de alta precisão são utilizados para gasolina, querosene, diesel, gás liquefeito e propileno. Fornecedores de qualidade, como a Silver Instruments (silverinstruments.com), têm apoiado essas implementações com soluções robustas e comprovadas em campo de medidores de vazão Coriolis, projetadas especificamente para ambientes petroquímicos.

O medidor de vazão Coriolis pode ser usado para medir gasolina, diesel, GLP, querosene e outros fluidos.

Embora os medidores de vazão mássica ofereçam desempenho excepcional, diversos problemas podem surgir durante seu uso. No entanto, com base em nossa análise, acreditamos que as principais causas desses problemas no processo de medição com medidores de vazão mássica são a instalação inadequada dos medidores e a influência das propriedades físicas e dos parâmetros do fluido medido. Em outras palavras, os problemas podem ser divididos em duas partes: o impacto de fatores externos, como a instalação, e o impacto de fatores internos, como as propriedades físicas do fluido medido.

Fatores externos que afetam o desempenho da medição de vazão mássica

2.1 Considerações críticas de instalação

Estudo de caso - Desafio de instalação de doca de carga:

Em 2002, a doca de carregamento da Jinxi Petrochemical foi equipada com seis medidores de vazão mássica DN150 (6 polegadas), utilizados para medir a vazão de gasolina e diesel durante o carregamento. Durante a operação inicial, um dos medidores de vazão de diesel frequentemente apresentava um fluxo instantâneo de 5 a 7 toneladas mesmo sem carregamento.

Como realizar o ajuste do ponto zero em um medidor de vazão mássica Coriolis

Apesar de múltiplas inspeções no local e ajustes no ponto zero, esse fenômeno persistiu. Por fim, o sensor de fluxo de massa foi separado da tubulação do processo e constatou-se que o flange de um dos lados do sensor apresentava uma diferença horizontal de 3 cm em relação ao flange que conectava a tubulação do processo.

Naquela época, a equipe de instalação não era suficientemente profissional e o comandante no local não tinha experiência. Nesse caso, o sensor de vazão mássica estava rigidamente conectado e a tensão na tubulação atuava sobre o sensor. Em caso de ventos marítimos fortes, o medidor de vazão frequentemente experimentava um fluxo instantâneo de 5 a 7 toneladas, o que afetava a medição normal do medidor.

A instalação correta garante o funcionamento adequado do medidor de vazão Coriolis.

Assim, a instalação de medidores de vazão mássica e fatores como o ambiente local são os principais fatores que afetam a medição normal dos medidores de vazão mássica Coriolis. Este caso demonstra como a qualidade da instalação e os fatores ambientais impactam criticamente o desempenho do medidor de vazão, tornando os procedimentos de instalação adequados e a orientação especializada essenciais para implementações bem-sucedidas.

2.1.1 Análise do impacto do estresse em dutos

Durante o processo de instalação do sensor, se o centro da tubulação que conecta o sensor de fluxo não estiver alinhado (ou paralelo) ou se a temperatura da tubulação mudar, a tensão na tubulação gerará forças de pressão, tração ou cisalhamento que atuarão no alinhamento entre os tubos de medição do medidor de vazão mássica, causando assimetria na sonda de detecção e levando à deriva do ponto zero.

Estratégias de mitigação:

• Em situações onde o problema não é muito grave, o medidor de vazão deve ser zerado após a instalação para eliminar ou reduzir esse impacto.
• Se o pipeline estiver gravemente desalinhado, pode não ser possível zerá-lo.
• Quando a temperatura da tubulação muda significativamente ou se desvia significativamente da temperatura de instalação, a força de expansão (ou contração) térmica gerada pela tubulação também atuará sobre o sensor de fluxo, o que afetará a medição normal do medidor de vazão.

Portanto, durante a instalação do medidor de vazão mássica, é necessário garantir que o centro da tubulação conectada ao sensor de vazão esteja alinhado. Ao mesmo tempo, em caso de grandes variações de temperatura, podem ser instaladas conexões de isolamento por dilatação térmica na tubulação.

2.1.2 Gestão de Vibrações Ambientais

Exemplo prático: O medidor de vazão mássica de petróleo bruto da Unidade de Destilação Petroquímica de Jinxi é um medidor Coriolis instalado dentro da unidade e próximo à sala de bombas, causando vibração significativa na tubulação do processo. Portanto, há alguns problemas com os dados de medição do medidor de vazão, resultando em produção anormal da unidade.

Implementação da solução: Neste caso, instalamos suportes em ambas as extremidades do medidor de vazão para reduzir o impacto da vibração e garantir seu funcionamento normal.

É melhor ter suportes em ambas as extremidades do medidor de vazão mássica.

Os medidores de vazão mássica podem operar em ambientes com vibração, mas devem ser isolados da vibração.

Melhores práticas para o controle de vibrações:

Especialmente em casos de alta vibração, tubos flexíveis podem ser usados para conectar o medidor de vibração, e estruturas de suporte podem ser utilizadas para isolar a vibração. No entanto, é crucial evitar que a frequência de vibração seja igual à frequência de operação ou à frequência harmônica do medidor de vazão mássica. Quando múltiplos instrumentos do mesmo modelo são instalados em série ou em paralelo próximos ao solo, principalmente quando instalados na mesma plataforma de suporte, as vibrações da frequência de operação entre os medidores de vazão mássica irão interferir umas nas outras, causando vibrações anormais e, em casos graves, podendo até mesmo impedir o funcionamento dos instrumentos.

2.1.3 Posicionamento ideal para instalação do sensor de fluxo de massa

A postura e a posição de instalação do sensor de vazão mássica também são muito importantes para o funcionamento normal do medidor de vazão. Resíduos sólidos dentro do tubo de medição e incrustações na parede do tubo podem afetar a precisão da medição.

Instruções de instalação:

• Configuração ideal: tubulação vertical com fluxo de baixo para cima.
• Configurações alternativas: Determine a instalação vertical ou horizontal com base nas condições de vibração da tubulação e nos requisitos da aplicação.
• Medição de fluxo de líquido: Evite a instalação em pontos altos do sistema para prevenir o acúmulo de gás.
• Medição do fluxo de gás: Evite a instalação em pontos baixos do sistema para prevenir o acúmulo de condensado.
• Requisito crítico: Garantir o enchimento completo do tubo de medição em todas as condições de operação.

É claro que, em alguns casos especiais, o método de instalação dos sensores de vazão mássica ainda pode ser alterado. Por exemplo, devido à tubulação do medidor de vazão mássica de petróleo bruto na Unidade de Destilação Petroquímica de Jinxi, embora meça líquidos, adota-se um método de instalação ascendente com o tubo de medição. Nesse caso, a contrapressão de saída do medidor de vazão mássica precisa ser alta para garantir que o tubo de medição esteja cheio. Ao mesmo tempo, deve-se atentar para o problema da vibração, a fim de reduzir o impacto da vibração na medição do medidor de vazão.

2.1.4 Impacto da Instalação da Válvula

Requisitos da válvula de bloqueio: Para garantir que o fluido de medição não flua quando o sensor de fluxo estiver ajustado para zero, válvulas de bloqueio devem ser instaladas a montante e a jusante do medidor de vazão mássica, e deve-se garantir que as válvulas não apresentem vazamentos.

Posicionamento da válvula de controle: Caso seja necessário instalar uma válvula de controle, ela deve ser instalada a jusante do medidor de vazão mássica. Isso é benéfico para manter a pressão estática do medidor o mais alta possível, evitando a ocorrência de cavitação e evaporação instantânea.

Medição das propriedades do meio e dos efeitos dos parâmetros

2.2.1 Avaliação do impacto da variação de pressão

Estudo de Caso - Desafio da Medição de Gás Liquefeito:

Na Jinxi Petrochemical, um medidor de vazão mássica Coriolis utilizado para medição de gás liquefeito apresentava sempre um desvio significativo durante o processo de medição. Após uma inspeção completa da instalação do medidor, nenhum problema foi encontrado. O equipamento foi então enviado ao departamento de calibração, onde os resultados foram satisfatórios. Contudo, mesmo após a reinstalação, os problemas com os dados de medição persistiram.

A pressão de operação do fluido não deve exceder a pressão nominal do medidor de vazão mássica.

Análise da Causa Raiz: Em resposta a essa situação, comparamos os parâmetros operacionais do medidor de vazão no local com os parâmetros do processo de calibração e constatamos que a pressão do gás liquefeito no local era de 1,6 MPa, enquanto a pressão do fluido durante o processo de calibração era de aproximadamente 0,3 MPa. Portanto, a variação na pressão do fluido medida afetou a medição do medidor de vazão mássica.

Explicação do Impacto Técnico: Na verdade, o medidor de vazão de alta precisão deve considerar, em primeiro lugar, que a pressão do fluido medido não deve exceder a pressão de trabalho especificada, e também o grau de influência das variações de pressão estática. Essas variações afetam a estanqueidade do tubo de medição e o grau do efeito Bourdon, bem como o desvio zero original, que compromete a assimetria do tubo de medição. Embora a variação das constantes do instrumento e a deriva zero sejam pequenas, o impacto em instrumentos de alta precisão não pode ser ignorado quando há uma diferença significativa na pressão e na calibração durante o uso.

Correlação do efeito da pressão:

• Instrumentos de pequeno diâmetro: Altas relações entre espessura da parede e diâmetro minimizam o impacto da pressão.
• Instrumentos de grande diâmetro: Baixas relações entre a espessura da parede e o diâmetro criam uma sensibilidade significativa à pressão.

Resultados de testes confiáveis: Testes independentes realizados em oito medidores de vazão mássica demonstraram efeitos de pressão quantificáveis:

2.2.2 Efeitos da variação da densidade média

A variação na densidade do meio de medição altera a qualidade do sistema de medição de vazão, causando uma mudança no equilíbrio do sensor de vazão e resultando em um desvio do zero. Ao medir um líquido específico, desde que o sensor seja zerado nas condições reais de densidade do líquido, a variação de densidade durante o uso não é significativa e, geralmente, não há problema.

Desafios em tubulações multifluidas: No entanto, a medição de vários líquidos com diferenças significativas de densidade em uma única tubulação pode resultar em erros adicionais devido a variações no ponto zero, exigindo consideração cuidadosa durante o projeto e a operação do sistema.

2.2.3 Análise do medidor de vazão mássica de impacto para viscosidade média

O medidor de vazão mássica por força de Coriolis pode medir uma ampla faixa de viscosidade de líquidos e apresenta bom desempenho de medição. De fato, a viscosidade do líquido pode alterar as características de amortecimento do sistema, afetando assim o viés de zero e tendo um certo impacto nos valores de medição de vazão em baixas taxas de fluxo.

Considerações de projeto: Um dos principais fatores que consideramos ao selecionar as especificações e dimensões dos medidores de vazão mássica com base nas condições de uso é que a perda de pressão estimada do instrumento esteja dentro da faixa permitida do sistema de tubulação. Para obter a precisão de medição ideal, levando em consideração a queda de pressão, a vazão máxima utilizada deve ser a mais alta possível dentro da faixa de vazão.

Curva de perda de pressão/viscosidade do medidor de vazão Coriolis SH-CMF da silverinstruments.com

Relação Viscosidade-Perda de Pressão: A perda de pressão em um medidor de vazão mássica aumenta com o aumento da viscosidade do fluido, o que significa que um aumento na viscosidade aumentará a perda de pressão do instrumento. O medidor de vazão mássica Coriolis utilizado para a medição de petróleo bruto na unidade de destilação da Jinxi Petrochemical levou em consideração os fatores de aumento da viscosidade e perda de pressão durante o processo de seleção, sem afetar a operação do equipamento do processo.

Vazão/Precisão/Queda de pressão do medidor de vazão Coriolis da série SH-CMF da silverinstruments.com

Soluções Avançadas e Desenvolvimentos Futuros

Existem muitos fatores que afetam atualmente a medição normal dos medidores de vazão de qualidade. Alguns desses fatores exigem a reinstalação do medidor de vazão, enquanto outros até mesmo a sua substituição. Isso exige que consideremos de forma abrangente todos os aspectos dos fatores que influenciam a seleção de medidores de vazão de qualidade, a fim de garantir seu funcionamento normal.

Requisitos de manutenção e calibração: Em aplicações práticas, muitos fatores causam desvio do ponto zero, como tensões de instalação dos sensores, assimetria estrutural dos tubos de medição e alterações nos parâmetros físicos do fluido medido. Isso exige que verifiquemos e ajustemos o ponto zero regularmente.

Avanços Tecnológicos de Próxima Geração: Atualmente, com o avanço contínuo da tecnologia de medição e a melhoria constante do desempenho dos medidores de vazão mássica, algumas séries de medidores propõem que o desempenho em campo seja consistente com as condições de laboratório. Após o estabelecimento do ponto zero na fábrica, não há necessidade de ajustes em campo, nem após alterações nas condições do processo. Isso reduz o número de válvulas, simplifica a instalação e diminui a carga de trabalho de manutenção dos medidores de vazão mássica. Ao mesmo tempo, propõe-se também que a medição dos medidores de vazão mássica não seja afetada por variações de temperatura ou de tensão na tubulação.

Conclusão e Perspectivas do Setor

O medidor de vazão mássica Coriolis é um instrumento de medição de vazão relativamente preciso, confiável, estável, eficiente e flexível, com ampla aplicação no processamento de petróleo, na indústria química e em outros setores. Ele também é utilizado com confiabilidade no processo de medição de gasolina, querosene, diesel, hidrocarbonetos líquidos e outros produtos da Jinxi Petrochemical Company, melhorando a precisão da medição de vazão de energia e materiais e evitando perdas desnecessárias.

Entre em contato com a silverinstruments.com para obter soluções de medição de vazão mássica.

A melhoria contínua do desempenho da tecnologia de medidores de vazão mássica Coriolis reduz progressivamente os fatores que afetam a operação normal de medição, ao mesmo tempo que simplifica os requisitos de manutenção. Líderes do setor, como a Silver Instruments (silverinstruments.com), continuam a desenvolver a tecnologia de medidores de vazão Coriolis, fornecendo soluções abrangentes para empresas petroquímicas que buscam os mais altos níveis de precisão de medição e confiabilidade operacional.