Dimensionamento de rotâmetros de tubo metálico para água ultrapura e gás nitrogênio

Resposta rápida

A expansão de uma planta petroquímica em Taiwan exigiu quatro rotâmetros de tubo metálico, divididos em duas funções. Duas unidades, uma DN25 e outra DN20 (1 polegada e 3/4 de polegada), necessitavam de corpos em aço inoxidável 316 com revestimento em PTFE, saída HART de 4-20 mA e invólucros NEMA 4X ou IP65 para água ultrapura a 0-250 kg/h e gás nitrogênio a 0-50 Nm³/h. Uma quarta linha exigia apenas indicação local, portanto, a especificação previa um rotâmetro de tubo de PVC transparente para vazão de 0-7 Nm³/h. A Silver Automation Instruments fabrica ambas as configurações na mesma plataforma de rotâmetro de tubo metálico HH50, com precisão de ±0,5% da faixa de medição.

Contexto: Um projeto de expansão, quatro pontos de fluxo, dois fluidos.

Este caso provém de um pacote real de aquisição de instrumentação para a expansão de uma planta petroquímica em Taiwan. O projeto previa quatro rotâmetros em quatro terminais separados. Dois deles monitoravam água ultrapura e nitrogênio, com saída completa do transmissor. Os outros dois monitoravam nitrogênio, sendo que um exigia saída HART para integração com o DCS e o outro necessitava apenas de uma escala local.

Essa combinação é comum em expansões de instalações existentes. As linhas de utilidades raramente recebem o mesmo orçamento de instrumentação que as linhas de processo. Um engenheiro que dimensiona quatro rotâmetros para um projeto muitas vezes acaba especificando dois ou três níveis de construção diferentes, e não uma unidade padrão repetida quatro vezes.

Já observamos esse padrão diversas vezes em plantas petroquímicas e de fibras químicas em Taiwan e no Sudeste Asiático. Uma nova linha de produção exige monitoramento rigoroso com HART de 4-20 mA para geração de tendências no DCS. Enquanto isso, uma linha de purga ou ventilação, que o operador verifica apenas passando perto dela, recebe uma unidade de leitura local mais barata, sem nenhum componente eletrônico.

Aplicação 1: Rotâmetro de tubo metálico DN25 para água ultrapura, 0-250 kg/h

A primeira especificação exigia um rotâmetro de tubo metálico de 1 polegada (DN25) em uma linha de água ultrapura (UPW), montado em linha, fluxo vertical, de baixo para cima. O corpo e o flutuador foram especificados como sendo de aço inoxidável 316 com revestimento de PTFE, conectados por um flange RF de 1 polegada e 150 libras. Como a UPW absorve contaminantes com facilidade, um material de tubo que não libere partículas ou íons na corrente é mais importante aqui do que em uma aplicação típica de água de processo.

A vazão normal foi definida em 150 kg/h, com um máximo de 250 kg/h. Em termos volumétricos, com uma densidade de 1000 kg/m³, isso corresponde a aproximadamente 0,15 a 0,25 m³/h, ou cerca de 0,66 a 1,1 GPM. Essa é uma vazão pequena para os padrões petroquímicos, e é exatamente o tipo de aplicação que um rotâmetro de tubo metálico suporta bem, já que as unidades de tubo de vidro não são projetadas para a pressão de trabalho especificada aqui.

A pressão de trabalho atingiu até 5 kg/cm²G (cerca de 4,9 bar ou 71 psi), com uma condição normal de 3 kg/cm²G (43 psi), e a temperatura máxima foi de 60 °C (140 °F). A especificação permitia uma queda de pressão de 0,5 kg/cm²G (0,49 bar ou 7,1 psi) no medidor, o que é típico para um rotâmetro de tubo metálico neste tamanho e faixa de vazão. A saída era de 4-20 mA com HART, alimentado por loop a partir de 24 VCC, com uma caixa NEMA 4X ou IP65 e precisão nominal de ±0,5% da escala.

Aplicação 2: Rotâmetros de tubo metálico DN20 para monitoramento de gás nitrogênio, 0-50 Nm³/h

Neste projeto, dois dispositivos de medição de fluxo de nitrogênio foram utilizados para funções quase idênticas, ambos em linhas de 3/4 de polegada (DN20) com flanges RF de 3/4 de polegada e 150#, corpos em aço inoxidável 316 com revestimento em PTFE e a mesma saída HART de 4-20 mA e invólucro NEMA 4X/IP65 do medidor UPW. A faixa de fluxo era de 0 a 50 Nm³/h, cerca de 29,4 SCFM, com um ponto de operação normal de 15 Nm³/h (8,8 SCFM).

Linhas de inertização e purga com nitrogênio como esta são comuns em plantas petroquímicas. Inertização de tanques, purga de instrumentos e gás de selagem utilizam a mesma tubulação principal, e cada ramificação geralmente possui seu próprio indicador de fluxo local para que os operadores possam confirmar se a quantidade correta está sendo direcionada para o local apropriado.

A densidade do gás é importante para o dimensionamento do rotâmetro de uma forma que não é para o serviço com líquidos. Esta especificação listava um peso molecular de 28, que corresponde ao nitrogênio, e uma viscosidade de 0,01 cP. Um rotâmetro calibrado com um gás diferente ou com uma pressão de referência diferente apresentará leituras incorretas, às vezes por uma grande margem. Portanto, o flutuador e a escala precisavam ser calibrados com o gás de serviço real e com a pressão máxima de trabalho especificada de 5 kg/cm²G (71 psi) e a pressão normal de trabalho de 2 kg/cm²G (28 psi). A temperatura máxima era novamente de 60 °C (140 °F), com operação normal à temperatura ambiente.

Aplicação 3: Rotâmetro de tubo de PVC transparente DN20, apenas para indicação local, 0-7 Nm³/h

A quarta etiqueta foi a exceção. Tinha a mesma bitola de linha de 3/4 de polegada (DN20) e conexão RF de 3/4 de polegada e 150# que as duas unidades HART acima, mas sem saída de transmissor, apenas uma balança local. O material do tubo e do flutuador mudou de aço inoxidável 316 com revestimento de PTFE para PVC transparente. A faixa de vazão caiu para 0-7 Nm³/h, cerca de 4,1 SCFM, e a classificação de pressão também foi menor, 5 kg/cm²G (71 psi) no máximo, mas apenas 1 kg/cm²G (14 psi) em operação normal.

Essa é uma prática comum para reduzir custos em ramais de utilidades de baixa criticidade. Um rotâmetro com tubo de PVC transparente custa uma fração do preço de um transmissor HART de aço inoxidável e, para uma linha que o operador precisa apenas verificar rapidamente durante uma inspeção, essa costuma ser a escolha certa. No entanto, os rotâmetros com tubo de PVC têm limites de pressão e temperatura mais baixos do que as unidades com tubo de metal, portanto, a pressão de trabalho nesse ramal precisa ficar bem abaixo do limite nominal do tubo, e não apenas dentro da pressão de projeto do processo.

Resumo das especificações

Por que um rotâmetro fazia sentido para estes quatro pontos

Nenhum desses quatro pontos de vazão exigia a precisão ou repetibilidade que justificasse um medidor Coriolis ou eletromagnético. A dosagem de água ultrapura (UPW) abaixo de 1,1 GPM e as derivações de nitrogênio abaixo de 30 SCFM situam-se exatamente na faixa em que a precisão de ±0,5% da escala de um rotâmetro de tubo metálico é mais do que adequada, e onde o menor custo de instalação é um fator relevante.

Vale a pena mencionar honestamente a contrapartida. A leitura de um rotâmetro depende da densidade do fluido que passa por ele. Se você trocar o gás, alterar a pressão significativamente ou mudar a densidade do líquido, a calibração deixa de ser válida, a menos que o medidor tenha sido dimensionado e calibrado para aquela condição específica. É por isso que cada etiqueta neste projeto especificou seu próprio fluido, pressão e temperatura, em vez de reutilizar uma única calibração para todos os quatro parâmetros.

Para pontos onde a leitura de fluxo alimenta um DCS ou é registrada em um controle de lote, recomendamos a saída HART de 4-20 mA, conforme especificado em três das quatro etiquetas aqui apresentadas. Para uma linha de purga ou ventilação onde uma verificação visual rápida é suficiente, a versão com tubo transparente, que oferece apenas indicação local, mantém o custo baixo sem comprometer nenhum aspecto realmente necessário para a aplicação.