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Oct 30, 2023

Superando los desafíos de la medición de nivel en las plantas de procesamiento de cal

Kurt Gieselman, especialista senior en ventas de campo, productos de medición Rosemount en Emerson | 20 de mayo de 2021 Para los productores de productos de cal, piedra caliza y arcilla, la automatización es clave para una producción continua.

Kurt Gieselman, especialista senior en ventas de campo, productos de medición Rosemount en Emerson | 20 de mayo de 2021

Para los productores de productos de cal, piedra caliza y arcilla, la automatización es clave para una producción continua. Se utiliza una variedad de instrumentos para ayudar a producir diferentes productos de manera segura y proporcionar mediciones de inventario precisas en cada etapa del proceso, desde el momento en que los materiales ingresan a las instalaciones hasta el envío de los productos finales. En la mayoría de las plantas se utilizan diversas técnicas de producción: los productos se trituran, se muelen hasta convertirlos en polvo y se calientan en un horno para crear cal hidratada. Debido a los procesos involucrados y la naturaleza de los productos, las condiciones en la planta son duras. Esto crea un entorno desafiante para la tecnología de automatización.

En general, el mayor desafío al que se enfrentan los fabricantes de instrumentos es obtener mediciones de nivel fiables y precisas de materiales sólidos. Eso incluye la medición de la piedra caliza triturada y en polvo, el carbón en los silos que alimentan los hornos y la cal hidratada a medida que se produce. Todas estas aplicaciones tienen condiciones operativas desafiantes debido al peso del material, el polvo y la baja reflectividad de la superficie.

En una gran planta procesadora de cal en EE. UU., el equipo de producción había probado varias tecnologías de medición de nivel para medir sólidos con distintos grados de éxito. Si un dispositivo pudiera realizar una medición, entonces el siguiente problema sería cómo mantenerlo en condiciones de funcionamiento donde el polvo, los materiales pesados ​​y las vibraciones son comunes. La instalación correcta fue una parte clave para una solución de medición exitosa.

La primera aplicación en la planta involucró un contenedor de compensación de cal hidratada, donde el producto terminado pasa a través del contenedor antes de ser transportado a grandes silos de almacenamiento. Querían utilizar un transportador de tornillo para sacar el material del depósito de compensación a un ritmo constante. Para hacer esto, se necesitaba una altura de nivel óptima, pero obtener una lectura estable fue un desafío. Dentro del pequeño contenedor de compensación, el material tendía a comprimirse en algunas áreas y a crear espacios y puentes en otras áreas. Para evitarlo, se utilizan vibradores neumáticos que sacuden y redistribuyen el material. Anteriormente, se había utilizado una sonda de capacitancia para realizar la medición de nivel, pero sus mediciones eran erráticas y lentas para responder a los cambios de nivel. Además, la alta vibración acortó la vida útil de la unidad de capacitancia a sólo unos pocos meses. Como el contenedor de compensación tiene solo cuatro pies de alto, esto convirtió al radar de onda guiada en la opción ideal (consulte la Figura 1).

Se seleccionó un radar de onda guiada (GWR) Rosemount 5303 de Emerson para reemplazar las sondas de capacitancia. Adecuado para medir líquidos o sólidos, fue fácil configurar el dispositivo para aplicaciones de sólidos utilizando su software. Por ejemplo, dado que la sonda se instaló paralela a la pendiente del contenedor, la medición del nivel horizontal debía corregirse para la inclinación ingresando el ángulo de la sonda en el software. Además, el dispositivo está disponible con una extensión de carcasa remota para montar el cabezal del transmisor lejos de la sonda. Esto protegió los componentes electrónicos de la vibración, ayudando a prolongar la vida útil del dispositivo. Una ventaja fundamental del GWR es su capacidad para proporcionar mediciones precisas en tanques pequeños con niveles que cambian rápidamente, lo cual es esencial para esta aplicación y permite mantener un nivel constante. El dispositivo está demostrando ser fiable y no necesita mantenimiento. La mejora en la precisión de las mediciones ha permitido que el proceso se vuelva más estable.

El carbón utilizado para calentar los hornos se almacena en silos de 112 pies, lo que requiere una medición de nivel para monitorear el inventario y garantizar que los hornos siempre reciban combustible (consulte la Figura 2). El carbón se extrae de los dos silos simultáneamente y las mediciones se utilizan para determinar cuándo pedir más carbón. Sin lugar para almacenar el excedente de combustible, una buena gestión del inventario es esencial. El silo debe estar listo para recibir la cantidad total de carbón de la barcaza cuando llegue. Recibir sólo una carga parcial es costoso e ineficiente.

Figura 2: Sólo se puede pedir y entregar carbón nuevo cuando hay espacio disponible en los silos grandes. Esto requiere un control preciso del nivel para respaldar la gestión del inventario.

Anteriormente se utilizaba un sensor de nivel ultrasónico para realizar las mediciones en los silos. Sin embargo, si bien el dispositivo funcionó correctamente la mayor parte del tiempo, ocasionalmente se “bloqueaba” y, a pesar de varias órdenes de trabajo para investigar y erradicar el error, nunca se determinó la causa. Debido a la falta de fiabilidad, hubo renuencia a vaciar el silo a menos del 40%.

El equipo de producción decidió reemplazar el dispositivo y los ingenieros de Emerson recomendaron el radar sin contacto Rosemount 5408. Debido a la altura del silo, se instaló una antena parabólica para dirigir las señales de radar. Normalmente se aplicaría un sistema de purga de aire para evitar que el polvo bloqueara la antena, pero como el carbón a menudo estaba húmedo, el polvo no se consideraba un problema. Cuando se instaló, se requirieron algunos ajustes iniciales en la configuración del umbral, después de lo cual el dispositivo funcionó bien. Sin embargo, a medida que el clima se calentó, el radar comenzó a actuar de manera similar al dispositivo ultrasónico, con períodos cortos en los que se bloqueaba. Una de las características clave del Rosemount 5408 es su historial de datos integrado de serie, que recopila y almacena datos automáticamente durante hasta siete días, lo que facilita mucho la resolución de problemas (consulte la Figura 3). Utilizando el historiador de datos y el espectro de eco del radar del tanque que lo acompaña, se encontraron grandes picos de señal cerca del área de la antena que correspondían a los momentos en que se fijaba en lecturas altas. Esta información sobre el cambio en las condiciones del proceso no estaba disponible con la unidad ultrasónica anterior.

Figura 3: El historiador de datos Rosemount 5408 proporciona un registro visual de las mediciones a lo largo del tiempo y muestra dónde aparecieron picos de señal de eco adicionales cerca de la parte superior del silo de carbón debido a la presencia de humedad.

La inspección del dispositivo durante uno de estos picos reveló que la humedad se estaba condensando en la antena y provocando lecturas de alto nivel. Durante el verano, el carbón húmedo y el alto calor crearon un ambiente muy húmedo en el recipiente, con condensación en las superficies. Se instalaron líneas de aire para eliminar la humedad y esto eliminó el problema de la condensación. Posteriormente, el radar funcionó bien y proporcionó mediciones precisas y fiables. Finalmente, se instaló un segundo radar en el segundo silo con una antena parabólica y un sistema de purga de aire.

El tercer desafío de aplicación involucró silos de almacenamiento de cal hidratada. Dado que la cal hidratada es un producto terminado, las mediciones precisas del inventario son importantes a medida que el producto se acumula en los silos y se retira para la venta. La cal hidratada es un polvo fino y seco que fluye de forma similar a un líquido. Cada vez que se llena el silo, el polvo crea una nube de polvo interna similar a una tormenta de nieve cegadora. El material es cálido, con una ligera carga estática que hace que se adhiera a las superficies. Si la cal entra en contacto con humedad, tiende a formar una capa dura y crujiente que puede ser difícil de eliminar. Para realizar mediciones de nivel, la empresa había estado utilizando un radar sin contacto competitivo, pero con resultados marginales. Al principio las mediciones parecían correctas, pero con el tiempo las lecturas empezaron a desviarse. El radar existente utilizaba una tapa de teflón adherida a la antena para ayudar a reducir la acumulación. Sin embargo, aún se produjo acumulación y las lecturas resultantes se volvieron inestables, lo que requirió la limpieza de las unidades. Esto requirió que un ingeniero de mantenimiento con las herramientas adecuadas subiera más de 200 escalones hasta la parte superior del silo y retirara la unidad para limpiar la antena. Esto ocurría cada dos o tres días y no sólo requería mucho tiempo, sino que también era peligroso, especialmente durante las inclemencias del tiempo. Cada ocurrencia cuesta alrededor de $50 por viaje. Si bien este costo parece pequeño, con el tiempo se fue acumulando. Además, cada viaje era un problema de seguridad y alejaba al personal de otras tareas de mantenimiento.

El equipo de producción decidió reemplazar el radar existente por un Rosemount 5408 y trabajó con Emerson para encontrar la solución adecuada. El punto de acceso al radar era de 6 pulgadas. boquilla, que era demasiado estrecha para una antena parabólica. La combinación de la altura del silo y las bajas propiedades dieléctricas de la cal hidratada excedieron los límites de alcance de una antena de sello de proceso. Por lo tanto, se recomendó una antena cónica estándar con una conexión de lavado para purga de aire (consulte la Figura 4).

Figura 4: El radar sin contacto Rosemount 5408 proporciona mediciones sólidas sin necesidad de limpieza periódica.

Como este tipo de aplicación suele generar mucho polvo y contaminación, se recomendó utilizar una antena parabólica con un sistema de purga de aire integrado para mantener la antena limpia. Otras soluciones pueden ser utilizar uno de 4 pulgadas. antena de sello de proceso o una antena de 4 pulg. Antena cónica con opción de purga de aire. El nuevo radar ha proporcionado mediciones sólidas sin necesidad de limpieza desde hace más de un año. El radar ha sustituido a las inmersiones manuales diarias del inventario. Al implementar este dispositivo de medición más confiable, las mediciones del sistema de automatización se verifican con las mediciones manuales requeridas en las auditorías mensuales y los operadores de la planta pueden conciliar los balances de masa de los inventarios.

Después de instalar, configurar y monitorear las primeras tres aplicaciones, los operadores de instrumentación locales se estaban familiarizando bastante con los radares, cómo funcionaban y estaban configurados. Con el apoyo de Emerson y su propia experiencia in situ con los radares, los operadores locales pudieron configurar ellos mismos la siguiente aplicación. Esta aplicación fue un gran silo de finos de cal de 98 pies de altura (ver Figura 5). Este silo se alimentaba directamente de la trituradora y suministraba cal a los hornos para la producción de cal hidratada. La empresa había estado utilizando un dispositivo ultrasónico, pero era inestable, poco fiable e inexacto. La aplicación es un desafío debido a la cantidad de polvo creado, pero al utilizar una antena parabólica y la opción de purga de aire, la nueva solución ha dado como resultado una medición muy confiable y precisa.

La aplicación final involucró la medición de un producto especial de cal hidratada en un contenedor de compensación del sistema de carga de un vagón de ferrocarril. Anteriormente, el producto se cargaba en camiones y se trasladaba a vagones de ferrocarril. En su nuevo sistema, las tolvas alimentan directamente los vagones, pero el producto debe medirse con precisión para fines de facturación. La medición es difícil porque se realiza mientras se mueve a través de una tolva estrecha de 14 pies. No sólo el ambiente es muy polvoriento y el producto es liviano y aireado, sino que la tolva también se llena muy rápidamente. Se eligió el transmisor de nivel Rosemount 5408 de Emerson debido al éxito del mismo producto en silos de almacenamiento más grandes (consulte la Figura 6). El dispositivo rastrea con precisión las medidas, lo que garantiza que los vagones se puedan cargar directamente para su envío a los clientes. El nuevo sistema ha eliminado el paso con los remolques de camiones, haciéndolo más ágil y receptivo al cumplimiento de los pedidos.

Figura 6: El transmisor Rosemount 5408 utilizado para la tolva.

Para el éxito de estas desafiantes aplicaciones fue fundamental la implementación de tecnología de radar avanzada combinada con asesoramiento de apoyo sobre las opciones de instalación correctas necesarias para maximizar el rendimiento y reducir el mantenimiento a largo plazo. También fue importante cómo el software de cada dispositivo pudo simplificar la configuración de cada aplicación y proporcionar una indicación clara del rendimiento y los ajustes necesarios.

Al tener mediciones de nivel más confiables, la planta no solo puede programar de manera eficiente la entrega de materias primas como el carbón, sino que también puede rastrear el movimiento de los productos de cal en toda la planta. Al reducir los requisitos de mantenimiento y las mediciones manuales, y eliminar el tiempo de inactividad debido a dispositivos problemáticos, también se ha aumentado la seguridad del personal. Con mediciones más precisas, existe una mayor seguridad de la cantidad de producto final que se entrega a los vagones, lo que garantiza una facturación precisa y clientes satisfechos.

Las sondas de capacitancia se han utilizado en aplicaciones de medición de nivel de sólidos durante muchos años y, a menudo, se eligen en función de la familiaridad del usuario y el costo. Las sondas GWR y de capacitancia tienen un aspecto similar: ambas tienen una sonda insertada en el recipiente y un cabezal electrónico que proporciona energía y salida. Las mediciones de nivel se obtienen de forma muy diferente. Con las sondas de capacitancia, el material medido crea una capacitancia a medida que cambia el nivel, siendo la lectura de capacitancia proporcional al nivel. Si las propiedades dieléctricas del material cambian, la medición de nivel proporcional también cambiará. La medición puede verse afectada por el revestimiento de la sonda, los espacios de aire y la compactación del material.

Con GWR, un pulso enviado por la sonda se refleja en la superficie del material y regresa a la electrónica. El tiempo que tarda el pulso en llegar a la superficie y regresar se utiliza para calcular el nivel del material. Los cambios en las propiedades del material no tienen ningún efecto en la medición (ver Figura 7).

Figura 7: Este diagrama ilustra el efecto del puente en la medición de nivel. Usando una sonda de capacitancia, la medición de nivel se ve afectada por el gran espacio de aire debajo de la superficie. Esto hace que la lectura del nivel parezca más baja, lo que a su vez puede provocar un sobrellenado. GWR no se ve afectado por los cambios debajo de la superficie.

Los radares ultrasónicos y sin contacto también parecen visualmente similares, incorporando un cabezal electrónico y un sensor de aire. Ambas tecnologías transmiten una señal a la superficie y el tiempo que tarda la señal reflejada en llegar a la antena permite medir la distancia a la superficie y el nivel. La diferencia clave es la velocidad de la señal, donde las señales ultrasónicas viajan a la velocidad del sonido y el radar a la velocidad de la luz. Por lo tanto, cualquier cosa en el espacio de vapor que afecte el tiempo de viaje afectará la precisión de la medición. Esto incluye temperatura, polvo y vapores y purgas de aire. Esto puede ser significativo a baja velocidad de la señal ultrasónica, pero insignificante para el radar. Otra diferencia clave es que el radar opera a una frecuencia mucho más alta que los ultrasonidos, lo que permite que el radar penetre a través del polvo y los vapores.

El Rosemount 5408 de Emerson es un radar sin contacto de frecuencia media basado en tecnología de onda continua de frecuencia modulada que envía una señal enfocada a la superficie que puede penetrar a través del espacio de vapor y medir la superficie con precisión. La frecuencia de rango medio de 26 GHz es óptima para los desafíos típicos de aplicaciones a nivel de proceso, que incluyen condensación, turbulencia, boquillas, acumulación de productos, formación de espuma, agitadores y sólidos. Además, cuenta con un algoritmo incorporado para medir la superficie de sólidos inclinados. En aplicaciones de sólidos con una superficie inclinada, puede haber grupos de múltiples picos pequeños. Utilizando el algoritmo, estos picos más pequeños se combinan para crear un pico de superficie más robusto.

Kurt Gieselman es especialista senior en ventas de campo para productos de medición Rosemount en Emerson. Para obtener más información, visite www.emerson.com.

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