Figura 1. La interacción entre el control de presión y el control de flujo ofrece soluciones de control de procesos para aplicaciones industriales y de investigación innovadoras

En la Universidad, a los ingenieros se les enseña que el control del caudal y de la presión son conceptos relacionados pero distintos: el control del caudal se enfoca en el volumen mientras que el control de la presión se enfoca en la fuerza. En las aplicaciones del mundo real, sin embargo, a menudo es la interacción entre ambos conceptos lo que brinda a los ingenieros de desarrollo o de aplicación la oportunidad de crear nuevos métodos de control de procesos.

Estas oportunidades se han vuelto aún más emocionantes en los últimos años. Los avances en la química de flujo y la fabricación continua, han dado un giro novedoso al control de flujo estacionario para dosificación y mezcla en línea.

La expansión del modelo tradicional se extiende más allá del control de flujo, llegando al control de nivel, control de temperatura, control de pH e incluso control del peso de los recubrimientos.

Interacción entre presión y control de flujo

A medida que los ingenieros de desarrollo o de aplicación van más allá para adaptar los procesos, puede ser útil revisar cómo los sistemas de control de flujo y control de presión convergen para crear nuevos métodos de proceso.

El diagrama de la Figura 1 proporciona una descripción general de las aplicaciones en las que el control de presión ayuda al control de flujo y, cómo el control de caudal se emplea de una forma directa o indirecta para ayudar en el control de otras variables.

Como se ilustra, la presión y el flujo a menudo trabajan juntos para permitir un resultado específico. En una configuración, el flujo se puede controlar con una presión de suministro constante y una resistencia variable, como una válvula de control o una válvula solenoide. En otra configuración, el control de flujo se puede lograr variando la presión de suministro a través de una resistencia fija.

Presión de suministro constante con resistencia variable

Una gran planta de fabricación que procesa fluidos a través de varios pasos, proporciona un ejemplo clásico de control de flujo en el que un fluido con presión de suministro constante se envía a un circuito de control proporcional-integral-derivado (PID) con un caudalímetro y una válvula de control. En esta situación, los ingenieros podrían usar una válvula de control de flujo de estilo globo que actúe sobre una presión de fluido relativamente constante suministrada por una bomba. La válvula de control de flujo se ajusta en respuesta a un medidor de flujo y un controlador PID, proporcionando una resistencia variable para lograr un punto de ajuste de flujo deseado (vea la Figura 2).

Figura 2. Esquema de control de flujo con un fluido suministrado a presión constante a una válvula de control que proporciona resistencia variable.

Presión de suministro variable con resistencia constante

Un sistema de pulverización de pintura proporciona un ejemplo de uso de presión variable y resistencia constante (vea la Figura 3). Se necesita una bomba para mantener la circulación de pintura fluida y la boquilla de pulverización necesita varias presiones aplicadas para alcanzar el flujo adecuado. Un regulador de contrapresión (BPR) se usa a menudo para controlar la presión en el circuito de recirculación con la bomba. La resistencia de la boquilla de pulverización se considera una resistencia fija, que puede aproximarse mediante el coeficiente de flujo o un orificio equivalente. Teniendo en cuenta que prácticamente todos los procesos de fluidos industriales son turbulentos (incluso la pulverización de pintura viscosa), el caudal se puede aproximar como la raíz cuadrada de la presión aplicada. El BPR proporciona la presión variable para controlar el flujo.

Figura 3. Un regulador de contrapresión proporciona control de presión variable en un circuito de recirculación con una boquilla rociadora, lo que da como resultado un flujo controlado en la salida de la boquilla.

Aplicaciones de control de flujo directo y química de flujo moderna

Las estrategias de control de procesos de estado estacionario antes mencionadas se han utilizado en la industria química durante décadas en procesos como la dosificación y el llenado de botellas.

Sin embargo, durante los últimos 20 años, los desarrollos han dado como resultado nuevas formas de aprovechar la interacción entre el control de flujo y presión. Las industrias farmacéutica, química fina y agroquímica han acelerado la conversión de los reactores por lotes a mezclas en línea y química de flujo de reacción continua. Utilizando técnicas precisas de control de flujo y presión. Estos desarrollos han sido impulsados ​​por la disponibilidad de caudalímetros Coriolis extremadamente fiables y precisos y el deseo de procesos simplificados y más flexibles.

En los procesos de reactor de flujo continuo, el control de flujo preciso de los reactivos asegura un control de la proporción adecuado para una reacción consistente que da como resultado un producto final de calidad. Los sistemas de reactores están diseñados exclusivamente para la gestión del equilibrio, el tiempo de residencia y la velocidad de la reacción. Los diseños suelen medir los reactivos a través de caudalímetros másicos de precisión tipo Coriolis (MFM) y controladores de flujo másico de gas (MFC), que son MFM con una válvula solenoide integrada. Los fluidos se dosifican en un reactor donde la conversión tiene lugar en línea y de forma continua.

En el ejemplo de la Figura 4, se suministra un líquido a presión constante a través de un MFC tipo Coriolis de emparejado con una válvula de control para controlar el flujo. En paralelo, se mide un gas a una presión de suministro constante a través de un MFC de gas para controlar el flujo. Se mezclan en la entrada del reactor y fluyen continuamente a través del reactor. La temperatura se controla para optimizar la reacción y se puede usar un BPR de Equilibar para aumentar la velocidad de reacción o controlar las fases de ciertos subproductos. Este diseño se puede utilizar en procesos como la hidrogenación.

Figura 4. El sistema de control de procesos de química de flujo continuo mide un líquido y un gas en un reactor de química de flujo.

Un diseño similar funcionaría para la mezcla de productos en línea donde los ingredientes se miden y mezclan en un moderno proceso de fabricación continuo de estado estacionario para alcanzar la proporción de ingredientes deseada.

Controlar el flujo para controlar otras variables

Expandiendo aún más las interacciones de control de presión y flujo, el control de flujo se puede usar para influir en otras variables como el pH, el nivel, la temperatura o el peso del recubrimiento.

El caso del control en cascada

El control en cascada utiliza dos bucles de retroalimentación, con un bucle de control externo primario que envía una señal de punto de ajuste al bucle de control interno secundario. Juntos controlan la variable del proceso final. El control en cascada funciona bien cuando el circuito interno responde rápidamente a los cambios del punto de ajuste y está controlando un circuito externo primario que responde lentamente a los cambios (nivel, temperatura, pH, etc.).

Los bucles de control en cascada se diseñan comúnmente de modo que el bucle interno secundario controle el flujo y el bucle externo primario regule el punto de ajuste de flujo para lograr la variable de proceso final deseada. La ventaja de esta disposición es que el bucle interno responderá rápidamente a las alteraciones del proceso y enviará una señal al bucle externo, evitando grandes desviaciones en la variable final del proceso.

Aplicación de control de cascada 1: Regulación del pH

En una instalación de tratamiento de agua estaba diseñando un sistema de control de pH en el que se rociaba CO2 en un tanque de agua para controlar el pH del agua. (Vea Figura 5.) La aplicación implicó la necesidad de controlar el flujo másico en un amplio rango de caudal para abastecer a varios tanques de agua, mientras que al mismo tiempo, se reducía el tiempo entre la inyección de CO2 y los cambios de pH del agua.

Figura 5. Sistema de control de cascada de pH mediante control de flujo de CO2.

Para esta situación, se usó un MFC de Alicat Scientific con una rangeabilidad de 200: 1 en un diseño en cascada para controlar el pH. (Vea la Figura 6). La respuesta de la válvula solenoide integrada a la retroalimentación de un PID interno en el MFC logró el control de flujo del gas CO2. El punto de ajuste para el pH se estableció en un controlador lógico programable (PLC). Un medidor de pH en el agua retroalimentaba al PLC, que reguló el punto de ajuste del MFC para llegar al pH deseado.

La amplia gama de control de flujo en el MFC permitió que el diseño del sistema funcionara para varios tamaños de tanques de agua, y las capacidades de comunicación del MFC facilitaron el emparejamiento con el PLC.

Figura 6. Controlador de flujo másico de Alicat Scientific de precisión utilizado para el control del flujo de CO2 en la aplicación de control de cascada de pH.

Aplicación de control de cascada 2: Control de temperatura

Los circuitos de control de refrigeración son omnipresentes en los procesos químicos y las plantas de fabricación para controlar la temperatura en varios sistemas. Desde cámaras de fermentación o elaboración de cerveza hasta plantas de fabricación de productos químicos e incluso el enfriamiento de los centros de datos; el control de la temperatura es una variable importante del proceso. El control preciso del flujo de líquido refrigerante puede ayudar a mantener temperaturas de proceso precisas incluso dentro de una ventana operativa estricta.

En un circuito de enfriamiento o enfriador típico, los fluidos de enfriamiento se entregan al proceso a un caudal capaz de mantener la temperatura objetivo. En algunos diseños, la presión del fluido refrigerante se puede controlar en un circuito de recirculación usando un BPR para controlar el flujo, como en el ejemplo de la boquilla rociadora en la Figura 3. La presión variable a través de un orificio constante entrega el flujo apropiado, que cae en cascada para controlar la temperatura final del proceso. La temperatura del proceso envía una señal al circuito de control de presión, que varía para ajustar el flujo y mantener la temperatura bajo control.

Dado que la precisión es especialmente importante en este tipo de sistemas de control de presión, un regulador de contrapresión de Equilibar (BPR) junto con un controlador electrónico de doble válvula de Alicat es una solución ideal. (Vea la Figura 7). A medida que cambia la demanda de temperatura o el punto de ajuste de la temperatura, el regulador de contrapresión se ajusta rápidamente manteniendo el control del flujo del líquido refrigerante para que la temperatura se mantenga inalterada.

Figura 7. Regulador de contrapresión de Equilibar junto con un controlador electrónico de doble válvula de Alicat para el control de contrapresión.

Ampliando horizontes

Si bien muchos de estos ejemplos son familiares para los ingenieros de procesos experimentados, las continuas mejoras en las válvulas de control de flujo, los reguladores de control de presión, los caudalímetros y los sistemas de automatización están creando oportunidades innovadoras. Al reexaminar la forma en que interactúan el flujo y la presión, a menudo es posible imaginar nuevas y revolucionarias formas de emplear los componentes de control para cumplir con los exigentes requisitos de las aplicaciones y desarrollar sistemas mejorados para una fabricación de última generación.

Si necesita ayuda para definir la mejor configuración para su aplicación o para analizar sus necesidades de medida y control de caudal y presión, póngase en contacto con los ingenieros de aplicación de Rosetta Technology en el +34 91 805 19 10 o contáctenos por e-mail. ¡Estaremos encantados de ayudarle!

Artículo redactado por Jeff Jennings y publicado en la revista Flow Control traducción Rosetta Technology.