Optimización de Procesos Industriales Mediante Analizadores en Línea y Monitorización Continua

Introducción a los Analizadores en Proceso Online

Los analizadores en proceso online permiten monitorizar los parámetros clave de un determinado proceso, obteniendo una vigilancia continua del mismo, ya que suministran información en un tiempo casi real (con un retardo máximo de pocos minutos). Esto permite operar en condiciones más óptimas que garantizan las siguientes mejoras en el proceso:

• Mayor calidad del producto, minimizando pérdidas.
• Mayor seguridad del proceso.
• Mayor automatización del proceso.

Beneficios y Características de los Analizadores en Línea

Los analizadores en línea son dispositivos o equipos que analizan muestras de productos de forma continua sin necesidad de interrumpir el proceso. Su instalación supone importantes mejoras:

• Calidad: Menores pérdidas de producto debido a una rápida respuesta a las perturbaciones, como consecuencia de una frecuencia de muestreo alta, muestras más representativas y una disminución de errores humanos.
• Seguridad: Disminución del número de análisis de productos peligrosos en el laboratorio.
• Automatización: Los valores obtenidos se transmiten automáticamente al sistema de control, permitiendo que este conozca, en tiempo real, la situación de la unidad de producción.
• Reducción de costes: En materia prima, energía y menores costes para realizar los análisis en el laboratorio.

Tipos de Analizadores en Línea

Los analizadores en línea se pueden dividir en dos grandes grupos:

• Equipos que trabajan sin preparación previa de la muestra: Se pueden instalar directamente en la tubería. Ejemplo: pH-metro.
• Equipos que necesitan una preparación previa de la muestra: Requieren una extracción previa de la muestra para su condicionamiento antes de proceder a su análisis. Ejemplo: cromatógrafos.

Clasificación según el Parámetro a Determinar

En función del parámetro que se desea determinar, los analizadores se pueden clasificar en:

• Analizadores físicos: Miden propiedades físicas del fluido (conductímetros, viscosímetros, refractómetros, etc.).
• Analizadores químicos: Miden la concentración de una sustancia en el fluido (pH-metros, cromatógrafos, etc.).

Características Fundamentales de un Sistema de Medición en Línea

Un análisis en línea implica los siguientes puntos:

• Medidas de la variable en el propio proceso.
• Muestreo y registro de datos automatizados.
• Condicionamiento de las muestras automático.
• Análisis automático y envío de los resultados al punto de control.
• Resultados rápidos y exactos.
• Sencillez de manipulación, incluso por personal no especializado.
• Rápida retroalimentación de los resultados obtenidos.
• No necesita mantenimiento durante largos periodos de tiempo.
• Posibilidad de realizar trabajos de mantenimiento sin necesidad de interrumpir el proceso.
• Equipos simples y robustos, pensados para trabajar en la unidad de producción y, por tanto, en condiciones que pueden llegar a ser severas.
• Trabajan 24 horas los 365 días del año.
• Capacidad de autocalibrarse.
• Capacidad de trabajar en ambientes peligrosos.

Parámetros de Rendimiento de los Analizadores

Las características básicas que definen el rendimiento de un analizador son las mismas que deberían tener cualquier equipo de análisis de laboratorio:

• Exactitud: Capacidad para que el valor obtenido por el analizador coincida con el valor obtenido por un equipo analítico del laboratorio que se toma como referencia.
• Precisión: Capacidad que tiene el analizador en línea de obtener el mismo valor cuando analiza la misma muestra. Se puede asimilar a la repetitividad.
• Sensibilidad: Valor más pequeño de la variable que el analizador puede medir.
• Ruido: Es el valor de salida del analizador cuando el valor de la variable medida es 0.
• Rango: Intervalo entre el valor máximo y mínimo que puede medir el equipo de análisis.
• Linealidad: Respuesta del equipo de análisis que puede expresarse mediante una recta.
• Deriva de cero: Variación de la señal de un analizador en línea que se encuentra trabajando durante 24h cuando el valor de la variable es igual a cero.

Velocidad de Respuesta

Además de estos conceptos, al hablar de analizadores en línea, se debe considerar la velocidad de respuesta. Es el tiempo necesario para que el analizador detecte un determinado porcentaje del valor de una variable cuando se ha producido una variación de la misma. En general, se habla de dos constantes:

• T10: Es el tiempo que tarda el analizador en detectar un 10% del incremento o descenso que experimenta una variable cuando se produce una variación de la misma.
• T90: Tiempo que tarda en detectar el 90% del incremento o descenso que experimenta una variable cuando se produce una variación en la entrada del analizador sin variar el caudal de entrada.

Consideraciones Ambientales

Como cualquier otro equipo de medida, hay que tener en cuenta que los analizadores en línea son sensibles a las condiciones ambientales (Presión, Tª). A menudo, si es posible, se suelen agrupar los analizadores en una caseta de analizadores, lo que permite conseguir unas condiciones ambientales estables.

Sistema de Muestreo y Condicionamiento en un Analizador en Línea

El sistema de muestreo y condicionamiento es una parte esencial en el sistema de medida de un analizador en línea. Este sistema debe ser capaz de:

• Tomar una muestra representativa.
• Transportarla al analizador.
• Condicionarla para que pueda ser analizada.
• Hacer posible su retorno al proceso o proceder a su eliminación controlada.

4.1 Toma de Muestra

La primera pregunta a responder es: ¿Dónde se ha de tomar una muestra representativa?

• Si hay corrientes líquidas que pueden arrastrar burbujas de vapor o suciedad, el punto de extracción se debe realizar en los laterales de la tubería.
• Si la muestra es gaseosa o con vapores, la extracción se puede realizar en un lateral o en la parte superior de la tubería.

Siempre es recomendable utilizar una sonda de toma de muestra que incorpore algún tipo de filtro para impedir que la suciedad llegue al analizador. Si la muestra se ha extraído de un equipo donde se está produciendo una reacción química, es necesario pararla para asegurar que su composición no varíe mientras se realiza el análisis.

La reacción se puede parar en la misma sonda de extracción de la muestra por enfriamiento o por inyección de un gas.

4.2 Transporte de la Muestra

Para que la muestra que llegue al analizador en línea siga siendo representativa, el transporte de la muestra se debe hacer de forma controlada, lo que obligará en muchos casos a calentar o enfriar la línea de transporte. Existen tres métodos:

• Línea simple: Se utiliza cuando el volumen de la línea es pequeño comparado con el volumen o caudal de la muestra que requiere el analizador, ya que en este caso el tiempo de circulación será pequeño.
• Línea con bypass: Permite un caudal de muestra elevado, superior al que necesita el analizador, con un tiempo de retardo mínimo. Este sistema se utiliza cuando la muestra se vaporiza y no hay dispositivos para retornarla a la tubería. La muestra no utilizada se debe eliminar.
• Línea con bypass y línea rápida de retorno: El más apropiado cuando el analizador se encuentra lejos del punto de extracción de la muestra. En este caso, se establece una elevada velocidad de circulación de la muestra a través de la línea de bypass. El tiempo de retardo es mínimo y la muestra no utilizada se devuelve al conducto.

4.3 Condicionamiento de la Muestra

Prácticamente en todos los casos se requiere un mínimo de condicionamiento de la muestra para que llegue en las condiciones adecuadas. Las funciones que suele realizar el sistema de condicionamiento son:

• Limpieza de las muestras gaseosas para eliminar las partículas.
• Evitar, mediante el aislamiento de la línea, las condensaciones parciales que puedan alterar las composiciones de la muestra.
• Vaporizar las muestras cuando sea necesario.
• Eliminar las sustancias corrosivas, vapor de agua u otras sustancias químicas que puedan interferir en la medida. Esta eliminación se realiza con tamices, líquidos absorbentes, etc.
• Diluir la muestra con líquido o gas inerte para ajustar el valor de la concentración medida.
• Conmutar entre diferentes líneas cuando se utiliza un único analizador para tratar muestras tomadas en diferentes puntos del proceso. Esta situación es muy común en los equipos que analizan fugas de productos peligrosos.
• Introducir los gases portadores o de calibración.