Un perfil nítidoLa determinación óptica de gradientes de temperatura en un espacio mínimo con-tribuye a optimizar la reacción

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La medición en línea de perfiles de temperatura en espacios confinados plantea exigencias especiales a la tecnología de medición. Y, más concretamente, a la determinación de los cambios de temperatura en reactores de tubo y reactores con haz de tubos. Teniendo esto en cuenta se ha desarrollado un innovador sistema de medición de temperatura basado en fibra óptica. Dicho sistema permite un mayor número de puntos de medición y reduce al mismo tiempo el tamaño del tubo protector que se introduce en el reactor. Su instalación ha sido plenamente satisfactoria en una aplicación de la empresa Evonik, situada en la localidad de Marl, Alemania.

La determinación fiable del perfil de temperatura en el relleno del catalizador es de vital importancia para la transformación catalítica de gases y líquidos en los reactores de tubo y en los reactores con haz de tubos. Afecta de manera determinante al curso de la reacción, a la calidad de la transformación del material y al envejecimiento del catalizador. La identificación de puntos calientes (zonas con temperatura excesiva que pueden surgir en el relleno) es imprescindible.

Matthias Hüning, especialista en medición eléctrica y tecnología de control en el sector de polímeros de alto rendimiento de Evonik Industries en Marl, Alemania, describe de la siguiente manera el problema de su planta: “Usamos reactores con haz de tubos en nuestra planta de producción de Laurolactam, un material de base para Vesta-mid® L. El problema es instalar el número suficiente de puntos de medición de temperatura en un espacio reducido dentro de un sólo reactor de tubo para detectar rápidamente altas temperaturas y adoptar medidas correctoras. De esta manera podemos evitar la destrucción o el envejecimiento prematuro del catalizador debido al sobrecalentamiento. Se evita además tener que parar la planta para cambiar el catalizador, un proceso complicado”.

El reducido diámetro de los tubos del reactor, el número de puntos de medición necesarios y la velocidad a la que se necesita obtener los datos hacían imposible utilizar un sistema convencional de medición (termómetros de resistencia o termopares). Evonik, en colaboración con Siemens, empleó detección de temperatura mediante fibra óptica basada en la tecnología de fibras con rejilla de Bragg.

El sistema de medición multipunto SITRANS

TO500 transmite de forma rápida y fiable

temperaturas y perfiles de temperatura. Al

indicar la distribución espacial de la

temperatura, el sistema mejora la visibilidad

de las condiciones operativas, lo que le

permite optimizar la calidad, el rendimiento y

la vida útil.

Fundamentos de la detección óptica de temperatura Las fibras con rejilla de Bragg (FBG) son estructuras ópticas periódicas insertadas en fibras ópticas. Como sólo se refleja una longitud de onda concreta de luz incidente y las demás pasan, cada rejilla actúa como un filtro de banda estrecha. Si se dirige un haz de luz de amplio espectro a través de las fibras, las reflexiones de cada sección del índice de refracción variable afectan únicamente hasta un cierto punto a una longitud de onda de luz concreta. Esto se denomina longitud de onda de Bragg, y se calcula según la fórmula 1:

Siendo λb = Longitud de onda de Bragg

n = Índice de refracción efectiva del núcleo de la fibra

λ = Distancia entre rejillas, también conocida como periodo de modulación del índice de refracción

La longitud de onda de Bragg depende de la distancia de los reflectores dentro de la rejilla (λ). Así se pueden colocar varias rejillas en una sola fibra.

Las variaciones en la longitud de la fibra provocadas por tensiones o por calor deforman la rejilla y desplazan la longitud de onda reflejada. Esto se debe principalmente a la variación del índice de refracción del cristal de cuarzo por el efecto termoóptico [2], [3], [4].

Δλ representa aquí la variación de la longitud de onda y λo la longitud de onda incidente original. La primera parte de la fórmula describe el efecto de la tensión en la variación de la longitud de onda, siendo pe el coeficiente fotoelástico y λ la tensión sobre la rejilla. La segunda tiene en cuenta el efecto de la temperatura en la variación de la longitud de onda, siendo λλ el coeficiente de dilatación térmica y λn el coeficiente termoóptico, esto es, la dependencia del índice de refracción respecto de la temperatura [3].

Efecto de la tensión y la temperatura Tal como muestra la fórmula 2, tanto la temperatura como la tensión provocan un cambio en la longitud de onda. Para eliminar el efecto de la tensión, la fibra con rejilla de Bragg no se puede someter a tensión mecánica si se usa como sensor de temperatura. Siemens utiliza la característica de la variación de la longitud de onda como una función de la temperatura en su sistema de medición SITRANS TO500. El sistema consiste en un transmisor en el que se pueden conectar hasta cuatro sondas de medición de fibra óptica, a las cuales se puede conectar a su vez hasta 48 rejillas. De esta forma se puede medir la temperatura de forma sincronizada en hasta 192 puntos por sistema de medición. En la aplicación que nos ocupa, las rejillas de Bragg están insertas cada 20 cm. Siemens ofrece a sus clientes sondas

de medición adaptadas con precisión a cada aplicación, pudiendo variar longitudes, cantidad de sensores y posiciones de los sensores

Matthias Hüning, de Evonik Industries en la localidad de Marl, Alemania, especialista en medición eléctrica y tecnología de control en el sector de polímeros de alto rendimiento.

El perfil detallado aporta mucha información En esta aplicación cada sonda de medición de aproximadamente 1 mm de diámetro registra temperaturas en un rango de medición de 0 a 400 ºC con un error de < 0,5 K. Otra característica es su rápido tiempo re respuesta; el tiempo T90 está por debajo de los 4 segundos [6]. La transmisión del valor medido (reflexión de la luz) que tiene lugar en la propia fibra hace innecesario el uso de más cables. Esto significa que el diámetro necesario para los tubos protectores de la medición es considerablemente menor. Por una parte la reacción dentro del reactor dispone de mayor sección transversal y, como consecuencia, de más volumen, lo que afecta positivamente al rendimiento. Por la otra, los tiempos de respuesta del sensor son menores porque disminuye el efecto amortiguador de la cámara de aire entre la fibra con sus rejillas y las paredes del tubo.

“El personal de nuestra planta puede detectar a tiempo la formación de puntos calientes o la efectividad del catalizador gracias al registro detallado y a la visualización de todo el perfil de temperatura en el reactor”, prosigue Matthias Hüning. “Usamos esta información para adoptar medidas encaminadas a reducir la temperatura, por ejemplo, en el primer caso. En el segundo podemos llevar a cabo labores de mantenimiento como la sustitución del catalizador cuando le toca por su antigüedad”. En ambos casos se prolonga la vida útil del catalizador con un mantenimiento preventivo más económico basado en las necesidades.

Ventajas de instalación y mantenimientoLos procedimientos de medición sin contacto con sensores de fibra óptica son cada vez más habituales en la industria química. Los sensores no se ven afectados por interferencias electromagnéticas y son químicamente resistentes. Otra ventaja es la posibilidad de acoplarlos con señales ópticas. Joachim Kölsch, jefe de producto en Siemens Process Industries and Drives, lo explica de la siguiente manera.

“En la instalación de Evonik usamos un acoplador de fibra de vidrio para conectar el sensor de fibra en el reactor y la línea de transmisión con el transmisor. Para el mantenimiento, por ejemplo cuando hay que abrir la tapa del reactor, basta con desconectar el acoplador. La sonda de medición se puede sacar fácilmente y enrollarse antes de la revisión del reactor o antes de cambiar el catalizador. Al estar enrollada se puede transportar de manera fácil y segura”.

El transmisor SITRANS TO500 envía a través de una interfaz Profibus DP los valores que se quieren analizar en los sistemas de control y los pone a disposición para la gestión de activos y la optimización del proceso.

La detección precisa y rápida de los perfiles de temperatura en reacciones de fase gaseosa de los reactores de lecho fijo, por ejemplo, contribuye de forma efectiva a detectar la carga térmica del relleno del catalizador y a mantener la eficiencia al adoptar medidas correctoras. Con la innovadora obtención óptica de valores de medición mediante rejillas de Bragg y fibra óptica, Siemens ofrece a sus clientes una forma elegante de registrar y procesar simultáneamente un amplio rango de temperaturas con fines de monitorización y optimización. El cliente puede detectar con eficiencia los errores y optimizar los procesos de reacción, consiguiendo así una mayor productividad en la planta. Evonik ha instalado la aplicación descrita en la primera planta de producción tras una minuciosa fase de prueba.

Matthias Hüning hablando con el jefe de producto de Siemens, Joachim Kölsch, espe-cialista en el campo de medición de tempera-tura.

Esquema del reactor con haz de tubos con un SITRANS TO500 instalado y una sonda de medición integrada.

Siemens AGProcess Industries and Drives Östliche Rheinbrückenstraße 50 76187 KarlsruheAlemania

Sujeto a cambios sin previo avisoDisponible sólo como pdf© Siemens AG 2017

Referencias:[1] Nota de prensa Evonik: VESTAMID® L – Polyamide 12 http://corporate.evonik.de/de/presse/suche/pages/news-details.aspx?newsid=4980[2] HBM:https://www.hbm.com/de/4596/was-ist-ein-faser-bragg-gitter/[3] elektronik messen+ testen 2/2010Grundlagen der optischen Sensormessung mit Faser-Bragg-Gittern (Fundamentos de la medición mediante sensores ópticos dotados de fibras con rejilla de Bragg)[4] Optical fiber temperature measurement (Medición de temperatura mediante fibra óptica)Patente alemana DE102014018825[5] Fundamentals of Fiber Bragg Grating (FBG) Optical Sensing (Fundamentos de la detección óptica mediante fibras con rejilla de Bragg)http://www.ni.com/white-paper/11821/en/[6] Optical Fiber Temperature Measurement for Process Industry (Medición de temperatura mediante fibra óptica en la industria de procesos) S. von Dosky, W. Ens, H. Grieb, M. Hilsendegen, H. Schorb - Siemens AG, Conferencias de 2013 de la Asociación de Sensores y Medición (AMA) en Karlsruhe

El reactor con haz de tubo es un tipo de reactor en el que las reacciones se producen en fase gaseosa. En este caso, la mezcla de gas de los tubos, alrededor de los cuales fluye un refrigerante, se transforma mediante un catalizador. La instalación típica consiste en un depósito de refrigerante con, según el diseño, de 1.000 a 30.000 tubos llenos de catalizador de 2 a 5 cm de diámetro y una longitud de 1 a 5 m. Para garantizar la distribución uniforme del calor, el refrigerante, que puede ser aceite térmico, sal fundida o agua, se hace circular de forma constante

Fuente: Wikipedia

Evonik usa el nombre Vestamid® para referirse a un grupo de poliamidas de alta calidad, como las poliamidas 12, 612, 610, 1010, la poliamida 12, los elastómeros, la poliftalamida y las poliamidas de base biológica.

Sus propiedades mecánicas, su resistencia química y el elevado punto de fusión del producto final hacen que el polvo de poliamida 12 resulte especialmente interesante en los procesos de impresión en 3D con polvo, como el sinterizado selectivo por láser (SLS) y el sinterizado de alta velocidad (HSS). Los compuestos de fibra representan otra área de crecimiento, dado que el fino polvo de la poliamida 12 es apto como matriz de compuestos termoplásticos hechos de vidrio, carbono, aramida o fibras de acero. Sus campos de aplicación son, por ejemplo, industrias como las del automóvil, el petróleo, el deporte o la ortopedia.

Fuente: Evonik - www.vestamid.com/product/vestamid/de/produkte-dienstleistungen/ yhttps://www.kunststoffe.de/news/unternehmen/artikel/evonik-baut-produktionsstrasse-fuer-polyamid-12-pulver-1315358.html