Primer paso en la Selección de Válvulas de control: dato interesante

La selección de una válvula de control adecuada es crucial para lograr los objetivos de cualquier proceso industrial. Las válvulas de control están consideras como un Instrumento mas y estan dentro de la categoría de “elemento final de control” como uno de los mas usados a nivel mundial para este fin, controlar variables de procesos.

Mediante un conjunto mecánico llamado “trim”, que no es mas que una jaula, un tapón y un asiento se puede obturar el fluido que atraviesa el conjunto. Las variables de proceso que regularmente se controlan con estos instrumentos son: presión, flujo, nivel y temperatura.

Las válvulas de Control dirigen el flujo de Gas, vapor, agua y compuestos químicos para compensar perturbaciones en las cargas y regular las variables de proceso a valores lo mas cerca posible a lo deseado.

Los Ingenieros de Instrumentación que diseñan, deben valerse de su experiencia, normas, soporte de proveedores, mejores practicas y aplicaciones previas para seleccionar para cada punto de control del proceso válvulas que puedan mantener un comportamiento dinámico de aceptable a ideal, de manera eficiente, precisa y perdurable. Esto quiere decir, de forma sencilla, que estando bajo las mismas condiciones de proceso, la válvula debe controlar las perturbaciones de dicho proceso sin producir o minimizando los efectos de erosión, perdida de material, flashing y cavitación manteniendo la precisión, la estabilidad y el desempeño durante todo su ciclo de vida útil

Los Primeros datos

El instante mas temprano en el que se empiezan a conocer las características operativas que definirán las dimensiones de las válvulas de control es durante las simulaciones dinámicas del proceso usando softwares dedicados a tal fin. En este software se ingresan condiciones del proceso y de operación de los equipos principales para luego configurar dentro del mismo ambiente las dimensiones de las válvulas de control, básicamente se logra tener en este momento el CV de la válvula, el cual es un coeficiente que mide su capacidad para permitir el paso de fluido. Específicamente, indica el cauda que puede pasar a través de la válvula con una caída de presión x. Un valor de Cv más alto significa que la válvula puede manejar mayores flujos de fluido. Este parámetro es fundamental para asegurar un control eficiente del proceso.

Veámoslo mejor con un ejemplo

Se trata de un proceso básico de separación de hidrocarburos realizado con la herramienta Hysys la cual es muy usada para simulaciones de procesos, principalmente en empresas del Oil & Gas, químicas o petroquímicas.

Para poder llevar a cabo una simulación con esta herramienta uno de los elementos a configurar es la dimensión de cada válvula de control en términos de Cv.

Paso a paso

1. Conecciones a proceso:

En esta instancia se definen tag de la válvula, entradas y salidas para el paquete de fluido con el que va a trabajar la válvula de control

2. Parámetros

Ahora se debe incluir la presión diferencial a la cual va a trabajar la válvula de control, van a servir para evidenciar el comportamiento del procesos a través de estas caídas de presión.

3. Valve sizing

En la opción de Rating, se elije el método de calculo y se hace clic sobre el botón “valve sizing” para obtener las características dinámicas de la válvula entre las que esta el Cv

Aunque el ejemplo se realiza con un software especifico con el que podemos tener con dato base el Cv de la válvula de control, el dimensionamiento de válvulas de control continua, para lo cual te presento algunas metodologías que puedes usar:

Metodologías Comunes para Dimensionamiento

1. Método del Coeficiente de Flujo (Cv)
   El coeficiente de flujo (Cv) es uno de los parámetros más utilizados para dimensionar válvulas de control. El Cv representa la cantidad de agua (en galones por minuto) que una válvula puede pasar con una caída de presión de 1 psi. La fórmula básica para calcular el Cv es:Cv=Q⋅SΔPCv = Q \cdot \sqrt{\frac{S}{\Delta P}}Cv=Q⋅ΔPS​​Donde:
   • QQQ es el caudal (en gpm)
   • SSS es la gravedad específica del fluido
   • ΔP\Delta PΔP es la caída de presión a través de la válvula
   A partir del cálculo del Cv, se puede seleccionar el tamaño de la válvula adecuada.
2. Cálculo de Pérdidas por Estrangulamiento y Ruido
   En sistemas de alta presión, el dimensionamiento debe considerar la posibilidad de cavitación y ruido. Para mitigar estos fenómenos, se utilizan coeficientes de reducción de ruido y estrangulamiento, generalmente disponibles en los catálogos de los fabricantes.
3. Consideración de la Característica de Flujo
   Las válvulas pueden tener diferentes características de flujo, como lineal, igual porcentaje o apertura rápida. La selección de la característica adecuada depende del tipo de control requerido en el proceso.

Software Usados para el Dimensionamiento

Los principales proveedores de válvulas de control ofrecen herramientas especializadas para el dimensionamiento y selección de válvulas. Estas herramientas suelen estar integradas en sus plataformas de ingeniería o disponibles como aplicaciones de escritorio. A continuación, te presentamos algunos de los softwares más destacados:

1. Fisher First 2.0 (Emerson)
   Fisher First 2.0 es una de las herramientas más populares para el dimensionamiento de válvulas de control. Ofrecida por Emerson, este software permite a los ingenieros calcular el tamaño de válvulas en función de parámetros de proceso, tales como caudal, presión, temperatura y características del fluido. Fisher First 2.0 también permite seleccionar las válvulas más adecuadas de acuerdo con los requisitos de ruido, cavitación y estrangulamiento.
   • Funciones clave: Cálculo de Cv, análisis de cavitación, selección de materiales según las condiciones de operación.
   • Industria: Muy utilizado en el sector Oil & Gas y plantas químicas.
2. Control Valve Sizing Tool (SAMSON)
   SAMSON ofrece su propia herramienta de dimensionamiento que sigue normativas internacionales como IEC 60534. El software proporciona recomendaciones basadas en el análisis de condiciones de flujo y permite comparar entre diferentes tipos de válvulas.
3. Valve Sizing Suite (Metso)
   Metso también cuenta con un software de cálculo que ofrece la posibilidad de dimensionar válvulas de control en función de diferentes criterios de flujo y presión. La herramienta incluye análisis detallado para evitar fenómenos de cavitación y ruido.
4. CONVAL
   CONVAL es un software de cálculo versátil utilizado por múltiples industrias. Permite calcular el Cv de válvulas de control, así como realizar análisis de caudal, presión y temperatura para una amplia variedad de aplicaciones. Es compatible con diferentes fabricantes y ofrece cálculos avanzados para fenómenos como cavitación y flujo crítico.

Normas y Estándares Utilizados en el Dimensionamiento

El dimensionamiento de válvulas de control se basa en varias normas internacionales, entre las que destacan:

• IEC 60534: Normativa para válvulas de control, que proporciona métodos para el cálculo del coeficiente de flujo y los efectos del ruido.
• ISA S75: Estándar que describe los requisitos de dimensionamiento y selección de válvulas de control.

El dimensionamiento de válvulas de control es un paso crítico para asegurar el rendimiento óptimo de los sistemas industriales. Las metodologías basadas en el coeficiente de flujo y el análisis de ruido y cavitación, combinadas con el uso de herramientas de software de proveedores como Emerson, SAMSON y Metso, permiten a los ingenieros seleccionar las válvulas más adecuadas para sus aplicaciones. Aprovechar estas tecnologías asegura procesos más eficientes y seguros.