PERFILAJE GAMMA DE UNA TORRE DE DESTILACIÓN

PERFILAJE GAMMA DE UNA TORRE DE DESTILACIÓN
Héctor Korenko Pokrischkin
AENDUR – ANCAP- Facultad de Ciencias (Universidad de la República)
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Resumen: El perfilaje gamma es una técnica muy efectiva para la exploración y diagnóstico de torres de destilación en
funcionamiento, mediante el empleo de una fuente radiactiva sellada de una actividad pequeña. Se describe brevemente los
fundamentos del perfilaje y los patrones de diagnóstico para las torres de destilación de platos. En oportunidad de la venida
de un experto de la OIEA, se realizó un perfilaje a una torre de destilación de separación de propano-butano. Se obtuvo un
perfilaje que denota un funcionamiento casi normal, con los platos en su lugar, no existiendo colapsamiento ni inundaciones
totales. Sin embargo se pudo apreciar la existencia de algunas obturaciones parciales en algunos bajantes, con indicios de
arrastre parciales y presencia de espuma.
Keywords: Perfilaje gamma, inspección de torre de destilación, usos industriales de radionucleidos sellados.
1. Introducción
El perfilaje gamma es una técnica muy efectiva para el diagnóstico y estudio de recintos o sistemas (torres
de destilación, variaciones de la densidad de un fluido en el tiempo, nivel de líquidos, entre otros) desde el
exterior, sin interferir con su funcionamiento. La inspección de torres de destilación mediante su perfil de
densidades, es una de las más útiles y redituables aplicaciones de esta técnica y en general de las aplicaciones
con fuentes radiactivas selladas [1] [2] [3] [4].
En el marco del Programa ARCAL XLIII de la OIEA y del “Taller Regional de Capacitación sobre Perfilaje
Gamma y Neutrónico en la Industria del Petróleo y Petroquímica” , nuestro país recibió el equipamiento y la
capacitación para la realización de estas prácticas. Como cierre al programa, a fines del año 2000, un experto de
la OIEA, el Dr. Mario Cano, vino al Uruguay para supervisar el equipamiento recibido, oportunidad en la que se
realizó un perfilaje gamma a una torre de destilación, lo que se describe en el presente trabajo.
2. Fundamentos del método
Cuando un haz de radiaciones interactúa con un medio material determinado, se producen cambios en la
intensidad del haz de radiación original, lo que puede ser analizado, brindando una amplia información sobre las
propiedades del medio en estudio. Si bien las emisiones de un radionucleido son varias (rayos alfa, beta, gamma,
neutrones, neutrinos), para el perfilaje, se tendrán en cuenta exclusivamente los rayos gamma (fotones de muy
alta energía) provenientes de fuentes encapsuladas y selladas, generalmente de Cs-137 o Co -60 y de una
actividad del orden de cientos de veces menor a las utilizadas en gammagrafía [1] [3] [5].
La transmisión de rayos gamma a través de un medio material es bastante compleja, apareciendo efectos diversos
debido a la interacción de la radiación con el medio (efectos fotoeléctrico, Compton, creación de pares y otros)
que provocan su atenuación, dispersión de la radiación (scattering), build up, sin embargo, a los efectos de la
aplicación de esta técnica, se puede modelar mediante la sencilla expresión [1]
I = I 0e − µρ.x
(1)
donde: I0 es la intensidad inicial del haz radiactivo; I la intensidad final del haz radiactivo que logra atravesar
la distancia x; x es el espesor del material atravesado; ρ la densidad del material en estudio y µ el coeficiente
de absorción másico efectivo, constante para una energía gamma específica y para un material determinado y
que tiene en cuenta el factor de build-up.
En el perfilaje, el haz de rayos gamma proviene de una fuente sellada, debidamente blindada y colimada, que es
dirigida hacia el material en estudio. Las variaciones en la intensidad transmitida I son registradas por medio de
un detector ubicado en el lado opuesto del objeto inspeccionado, que en nuestro caso es una columna de
destilación.
Estas variaciones en la intensidad transmitida I, que se manifiestan como una disminución en el conteo de
fotones registrados por el detector, son consecuencia de variaciones en la cantidad de masa por unidad de área
del material interpuesto en el interior de la torre, debido a que la columna de destilación se puede considerar
como un recipiente cuyo diámetro y espesor de pared son constantes. La densidad variable del medio interior
(expresada en unidades de masa por unidad de área interpuesta, entre fuente y detector), puede ser cuantificada y
registrada, mediante la obtención de un perfil de densidades, ya que a mayor densidad del medio interior, menor
es la radiación transmitida a través del medio.
El perfil de densidades o perfilaje, se obtiene colocando la fuente radiactiva frente al detector con la columna
interpuesta, alineados en forma precisa y desplazando simultáneamente en forma vertical y continua, tanto la
fuente como el detector. La variación en la intensidad transmitida, es consecuencia de la variación interior de la
columna; lo cual permite diagnosticar su estado operativo. Los picos indican zonas de vapor, cuya baja densidad
en la columna genera alta transmisión del haz radiactivo, mientras que los valles indican zonas de platos y su
fase líquida, donde la mayor densidad genera una baja transmisión del haz radiactivo.
Los problemas que se pueden identificar mediante el perfilaje de la torre son: presencia o ausencia de platos,
daños o caída de los mismos, inundaciones en platos (flooding) debido a obstrucciones, arrastre de líquido
(entrainment), lluvia o goteo (weeping) de líquido por los ductos de gas, presencia anómala de espuma
(foaming), estado de los tubos descendentes o bajantes, diferencias de nivel de líquido en bandejas, distribución
de los empaques en la torre, taponeamiento de campanas de burbujeo. Cada uno de estos problemas se manifiesta
a través de un perfil determinado lo que determina patrones de diagnóstico [1] [3] [5] [6] [7]. En la figura 1 se
muestra un esquema de un perfilaje y su patrón de diagnóstico.
Después de cada mantenimiento de la torre de destilación, cuando la columna esta en óptimas condiciones, es
recomendable realizar un perfilaje para ser utilizado como patrón y poder comparar con otros perfilajes. Esto
permite estudiar la evolución del funcionamiento y así diagnosticar directamente anomalías durante la operación
de la columna, tales como espuma liviana, espuma pesada, goteos, etc.
Plato carga
normal
Arrastre
Inundación
Plato con carga
excesiva
Plato normal
Espuma
Lluvia
Plato seco
Plato faltante
Nivel inferior
Fig. 1 Perfilaje gamma de torre de destilación y patrones de diagnóstico.
3. Montaje experimental y equipo a analizar
Para la realización del perfilaje se utilizó una fuente radiactiva de Cs -137 con una actividad de 30 mCi
montado en un portafuentes de pequeño diámetro y un detector gamma de centelleo con cristal de NaI (Tl) , de
2”x2” conectado a un contador digital mediante un cable coaxial de longitud apropiada.
El portafuentes y el detector se sostienen con cables de acero que se hacen pasar por una serie de poleas y se
enrollan en unos malacates que se accionan en forma manual. Para obtener el desplazamiento vertical continuo
y sincronizado de la fuente y el detector, los cables de sostén se hacen pasar por una mesa donde se monta una
regla o cinta graduada, instalada en las cercanías de la torre, de modo que el desplazamiento se puede controlar
desde el piso, mediante el accionamiento de los carreteles de los malacates. Las poleas se colocan en la parte
superior del equipo a perfilar, en las estructuras propias de éstas (plataformas) si las hay apropiadas o en
estructuras simples que deben armarse en su estructura superior.
El perfilaje se llevó a cabo en una torre de separación (splitter) propano-butano, del tipo columna con
estructura de platos de un solo bajante, de una altura de 19,3 m, un diámetro interior de 42” (106,7 cm) y un
espesor de pared de 11/16” (17,5mm), construida en acero ASTM A285 Gr C.
La columna posee 30 platos, 3 del tipo chimenea (Nº 1, 15 y 30) y los restantes son platos perforados.
Previo al comienzo del trabajo de campo, se realizó un estudio de la columna a perfilar, a través de los
planos constructivos de la misma, analizando sus principales características: distribución de platos, número y
características de los mismos, dimensiones: diámetro interior, espesor de pared, tamaño de las pestañas de las
bandejas, orientación de bajantes y pasos de hombres, ubicación de internos y materiales constructivos.
Finalmente se realizó una inspección in situ de la torre a fin de verificar las vías de acceso óptimas para el
sistema fuente -detector. Conocidas las características de la torre, se procedió a la calibración del sistema de
perfilaje, determinando la configuración del contador de modo de obtener un conteo de fotones (intensidad)
apropiado (del orden de las diez mil cuentas por segundo para la atenuación debida sólo a los espesores de pared
de la columna).
Una vez realizada la calibración del contador, se llega a la torre para la instalación del sistema de accionamiento
y se procede a una alineación precisa de la fuente con el detector y regulación del conjunto.
El perfilaje se realizó adquiriendo los datos en intervalos de 5 segundos y con un espaciamiento de 5 cm entre
los distintos puntos medidos a lo largo de la altura de la torre.
4. Resultados
En la figura 2 se muestra el perfilaje gamma obtenido.
Perfilaje Torre Separadora Propano-butano
Plato Nº
línea líquido
línea gas
1
1600
3
5
7
1400
9
11
1200
13
15
Altura (cm)
1000
17
19
800
21
23
25
600
27
29
400
200
0
100
1.000
10.000
log (c/s)
Figura 2 – Perfilaje gamma de torre de destilación
100.000
En el gráfico se representa en abscisas el logaritmo del número de conteos de fotones, mientras que en las
ordenadas la altura de la torre. Se grafican además la ubicación de los platos (numerando solo los impares) y dos
rectas paralelas al eje de ordenadas, que determinan la línea de gas (máxima respuesta que se obtiene
generalmente registrada en la parte superior) y línea de líquido (mínima respuesta) para la columna.
De acuerdo al perfilaje obtenido se constató:
• Presencia de lluvia o goteo de líquido hacia la zona inferior del Plato Nº30, debido a la existencia de una
sobre-presión relativa por encima de este plato. Esta sobre-presión es el origen también de un cierto
arrastre. Se puede estimar una altura de líquido del orden de los 15 cm con presencia de espuma. Este nivel
de líquido es considerado algo excesivo teniendo en cuenta que la pestaña de este plato (weir height) e s de
114 mm.
• En la parte inferior de este plato se aprecia la existencia de un gradiente de baja presión del vapor de
carácter intermitente, con aparición de gotas en suspensión denotado por alejamiento del patrón de conteo
de la línea de gas.
• Nivel excesivo de líquido en Platos Nº 29 (de 10 a 12 cm teniendo un weir heigth de 45 mm), 21, 11 (con
aproximadamente 15 cm de líquido) y 5.
• Presencia de líquido con burbujas en Plato Nº 28.
• Presencia de espuma en Platos Nº 25, 17, 16, 14, 6 y 2.
• Lluvia moderada en el Plato Nº 18 y 4 (que eleva el nivel de líquido al Plato Nº 5)
• Funcionamiento normal de los Platos Nº 26, 24, 22, 20, 19 (aunque con algo de lluvia debido a su plato
superior), 15, 10, 9, 7 y 1.
• Excesiva carga de líquido con arrastre hacia plato superior en los Platos Nº 27, 23.
• Existencia de obstrucciones en bajantes entre Platos Nº 13 y 14 (el primero con nivel excesivo, sin llegar a
una inundación total y el último con escasez de líquido); 11y 12 (con presencia además de espuma en ambos
platos); 7 y 8 y finalmente entre los platos 2 y 3, apareciendo este último plato bastante inundado.
5. Conclusiones
El perfilaje realizado con los medios enviados por la OIEA se llevó a cabo en forma exitosa y se pudo
realizar el diagnóstico del estado y funcionamiento de la columna de destilación.
La totalidad de los platos se encuentran funcionando y en su lugar, según las ubicaciones dadas por los planos
constructivos, no existiendo colapsamiento de ninguno de ellos ni inundaciones totales. El func ionamiento
resulta un tanto desequilibrado debido a la existencias de obturaciones parciales en los bajantes. Esto puede
deberse a suciedades, principalmente entre los platos: 2-3, 11-12 y 13-14. Aparece un nivel de líquido excesivo
en algunos platos y existen indicios de arrastre debido a diferencia de presiones entre platos.
6. Lista de referencias
[1]- Hills, A.E., 1999, “Practical Guidebook for Radioisotope-Based Technology in Industry, IAEA/RCA
RAS/8/078.
[2]- Pless, L., Bowmer, J., “Scanning Colu mns with Gamma Rays”, Chemical Engineering, Aug. 1992, pp 127132.
[3].- Cano, M. 1999, “Manual de Aplicaciones de Fuentes Selladas en la Industria del Petróleo”, ARCAL XLIII
[4]- Charlton, J.S., Polarski, M. , “Radioisotope Techniques Solve CPI Problems”, Chemical Engineering, Jan.
1983, pp 116-119.
[5]- Harrison, M., France, J., “Trouble-Shooting Distillation Columns – Part 1 Techniques and Tools”,
Chemical Engineering, Mar. 1989, pp 116 -123.
[6]- Fulham, M. H., Hulbert, V.G., “Gamma Scanning of Large Towers”, Chemical Engineering Progress, Jun.
1975, pp 73-77.
[7]- Kister, H., Rhoad, R., Hoyt, K. “Improve Vacuum- Tower Performance”, Chemical Engineering Progress,
Sep. 1996, pp 36-44.