Medição de nível em tanques pressurizados: LPG e amoníaco

A medição de nível em tanques pressurizados consiste na leitura contínua da interface gás-líquido num recipiente mantido acima da pressão atmosférica, geralmente por um transmissor de nível radar sem contacto de 80 GHz. Abrange LPG, amoníaco líquido e oxigénio líquido, cujos limites de utilização dependem da permitividade do vapor, dos materiais para serviço criogénico e da aprovação para áreas perigosas. As amplitudes de medição típicas são de 0-12 m, até 25 bar g.

Porque é necessária a compensação do vapor na medição de nível em tanques pressurizados

Um transmissor de nível radar FMCW mede o tempo de propagação de um varrimento de micro-ondas pelo espaço acima do líquido e calcula a distância por d = c*t/2. No ar seco a 20 °C, a permitividade relativa é de cerca de 1.0006, pelo que c difere menos de 0.03 % do seu valor no vácuo. Na medição de nível em tanques pressurizados, o espaço superior contém vapor saturado em vez de ar, e a onda abranda para c/sqrt(er). Um transmissor que continue a usar o valor no vácuo sobrestima a distância por um fator de sqrt(er), ou seja, por uma parcela igual a (sqrt(er) - 1) da distância real.

Como o nível é igual à distância em vazio E menos a distância medida, uma distância sobrestimada produz uma indicação de nível inferior ao real pela mesma diferença. Num espaço de vapor de 8.000 m com er = 1.021, a distância indicada passa a 8.000 * sqrt(1.021) = 8.084 m, pelo que o nível apresentado fica 83.6 mm abaixo da interface real. O desvio aumenta com a altura do espaço de vapor e é, por isso, maior perto do esvaziamento, onde são definidos os alarmes de nível baixo. Tanto o radar FMCW sem contacto como o radar de onda guiada sofrem este efeito, uma vez que a onda atravessa o vapor pressurizado. A correção pode ser feita introduzindo um valor fixo de er, usando um refletor de referência a uma distância conhecida ou instalando uma sonda de referência num tubo tranquilizador.

Como uma pequena variação da permitividade se traduz em milímetros

A velocidade da onda no espaço de vapor é v = c0/sqrt(er), com c0 = 299 792 458 m/s. O transmissor mede o tempo de retorno do eco e multiplica-o por c0/2, pelo que a distância indicada é d_read = d_true*sqrt(er) e o erro de nível é dL = -d_true*(sqrt(er) - 1).

Exemplo de cálculo baseado em valores de instalação assumidos (cálculo ilustrativo, não dados medidos em campo): uma esfera de LPG com um espaço de vapor de 8.000 m, vapor de propano saturado a 8 bar g e 20 °C e um valor assumido de er = 1.021. Assim, sqrt(1.021) = 1.010445 e dL = -8.000 m * 0.010445 = -0.0836 m, ou -83.6 mm. A 8 bar g com er = 1.015, o desvio é de -59.8 mm; a 12 bar g com er = 1.030, atinge -119.1 mm. Na medição de nível em tanques pressurizados, a condição de validade é a estabilidade da pressão, da temperatura e da composição do vapor; uma oscilação de pressão durante o enchimento invalida um único valor fixo de er, tornando necessária uma correção baseada numa referência.

Estes são valores de referência típicos de engenharia para vapor saturado, não especificações de produto. Antes de introduzir um valor de compensação, confirme er para a composição e a pressão reais do gás com base na ficha atualizada das propriedades do gás.

Quando excluir os ultrassons em recipientes fechados

Não se deve especificar um transmissor de nível ultrassónico para tanques pressurizados quando a composição do vapor, a pressão ou a temperatura possam mudar durante o ciclo de enchimento. O aparelho mede o tempo de propagação de uma onda mecânica cuja velocidade depende da massa molecular do gás, da pressão e da temperatura. Num tanque de água ventilado, uma compensação de temperatura é suficiente; num espaço de vapor de LPG ou amoníaco não existe uma velocidade do som única, porque a densidade e a composição do gás variam com a pressão de saturação. O percurso acústico introduz então uma componente de erro não controlada, muito superior à exatidão de ±2 mm a ±10 mm habitualmente exigida para a prevenção de transbordo.

Dois outros limites tornam o método inutilizável. O som não se propaga no vácuo, pelo que um recipiente que possa ser colocado sob vácuo perde completamente o eco. Vapor saturado denso, espuma ou gotículas de condensação atenuam o impulso até o sinal de retorno desaparecer, mesmo com líquido presente. Nestas condições, a escolha correta é um transmissor de nível radar com a correção do vapor descrita acima, em vez de um aparelho ultrassónico mais avançado.

O que o serviço criogénico exige dos materiais em contacto com o fluido

O oxigénio líquido é armazenado perto de -183 °C, a uma pressão próxima da atmosférica, enquanto o amoníaco líquido ou o LPG podem estar perto de -40 °C em armazenamento refrigerado. Os aços inoxidáveis austeníticos conservam a tenacidade a estas temperaturas; os aços-carbono comuns e muitos elastómeros tornam-se frágeis. A antena, a vedação de processo, a junta e qualquer revestimento devem ser adequados à temperatura mínima do metal, e não apenas à temperatura normal de funcionamento, porque o arrefecimento inicial ou uma descarga de alívio podem levar o conjunto abaixo do ponto de projeto.

O serviço com oxigénio acrescenta uma exigência de limpeza: as peças em contacto com o fluido devem estar isentas de óleo e massa lubrificante, e a limpeza deve ser documentada. Uma extensão térmica mantém a caixa da eletrónica fora da zona fria, e o seu comprimento deve ser compatível com a gama de temperatura ambiente certificada; uma caixa classificada até -40 °C não pode ficar montada num bocal a -183 °C. A condensação e a formação de gelo na face da antena são frequentes durante o arrefecimento, pelo que normalmente se especifica uma purga ou uma antena estanque com uma vedação de baixa temperatura verificada. Antes da instalação, confirme todas as classes de materiais em contacto com o fluido, o composto da junta e a gama ambiente certificada indicada na placa de identificação do equipamento entregue.

Como reservar uma margem de medição útil acima do líquido

Para a medição de nível em tanques pressurizados, considere uma distância em vazio E assumida de 12.000 m entre a face da flange e o fundo do tanque. Uma antena de lente de 80 GHz montada à face tem uma distância de bloqueio de 0.10-0.20 m; neste exemplo usa-se 0.400 m como hipótese conservadora com um bocal prolongado, a verificar na ficha técnica atualizada. Assim, o transmissor não consegue indicar um nível acima de 11.600 m. Se o disparo por nível muito alto do processo estiver a 11.200 m e a folga livre exigida for de 0.300 m, a margem entre o disparo e o limite superior de medição é de 0.400 m, cumprindo o requisito. Um bocal de 0.600 m reduziria a margem para 0.200 m, tornando a verificação não conforme.

A expressão deve constar da folha de encomenda: margem superior útil = E - distância de bloqueio - nível máximo de trabalho. Num recipiente de 12.000 m, uma margem de 0.400 m corresponde a 3.3 % da amplitude de medição; num recipiente com menos de 2.000 m, a mesma distância de bloqueio consome 20 % da amplitude.

• Registe E a partir da face da flange, e não do teto.
• Indique a distância de bloqueio da antena e do bocal encomendados, e não um mínimo de catálogo.
• Volte a verificar a margem após qualquer alteração de adaptador, extensão ou isolamento.
• Mantenha o disparo por nível muito alto abaixo do limite superior de medição, sem o fazer coincidir com esse limite.

A que deve corresponder o certificado na configuração entregue

Na medição de nível em tanques pressurizados, compare o certificado com a configuração encomendada, e não com a brochura. O grupo de gás, a classe de temperatura, o nível de proteção do equipamento e a gama ambiente certificada devem constar da placa de identificação do equipamento entregue e corresponder à classificação da área perigosa do tanque. Um aparelho aprovado para temperatura ambiente de -20 °C a +60 °C não pode ser instalado onde a caixa fique exposta a -40 °C, mesmo que a vedação de processo suporte temperaturas inferiores. Qualquer adaptador, purga, aquecedor ou indicador remoto acrescentado posteriormente deve estar abrangido pela aprovação.

Compare cada linha com a ficha técnica atualizada e a placa de identificação; solicite qualquer valor em falta antes da liberação. A página de produto de cada unidade radar indica quais as configurações abrangidas por cada certificado, e um artigo técnico sobre marcações de aprovação explica a notação.

Perguntas frequentes

Q1. A medição de nível em tanques pressurizados exige compensação do vapor em todos os recipientes?

Não. Só é necessária quando a permitividade do espaço de vapor provoca um desvio superior ao limite de erro admissível. Ar a 1 bar ao longo de 2.000 m produz cerca de 0.6 mm, que podem ser desprezados; vapor saturado de LPG a 8 bar g ao longo de 8.000 m provoca cerca de 84 mm. Verifique er com dados atualizados do gás.

Q2. Pode um transmissor de nível ultrassónico substituir o radar num tanque fechado de amoníaco?

Não, se a pressão ou a composição do vapor variar durante o ciclo. A medição ultrassónica depende de uma única velocidade do som e, no espaço de vapor de um tanque fechado de amoníaco, essa velocidade varia com a pressão, a temperatura e a densidade do gás. O vácuo elimina o eco e o vapor denso pode absorvê-lo. Use radar com compensação do vapor.

Q3. Que verificação de materiais para baixas temperaturas é mais frequentemente esquecida?

A da junta e da vedação de processo, e não a da antena. Os materiais da antena são especificados para serviço criogénico, mas uma junta de elastómero classificada apenas até -20 °C endurecerá e perderá a estanquidade a -40 °C. Verifique a temperatura mínima do metal de cada peça em contacto com o fluido, a gama ambiente da caixa e o registo de limpeza que comprove a ausência de óleo.

Q4. Que margem superior deve a encomenda prever acima do disparo por nível muito alto?

Pelo menos 0.300 m é um ponto de partida comum, mas a margem deve ser determinada a partir da distância de bloqueio e da geometria do recipiente. Com uma distância em vazio de 12.000 m e uma distância de bloqueio de 0.400 m, o limite superior de medição é 11.600 m; um disparo a 11.200 m deixa 0.400 m. Recalcule após qualquer alteração do bocal.

Q5. O radar de onda guiada evita o problema da permitividade do vapor?

Não. O impulso continua a atravessar o espaço de vapor ao longo da sonda, pelo que a sua velocidade diminui à medida que er aumenta e se aplica o mesmo fator sqrt(er), embora a geometria seja diferente da de um aparelho FMCW em espaço livre. Continua a ser necessária uma sonda de referência ou a introdução de um valor fixo de er em aplicações de alta pressão.

Q6. A que deve corresponder o certificado de aprovação do equipamento entregue?

À configuração encomendada e à classificação do local. Compare o conceito de proteção, o grupo de gás, a classe de temperatura, o nível de proteção do equipamento e a gama ambiente certificada com o desenho de classificação de áreas perigosas; confirme depois que todos constam da placa de identificação. Qualquer adaptador, purga ou aquecedor acrescentado posteriormente deve estar abrangido pela aprovação.

RESUMO

A medição de nível em tanques pressurizados assenta em três verificações: corrigir a permitividade do vapor, confirmar os materiais em contacto com o fluido para baixas temperaturas e reservar uma margem de medição utilizável. O exemplo de cálculo mostra que um valor assumido de er = 1.021 num espaço de vapor de 8.000 m desloca o nível indicado em 83.6 mm, muito além dos ±2 mm a ±10 mm habitualmente exigidos para a prevenção de transbordo. O passo seguinte é preparar a folha de aceitação e verificar cada linha com a ficha técnica atualizada antes da liberação.