Torres de enfriamiento: pérdida por evaporación y agua de reposición

1 de abril de 2017 | Por U. Vengateson, Compañía Petroquímica Nacional.

La aplicación de cálculos de balance de masa y energía produce una visión operativa crítica

Las torres de enfriamiento son una operación unitaria importante en las operaciones de las industrias de procesos químicos (CPI). La aplicación de cálculos de balance de masa y energía permite a los ingenieros de procesos evaluar los requisitos de pérdida por evaporación, purga y agua de reposición, y evaluar el rendimiento de la torre de enfriamiento. En este artículo, un estudio ilustrativo muestra una torre de enfriamiento de tiro inducido y describe varios parámetros clave (alcance, enfoque y eficiencia) y su importancia. Se discuten dos métodos para estimar la pérdida por evaporación. También se detallan los requisitos para el agua de purga y de reposición.

El enfriamiento de las corrientes de proceso y la condensación de vapores son funciones importantes en las operaciones de CPI. El uso de una torre de refrigeración es la forma más común de extraer el calor residual en las operaciones de CPI, y el agua es el refrigerante más utilizado para eliminar el calor residual en la mayoría de dichas operaciones. Una refinería de petróleo grande típica que procesa 40 000 toneladas métricas (tm) de petróleo crudo por día requiere 80 000 m 3 /h de agua de enfriamiento. Esto equivale aproximadamente a 25 barriles de agua por cada barril de petróleo crudo procesado [1].

En una torre de enfriamiento, la corriente de agua caliente (normalmente llamada retorno de agua de enfriamiento) se introduce hacia abajo a través de boquillas de rociado en los rellenos dentro de la torre. Hay diferentes tipos de rellenos (salpicadura, goteo y película) que tienen como objetivo crear más área de superficie para maximizar el contacto entre la corriente de agua caliente y el aire. A medida que el aire sube dentro de la torre, recibe el calor latente de vaporización del agua y, por lo tanto, el agua se enfría.

Como regla general, por cada 5,5 °C (10 °F) de refrigeración por agua, se pierde el 1 % de la masa total de agua debido a la evaporación. El nivel de humedad de la corriente de aire ascendente aumenta y, una vez que sale de la torre, la corriente de aire está casi saturada. El perfil de temperatura del agua y la temperatura de bulbo húmedo del aire a lo largo de la altura de una torre de enfriamiento típica se muestra en la Figura 1.

FIGURA 1. Aquí se muestra la variación típica de la temperatura del agua y la temperatura de bulbo húmedo de la corriente de aire a medida que la corriente de entrada de agua caliente fluye hacia abajo desde la parte superior de la torre de enfriamiento y la corriente de aire fluye hacia arriba a lo largo de la altura de la torre de enfriamiento. torre

El agua enfriada se recolecta en el sumidero (o depósito) de la torre de enfriamiento y, por lo general, se bombea a la planta como corriente de suministro de agua de enfriamiento (CWS). Después de extraer el calor de las unidades de proceso, esta corriente se devuelve a la torre de refrigeración, como corriente de retorno de agua de refrigeración (CWR). La carga de calor extraída de la unidad de proceso finalmente se libera al medio ambiente en la torre de enfriamiento. Una torre de enfriamiento está diseñada para eliminar la carga de calor total que se extrae de la planta al reducir la temperatura CWR a la temperatura CWS.

La línea CWR de la unidad de proceso ingresa a una torre de enfriamiento industrial a 45 °C y sale a 33 °C, como se muestra en la Figura 2. La torre tiene tres celdas, cada una operando a 2500 m 3 /h de flujo de agua. El caudal total 7.500 m 3 /h se mide en la línea CWR. La temperatura de bulbo seco y la temperatura de bulbo húmedo del aire de entrada se miden como 30,3 °C y 29 °C, respectivamente. La temperatura de bulbo seco del aire de salida es de 41,5°C y se supone que está saturado al 100%. Este estudio de caso tiene como objetivo calcular las variables desconocidas, es decir, la pérdida por evaporación, el flujo de aire a través de la torre, el flujo de purga y el flujo de agua de reposición requerido. En primer lugar, se detallan los parámetros importantes (enfoque, alcance y eficiencia).

Acercarse. El enfoque se define como la diferencia entre la temperatura del agua a la salida de la torre (tout) y la temperatura de bulbo húmedo del aire de entrada (Tw,in). El enfoque representa la capacidad de la torre de enfriamiento. En general, cuanto más grande es la torre, más pequeña es la aproximación. En este caso de estudio, el enfoque es 4°C.

Teóricamente, el alcance del máximo enfriamiento posible que podría lograrse a través de una torre de enfriamiento sería producir una corriente que esté a la temperatura de bulbo húmedo del aire ambiente. Sin embargo, para alcanzar este máximo teórico, la torre debería tener una altura infinita. Por lo tanto, el límite práctico de la temperatura CWS generalmente se considera 4°C por encima de la temperatura de bulbo húmedo del aire ambiente. Para fines de diseño, se debe considerar el peor escenario, es decir, la temperatura de bulbo húmedo de la temporada de verano.

Rango (ΔT). El rango es la diferencia entre las temperaturas del agua a la entrada y a la salida de la torre de enfriamiento (t in – t out). En este caso, el rango es de 12°C. El rango no representa la capacidad de la torre de enfriamiento; más bien, el rango se basa en el caudal de circulación del agua de enfriamiento (L in) y la suma de las cargas de calor tomadas de los intercambiadores de calor en la unidad de proceso (Q), y no está relacionado con el tamaño o la capacidad del Torre de enfriamiento. Por otro lado, un aumento en el alcance provocará un aumento en la aproximación, si no se cambian todas las demás condiciones. El rango se muestra en la Ecuación (1):

Eficiencia de la torre de refrigeración (). La eficiencia de la torre de enfriamiento es la relación entre el enfriamiento real (rango) y el enfriamiento máximo teóricamente posible (es decir, cuando el enfoque es cero), como se muestra en la Ecuación (2):

Teóricamente, un enfoque de cero significa que la torre es 100 % eficiente. Las torres de refrigeración industriales suelen tener una temperatura de aproximación entre 4 °C y 8,5 °C, y una eficiencia entre el 70 y el 75 % [2]; en este caso, la eficiencia es del 75%.

Método 1. La pérdida por evaporación y el requisito de flujo de aire a través de la torre se pueden evaluar resolviendo las ecuaciones de balance de masa y energía simultáneamente.

Use la Ecuación (3) para aplicar un balance de masa para toda la sección de la torre. Como se muestra en la Ecuación (3), la cantidad de agua evaporada (e L) en el líquido que cae es la diferencia entre el flujo de líquido de entrada (L in) y la suma del flujo de líquido de salida (L out) y la deriva pérdida (dL). Es igual a la diferencia del contenido de humedad del aire a través de la torre.

Dónde:

G' = la cantidad de flujo de aire seco (que permanece igual en las corrientes de aire de entrada y salida), kg de aire seco

Y = humedad absoluta, kg agua/kg aire seco/h

Los subíndices in y out se refieren a las ubicaciones de entrada y salida.

El balance general de energía viene dado por la Ecuación (4):

Dónde:

h = la entalpía del líquido, kJ/kg agua

H = la entalpía del aire húmedo, kJ/kg aire seco

Sustituyendo L fuera de la Ecuación (3) en la Ecuación (4), y asumiendo que la entalpía del agua de deriva hd es h fuera, y simplificando la Ecuación (4), se obtiene la Ecuación (5):

Resolviendo simultáneamente las ecuaciones de balance de masa y calor [ecuaciones (3) y (5)], la pérdida por evaporación (e L) y el requerimiento de aire seco (G') se estiman en 132 000 kg/h y G' = 4 699 850 kg seco aire/h, respectivamente.

FIGURA 3. En este gráfico psicrométrico, la condición de proceso relevante del historial del caso está marcada como vector AB

Método 2. Según la temperatura del aire de entrada (ya sea caliente o frío), el aire puede calentarse o enfriarse a medida que viaja a lo largo de la altura de una torre de enfriamiento. En el gráfico psicrométrico que se muestra en la Figura 3, la condición de entrada del aire se indica con el punto A, y el aire de salida (que está completamente saturado con agua) se indica con el punto B. La diferencia de entalpía del aire seco es ( HA –HB) . El vector AB es la suma de las dos componentes. La componente horizontal AC representa el calentamiento sensible del aire y la componente vertical CB es el calentamiento latente del aire. En una torre de enfriamiento, también es posible enfriar el aire si la condición del aire de entrada está en D[3]. En el punto D, el aire es caliente y seco, en comparación con el aire en el punto A.

La componente DE es el enfriamiento del aire sensible y la componente EB es el calentamiento latente del aire. El calor neto que recibe el aire es la diferencia entre el calentamiento del aire latente y el enfriamiento del aire sensible.

En el caso del proceso AB, la temperatura de bulbo seco del aire aumenta a la salida, es decir, el aire de salida se calienta en comparación con el aire de entrada. Pero en el caso de DB, la temperatura de bulbo seco del aire disminuye y, por lo tanto, el aire se enfría a la salida. En ambos casos, la temperatura de bulbo húmedo del aire de salida siempre aumentará en comparación con la del aire de entrada. Por lo tanto, el agua que fluye a través de la torre de enfriamiento puede enfriarse con aire no saturado, independientemente de si el aire está caliente o frío.

En este estudio de caso, a partir de las mediciones de campo de DBT y WBT, se pudieron evaluar las propiedades psicrométricas, como la humedad absoluta, la humedad de saturación y la entalpía del aire húmedo para el aire de entrada y salida. El aire de entrada está marcado como el punto A, y el aire de salida está marcado como el punto B en el gráfico psicrométrico. Otro punto C hipotético está marcado de tal manera que tiene una temperatura de bulbo seco similar al punto B y una humedad absoluta similar al punto A. Cabe señalar que el punto C es un punto hipotético y no corresponde a ninguna ubicación en el Torre de enfriamiento; se marca el punto C en el gráfico para ver la componente horizontal y vertical del vector AB. Se calcula la entalpía del aire húmedo para el punto C.

El calor total ganado por el aire ( HB –HA) tiene dos componentes: la transferencia de calor latente ( HB –HC) y la transferencia de calor sensible ( HC –HA). La relación entre el calor latente transferido (e L  o) y el calor total liberado del lado del agua se muestra a la izquierda en la Ecuación (6), y esta expresión es numéricamente igual a la relación entre el calor latente agregado y el calor seco. aire al calor total ganado por el aire, que se muestra en el lado derecho en la Ecuación (6):

A partir de la Ecuación (6), e L se calcula como 132.000 kg/h. Cabe señalar que en este método no se requiere el flujo de aire seco (G'). Una vez que se evalúa e L, G' se estima a partir de la ecuación de balance de masa [(Ecuación (3)]. La división de transferencia de calor latente y calentamiento de aire sensible en este caso es de aproximadamente 85% y 15%, respectivamente.

Se añade agua de reposición (L m) al sumidero para compensar las pérdidas de agua en el circuito. Las pérdidas de agua incluyen la pérdida por evaporación ( e L), la pérdida por arrastre ( d L), la purga ( L b) y otras pérdidas por fugas ( OL) en el sistema, como pérdidas por el sello de la bomba, fugas en las tuberías, agua de lavado y filtro. resaca.

Pérdida por deriva. Las pequeñas gotas que son arrastradas por la corriente de aire que fluye hacia arriba se recolectan en un eliminador de neblina, donde se acumulan para formar gotas más grandes que eventualmente regresan al relleno. En general, muy poca agua en forma de gotas se transporta con el aire, pero esas gotas dan como resultado una pérdida de agua, llamada pérdida por deriva o pérdida por efecto del viento. Esta agua de deriva normalmente contiene sólidos disueltos y puede causar manchas, corrosión o daños a edificios y estructuras cercanas. La pérdida por deriva suele ser de aproximadamente 0,1 a 0,3% de la tasa de circulación del agua (L in).

Para compensar la pérdida por evaporación y la pérdida por deriva, se agrega agua adicional. Dado que el agua de reposición generalmente contiene sólidos disueltos, estos sólidos generalmente quedan en el agua del sumidero a medida que el agua se evapora en la torre de enfriamiento. Mientras tanto, dado que el agua de refrigeración es un depurador de aire muy eficaz, el polvo y los desechos presentes en el aire que fluye hacia arriba son arrastrados por el agua que cae y se acumulan en el sumidero. A medida que los sólidos se acumulan en el sumidero, aumentan el potencial de corrosión incrustada y ensuciamiento biológico en el circuito de agua de refrigeración. Tomando pequeñas cantidades de agua continuamente del circuito de la torre de enfriamiento (purga), la concentración de sólidos disueltos en el agua de enfriamiento puede reducirse por debajo del límite superior del rango aceptable, para cumplir con la especificación de calidad del agua de enfriamiento de la planta. .

Purga. Hay dos formas de eliminar la purga: purga en caliente y purga en frío (Figura 2). La purga en caliente se refiere a la eliminación continua de agua en la línea de retorno de agua de refrigeración al efluente. Dado que el agua está caliente en este lugar, es posible que la purga en caliente no sea aceptable en algunas aplicaciones debido al impacto ambiental potencial; en otros casos, es deseable, ya que reduce el rendimiento de la torre de enfriamiento y aumenta el rendimiento general de enfriamiento.

FIGURA 2. Este diagrama esquemático muestra los parámetros del sistema de torre de enfriamiento del estudio de caso. Nota: Las tres celdas y los tres ventiladores se agrupan y se muestran como una sola unidad

La purga en frío se refiere a la eliminación continua de agua desde la salida de la bomba de agua de refrigeración hasta el efluente [4]. La pérdida por deriva y cualquier pérdida por fuga del sistema también se consideran purgas, ya que estas corrientes contienen sólidos disueltos (pero tales pérdidas no son intencionales).

La cantidad de agua de purga se establece calculando el ciclo de concentración (CC), que se define como la relación entre la cantidad de sólidos disueltos (principalmente cloruros) en la purga y en el agua de reposición, utilizando la Ecuación (8):

Suponiendo que las pérdidas por deriva y las pérdidas por fugas son insignificantes, y resolviendo el balance de agua que se muestra a continuación en la Ecuación (9):

El balance de sólidos disueltos que se muestra a continuación en la Ecuación (10), la purga se calcula usando la Ecuación (11):

Además, se estima la cantidad de agua de reposición necesaria, incluida la deriva, utilizando la Ecuación (12):

El agua de reposición requerida depende principalmente de la pérdida por evaporación y la CC calculada anteriormente. Cabe señalar de la Ecuación (11) que el valor mínimo de CC a considerar es 2, lo que requiere que la purga sea de la misma cantidad de agua que la cantidad perdida en la evaporación. Cualquier intento de reducir el CC por debajo de 2 da como resultado una cantidad significativa de agua de reposición, como se muestra en la Figura 4.

FIGURA 4. Aquí se muestran los requisitos de agua de reposición frente al ciclo de concentración.

Un CC más alto significa que C m tiende a cero (lo que indica una buena calidad del agua de reposición). Pero, esto se logra a costa del tratamiento de agua de la fuente de agua. En este estudio de caso se considera un ciclo típico de concentración (CC= 5) para el requerimiento óptimo. Con base en la pérdida por evaporación y el ciclo de concentración, la purga fría y el agua de reposición se calculan usando la Ecuación (11) y la Ecuación (12), como 33 000 kg/h y 165 000 kg/h, respectivamente. Además, suponiendo una pérdida por deriva del 0,2 % y sin fugas en el sistema, el agua de reposición debe considerarse como 180 000 kg/h. norte

Editado por Suzanne Shelley

1. Instituto Americano del Petróleo, Programa de Aprendizaje de Técnicas Operativas — Torres de Refrigeración, 1995.

2. Huchler, L., Cooling Towers, Part 2: Operating, Monitoring and Maintenance, Chemical Engineering Progress, octubre de 2009.

3. Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado, "Manual ASHRAE", Capítulo 39: Sistema y equipo HVAC, 2008.

4. Smith, R., ""Diseño e integración de procesos químicos", John Wiley & Sons Ltd., 2005.

Uthirapathi Vengateson es ingeniero sénior de diseño de procesos en National Petrochemical Co. en Yanbu, Arabia Saudita (teléfono: +966 534878029; correo electrónico: [email protected], [email protected]). Durante 17 años, Vengateson ha estado involucrado en el diseño, la investigación y el desarrollo de ingeniería de procesos, y en la puesta en marcha de plantas químicas y petroquímicas. Antes de esto, trabajó en Lurgi India Company Ltd. en Nueva Delhi, India. Vengateson obtuvo una licenciatura (B.Tech.) en ingeniería química de la Universidad de Madras, una maestría en refinación de petróleo y petroquímica de la Universidad de Anna y un doctorado. en ingeniería química del Instituto Indio de Tecnología, Nueva Delhi, India.