Tours de refroidissement : perte par évaporation et eau d'appoint

1 avril 2017 | Par U. Vengateson, National Petrochemical Co.

L'application de calculs de bilan de masse et d'énergie donne des informations essentielles sur le fonctionnement

Les tours de refroidissement sont une opération unitaire importante dans les opérations des industries de procédés chimiques (CPI). L'application de calculs de bilan de masse et d'énergie permet aux ingénieurs de procédés d'évaluer la perte par évaporation, les besoins en eau de purge et d'appoint, et d'évaluer les performances de la tour de refroidissement. Dans cet article, une étude illustrative présente une tour de refroidissement à tirage induit et décrit plusieurs paramètres clés - portée, approche et efficacité - et leur importance. Deux méthodes sont discutées pour estimer la perte par évaporation. Les exigences relatives à la purge et à l'eau d'appoint sont également détaillées.

Le refroidissement des flux de processus et la condensation des vapeurs sont des fonctions importantes dans les opérations CPI. L'utilisation d'une tour de refroidissement est le moyen le plus courant d'extraire la chaleur perdue dans les opérations CPI, et l'eau est le liquide de refroidissement le plus couramment utilisé pour évacuer la chaleur perdue dans la majorité de ces opérations. Une grande raffinerie de pétrole typique qui traite 40 000 tonnes métriques (tm) de pétrole brut par jour nécessite 80 000 m 3 /h d'eau de refroidissement. Cela équivaut à peu près à 25 barils d'eau pour chaque baril de pétrole brut traité [ 1].

Dans une tour de refroidissement, le flux d'eau chaude (généralement appelé retour d'eau de refroidissement) est introduit vers le bas par des buses de pulvérisation dans les remplissages à l'intérieur de la tour. Il existe différents types de remplissages - éclaboussures, ruissellement et film - qui visent à créer plus de surface, afin de maximiser le contact entre le flux d'eau chaude et l'air. Lorsque l'air monte à l'intérieur de la tour, il reçoit la chaleur latente de vaporisation de l'eau, et ainsi l'eau est refroidie.

En règle générale, pour chaque 10 °F (5,5 °C) de refroidissement par eau, 1 % de la masse totale d'eau est perdue en raison de l'évaporation. Le niveau d'humidité du flux d'air ascendant augmente et, une fois qu'il quitte la tour, le flux d'air est presque saturé. Le profil de température de l'eau et la température de bulbe humide de l'air le long de la hauteur d'une tour de refroidissement typique sont illustrés à la figure 1.

FIGURE 1. Voici la variation typique de la température de l'eau et de la température de bulbe humide du flux d'air lorsque le flux d'entrée d'eau chaude s'écoule du haut de la tour de refroidissement et que le flux d'air s'écoule vers le haut le long de la hauteur du refroidissement. la tour

L'eau refroidie est collectée dans le puisard (ou bassin) de la tour de refroidissement et est généralement pompée vers l'usine en tant que flux d'alimentation en eau de refroidissement (CWS). Après avoir extrait la chaleur des unités de traitement, ce flux est renvoyé à la tour de refroidissement, en tant que flux de retour d'eau de refroidissement (CWR). La charge thermique extraite de l'unité de traitement est finalement rejetée dans l'environnement dans la tour de refroidissement. Une tour de refroidissement est conçue pour éliminer la charge thermique totale qui est extraite de l'usine en réduisant la température CWR à la température CWS.

La ligne CWR de l'unité de traitement entre dans une tour de refroidissement industrielle à 45 °C et en ressort à 33 °C, comme illustré à la figure 2. La tour comporte trois cellules, chacune fonctionnant à un débit d'eau de 2 500 m 3 /h. Le débit total 7 500 m 3 /h est mesuré à la ligne CWR. La température de bulbe sec et la température de bulbe humide de l'air d'admission sont respectivement mesurées à 30,3 °C et 29 °C. La température de bulbe sec de l'air sortant est de 41,5 °C et on suppose qu'elle est saturée à 100 %. Cette étude de cas vise à calculer les variables inconnues, c'est-à-dire la perte par évaporation, le débit d'air à travers la tour, le débit de purge et le débit d'eau d'appoint requis. Tout d'abord, les paramètres importants - approche, portée et efficacité - sont détaillés.

Approche. L'approche est définie comme la différence entre la température de l'eau à la sortie de la tour ( t out) et la température de bulbe humide de l'air d'entrée ( T w,in). L'approche représente la capacité de la tour de refroidissement. En général, plus la tour est grande, plus l'approche est petite. Dans cette étude de cas, l'approche est de 4°C.

Théoriquement, l'étendue du refroidissement maximal possible qui pourrait être atteint grâce à une tour de refroidissement serait de produire un flux qui est à la température de bulbe humide de l'air ambiant. Cependant, pour atteindre ce maximum théorique, la tour devrait avoir une hauteur infinie. Ainsi, la limite pratique de la température CWS est généralement considérée comme étant de 4 ° C au-dessus de la température de bulbe humide de l'air ambiant. Aux fins de conception, le pire scénario, c'est-à-dire la température de bulbe humide de la saison estivale, doit être pris en compte.

Plage (ΔT). La plage est la différence entre les températures de l'eau à l'entrée et à la sortie de la tour de refroidissement (t in – t out). Dans ce cas, la plage est de 12°C. La plage ne représente pas la capacité de la tour de refroidissement ; plutôt, la plage est basée sur le débit de circulation de l'eau de refroidissement ( L in) et la somme des charges thermiques prélevées sur les échangeurs de chaleur de l'unité de traitement ( Q), et elle n'est pas liée à la taille ou à la capacité du tour de refroidissement. D'autre part, une augmentation de la portée entraînera une augmentation de l'approche, si toutes les autres conditions ne sont pas modifiées. La plage est indiquée dans l'équation (1):

Efficacité de la tour de refroidissement (). L'efficacité de la tour de refroidissement est le rapport entre le refroidissement réel (plage) et le refroidissement maximal théoriquement possible (c'est-à-dire lorsque l'approche est nulle), comme indiqué dans l'équation (2) :

Théoriquement, une approche de zéro signifie que la tour est efficace à 100 %. Les tours de refroidissement industrielles ont typiquement une température d'approche entre 4° et 8,5°C, et un rendement entre 70 et 75% [ 2] ; dans ce cas, le rendement est de 75 %.

Méthode 1. La perte par évaporation et le besoin en débit d'air à travers la tour peuvent être évalués en résolvant simultanément les équations de bilan de masse et d'énergie.

Utilisez l'équation (3) pour appliquer un bilan massique à toute la section de la tour. Comme le montre l'équation (3), la quantité d'eau évaporée ( e L) dans le liquide qui coule est la différence entre le débit de liquide d'entrée ( L in) et la somme du débit de liquide de sortie (L out) et la dérive perte ( dL). Elle est égale à la différence de teneur en humidité de l'air à travers la tour.

Où:

G' = la quantité de débit d'air sec (qui reste la même aux flux d'air d'entrée et de sortie), kg d'air sec

Y = humidité absolue, kg eau/kg air sec/h

Les indices in et out font référence aux emplacements d'entrée et de sortie.

Le bilan énergétique global est donné par l'équation (4) :

Où:

h = l'enthalpie liquide, kJ/kg d'eau

H = l'enthalpie de l'air humide, kJ/kg d'air sec

En substituant L out de l'équation (3) à l'équation (4), et en supposant que l'enthalpie de l'eau de dérive hd est h out, et en simplifiant l'équation (4), on obtient l'équation (5) :

En résolvant simultanément les équations de bilan de masse et de chaleur [équations (3) et (5)], la perte par évaporation ( e L) et le besoin en air sec ( G') sont estimés à 132 000 kg/h et G' = 4 699 850 kg sec air/h, respectivement.

FIGURE 3. Dans ce tableau psychrométrique, la condition de processus pertinente de l'histoire de cas est marquée par le vecteur AB

Méthode 2. Selon la température de l'air d'admission (qu'il soit chaud ou froid), l'air peut être chauffé ou refroidi lorsqu'il se déplace le long de la hauteur d'une tour de refroidissement. Dans le diagramme psychrométrique illustré à la figure 3, la condition d'entrée de l'air est désignée par le point A et l'air de sortie (qui est complètement saturé d'eau) est désigné par le point B. La différence d'enthalpie de l'air sec est ( HA –HB) . Le vecteur AB est la somme des deux composantes. La composante horizontale AC représente l'échauffement sensible de l'air, et la composante verticale CB est l'échauffement latent de l'air. Dans une tour de refroidissement, il est également possible de refroidir l'air si la condition d'air entrant est à D[ 3]. Au point D, l'air est chaud et sec, par rapport à l'air au point A.

La composante DE est le refroidissement sensible de l'air et la composante EB est le chauffage latent de l'air. La chaleur nette reçue par l'air est la différence entre le chauffage latent de l'air et le refroidissement sensible de l'air.

Dans le cas du processus AB, la température sèche de l'air est augmentée à la sortie, c'est-à-dire que l'air de sortie devient chaud par rapport à l'air d'entrée. Mais dans le cas de DB, la température sèche de l'air est diminuée et donc l'air est refroidi à la sortie. Dans les deux cas, la température de bulbe humide de l'air sortant sera toujours augmentée par rapport à celle de l'air entrant. Ainsi, l'eau circulant dans la tour de refroidissement peut être refroidie par de l'air non saturé, que l'air soit chaud ou froid.

Dans cette étude de cas, à partir des mesures sur le terrain de DBT et WBT, les propriétés psychrométriques, telles que l'humidité absolue, l'humidité de saturation et l'enthalpie de l'air humide pour l'air d'entrée et l'air de sortie, ont pu être évaluées. L'air d'entrée est marqué comme point A et l'air de sortie est marqué comme point B dans le tableau psychrométrique. Un autre point hypothétique C est marqué de telle manière qu'il a une température de bulbe sec similaire au point B et une humidité absolue similaire au point A. Il faut noter que le point C est un point hypothétique et ne correspond à aucun endroit dans le tour de refroidissement; le point C est marqué sur le graphique pour voir la composante horizontale et verticale du vecteur AB. L'enthalpie de l'air humide pour le point C est calculée.

La chaleur totale acquise par l'air ( HB –HA) a deux composantes : le transfert de chaleur latente ( HB –HC) et le transfert de chaleur sensible ( HC –HA). Le rapport de la chaleur latente transférée ( e L  o) à la chaleur totale dégagée du côté eau est représenté par à gauche dans l'équation (6), et cette expression est numériquement égale au rapport de la chaleur latente ajoutée à la chaleur sèche l'air à la chaleur totale acquise par l'air, qui est indiquée sur le côté droit de l'équation (6) :

À partir de l'équation (6), e L est calculé comme 132 000 kg/h. Il est à noter que dans cette méthode, le débit d'air sec (G') n'est pas nécessaire. Une fois e L évalué, G' est estimé à partir de l'équation du bilan massique [(Équation (3)]. La répartition entre le transfert de chaleur latente et le chauffage de l'air sensible dans ce cas est d'environ 85 % et 15 %, respectivement.

De l'eau d'appoint ( L m) est ajoutée au puisard pour compenser les pertes d'eau dans le circuit. Les pertes d'eau comprennent la perte par évaporation ( e L), la perte par dérive ( d L), la purge ( L b) et d'autres pertes par fuite ( OL) dans le système, telles que les pertes du joint de la pompe, la fuite de la tuyauterie, l'eau de lavage et le filtre remous.

Perte de dérive. Les petites gouttelettes qui sont entraînées par le flux d'air ascendant sont collectées dans un éliminateur de brouillard, où elles s'accumulent pour former de plus grosses gouttes qui sont finalement renvoyées dans le remplissage. En général, très peu d'eau sous forme de gouttelettes est transportée avec l'air, mais ces gouttelettes entraînent une perte d'eau, appelée perte de dérive ou perte de vent. Cette eau de dérive contient généralement des solides dissous et peut causer des taches, de la corrosion ou des dommages aux bâtiments et structures à proximité. La perte par dérive est généralement d'environ 0,1 à 0,3% du débit de l'eau de circulation (L in).

Pour compenser la perte par évaporation et la perte par dérive, de l'eau d'appoint supplémentaire est ajoutée. Étant donné que l'eau d'appoint contient généralement des solides dissous, ces solides sont généralement laissés dans l'eau du puisard lorsque l'eau s'évapore dans la tour de refroidissement. Pendant ce temps, étant donné que l'eau de refroidissement est un épurateur d'air très efficace, la poussière et les débris présents dans l'air ascendant sont lavés par l'eau qui coule et s'accumulent dans le puisard. Au fur et à mesure que les solides s'accumulent dans le puisard, ils augmentent le potentiel de corrosion du tartre et d'encrassement biologique dans le circuit d'eau de refroidissement. En prélevant en continu de petites quantités d'eau du circuit de la tour de refroidissement (purge), la concentration de solides dissous dans l'eau de refroidissement peut être réduite en dessous de la limite supérieure de la plage acceptable, afin de répondre aux spécifications de qualité de l'eau de refroidissement de l'usine. .

Souffler. Il existe deux manières de supprimer la purge : la purge à chaud et la purge à froid (Figure 2). La purge à chaud fait référence à l'élimination continue de l'eau dans la conduite de retour de l'eau de refroidissement vers l'effluent. Étant donné que l'eau est chaude à cet endroit, la purge à chaud peut ne pas être acceptable dans certaines applications en raison de l'impact potentiel sur l'environnement ; dans d'autres cas, il est souhaité, car il réduit le débit vers la tour de refroidissement et augmente les performances globales de refroidissement.

FIGURE 2. Ce diagramme schématique décrit les paramètres du système de tour de refroidissement de l'étude de cas. Remarque : les trois cellules et les trois ventilateurs sont regroupés et représentés comme une seule unité

La purge à froid fait référence à l'élimination continue de l'eau de la sortie de la pompe d'eau de refroidissement vers l'effluent [ 4 ]. La perte par dérive et toute perte par fuite du système sont également considérées comme une purge, car ces flux contiennent des solides dissous (mais ces pertes ne sont pas intentionnelles).

La quantité d'eau de purge est établie en calculant le cycle de concentration ( CC ), qui est défini comme le rapport entre la quantité de solides dissous (principalement des chlorures) dans la purge et dans l'eau d'appoint, à l'aide de l'équation (8) :

En supposant que la perte par dérive et les pertes par fuite sont négligeables, et en résolvant le bilan hydrique indiqué ci-dessous dans l'équation (9) :

Le bilan des solides dissous indiqué ci-dessous dans l'équation (10), la purge est calculée à l'aide de l'équation (11) :

En outre, la quantité d'eau d'appoint nécessaire est estimée, y compris la dérive, à l'aide de l'équation (12) :

L'eau d'appoint requise dépend principalement de la perte par évaporation et du CC calculé ci-dessus. Il convient de noter à partir de l'équation (11) que la valeur minimale de CC à prendre en compte est de 2, ce qui nécessite que la purge soit à la même quantité d'eau que la quantité perdue par évaporation. Toute tentative de réduire le CC en dessous de 2 entraîne une quantité importante d'eau d'appoint, comme le montre la figure 4.

FIGURE 4. Les besoins en eau d'appoint par rapport au cycle de concentration sont indiqués ici

Un CC plus élevé signifie que C m tend vers zéro (indiquant une bonne qualité de l'eau d'appoint). Mais, ceci est réalisé au prix du traitement de l'eau de la source. Un cycle typique de concentration ( CC = 5) est considéré dans cette étude de cas pour l'exigence optimale. Sur la base de la perte par évaporation et du cycle de concentration, la purge froide et l'eau d'appoint sont calculées à l'aide de l'équation (11) et de l'équation (12), comme 33 000 kg/h et 165 000 kg/h, respectivement. De plus, en supposant une perte de dérive de 0,2 % et aucune fuite du système, l'eau d'appoint doit être considérée comme étant de 180 000 kg/h. n

Edité par Suzanne Shelley

1. American Petroleum Institute, Program in Learning Operating Techniques — Cooling Towers, 1995.

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

3. American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, « ASHRAE Handbook », chapitre 39 — HVAC System and Equipment, 2008.

4. Smith, R., "" Conception et intégration de processus chimiques ", John Wiley & Sons Ltd., 2005.

Uthirapathi Vengateson est ingénieur principal en conception de procédés chez National Petrochemical Co. à Yanbu, en Arabie saoudite (téléphone : +966 534878029 ; e-mail : [email protected], [email protected]). Depuis 17 ans, Vengateson est impliqué dans la conception de l'ingénierie des procédés, la recherche et le développement et la mise en service d'usines chimiques et pétrochimiques. Avant cela, il a travaillé chez Lurgi India Company Ltd. à New Delhi, en Inde. Vengateson a obtenu un baccalauréat (B.Tech.) En génie chimique de l'Université de Madras, une maîtrise en raffinage du pétrole et pétrochimie de l'Université Anna et un doctorat. en génie chimique de l'Indian Institute of Technology, New Delhi, Inde.