Types et Fonctions des Tours de Refroidissement à Circuit Ouvert et Fermé
Oct. 11, 2025
Types et Fonctions des Tours de Refroidissement à Circuit Ouvert et Fermé
```html ```Chapitre 31 - Systèmes de refroidissement à recirculation ouverte
```html- Torres de refroidissement
- Cycles de concentration, équilibre hydrique
- Contrôle des dépôts
- Programmes de contrôle de corrosion
- Considérations futures
- Surveillance et contrôle des équipements de refroidissement
Un système de refroidissement à recirculation ouverte utilise la même eau plusieurs fois pour refroidir l'équipement de processus. La chaleur absorbée par le processus doit être dissipée pour permettre la réutilisation de l'eau. Les tours de refroidissement, les bassins de pulvérisation et les condensateurs évaporatifs sont utilisés à cet effet.
Les systèmes de refroidissement à recirculation ouverte permettent d'économiser une grande quantité d'eau douce par rapport aux alternatives, comme le refroidissement à passage unique. La quantité d'eau rejetée dans les déchets est considérablement réduite dans la méthode à recirculation ouverte, et le traitement chimique est plus économique. Cependant, les systèmes de refroidissement à recirculation ouverte sont intrinsèquement sujets à plus de problèmes liés au traitement que les systèmes à passage unique :
- Le refroidissement par évaporation augmente la concentration de solides dissous dans l'eau, augmentant ainsi les tendances à la corrosion et aux dépôts
- Les températures relativement plus élevées augmentent considérablement le potentiel de corrosion
- Le temps de rétention plus long et l'eau plus chaude dans un système à recirculation ouverte augmentent la tendance à la croissance biologique
- Des gaz aéroportés comme le dioxyde de soufre, l'ammoniac ou le sulfure d'hydrogène peuvent être absorbés de l'air, entraînant des taux de corrosion plus élevés
- Des microorganismes, des nutriments et des polluants potentiels peuvent également être absorbés dans l'eau à travers la tour
TORES DE REFROIDISSEMENT
Les tours de refroidissement sont la méthode la plus courante utilisée pour dissiper la chaleur dans les systèmes de refroidissement à recirculation ouverte. Elles sont conçues pour fournir un contact intime entre l'air et l'eau. Le rejet de chaleur se fait principalement par évaporation d'une partie de l'eau de refroidissement. Une certaine perte de chaleur sensible (refroidissement direct de l'eau par l'air) se produit également, mais n'est qu'une petite partie du rejet total de chaleur.
Types de tours
Les tours de refroidissement sont classées par type de tirage (naturel ou mécanique) et direction du flux d'air (flux traversant ou contre-flux). Les tours à tirage mécanique sont en outre subdivisées en tours à tirage forcé ou induit.
Tours à tirage naturel. Parfois appelées tours "hyperboliques" en raison de la forme distinctive et de la fonction de leurs cheminées, les tours à tirage naturel ne nécessitent pas de ventilateurs. Elles sont conçues pour tirer parti de la différence de densité entre l'air entrant dans la tour et l'air plus chaud à l'intérieur de la tour. L'air chaud et humide à l'intérieur de la tour a une densité inférieure, il s'élève alors que l'air plus frais et plus dense est aspiré à la base de la tour. La grande cheminée (jusqu'à 500 pieds) est nécessaire pour induire un flux d'air adéquat. Les tours à tirage naturel peuvent être de conception à contre-flux ou à flux traversant. La tour représentée est un modèle à flux traversant. Le remplissage est externe à la coque, formant un anneau autour de la base. Dans un modèle à contre-flux, le remplissage est à l'intérieur de la coque. Dans les deux modèles, la cheminée vide représente la majeure partie de la hauteur de la tour.
Tours à tirage mécanique. Les tours à tirage mécanique utilisent des ventilateurs pour déplacer l'air à travers la tour. Dans une conception à tirage forcé, les ventilateurs poussent l'air dans le bas de la tour. Presque toutes les tours à tirage forcé sont de conception à contre-flux. Les tours à tirage induit ont un ventilateur en haut pour tirer l'air à travers la tour. Ces tours peuvent utiliser soit des courants d'air à flux traversant soit à contre-flux et ont tendance à être plus grandes que les tours à tirage forcé.
Tours à contre-flux. Dans les tours à contre-flux, l'air se déplace vers le haut, directement en opposition à l'écoulement descendant de l'eau. Ce design permet un bon échange de chaleur car l'air le plus frais entre en contact avec l'eau la plus fraîche. Des collecteurs et des buses de pulvérisation sont généralement utilisés pour distribuer l'eau dans les tours à contre-flux.
Tours à flux traversant. Dans les tours à flux traversant, l'air circule horizontalement à travers le flux descendant de l'eau. La conception à flux traversant fournit un chemin plus facile pour l'air, augmentant ainsi le flux d'air pour une puissance de ventilateur donnée. Les tours à flux traversant ont généralement un système d'alimentation par gravité, une plate-forme de distribution avec des orifices de mesure équidistants pour distribuer l'eau. Souvent, la plateforme est couverte pour ralentir la croissance des algues.
Composants des tours de refroidissement
Section de remplissage. La section de remplissage est la partie la plus importante de la tour. Des éléments de remplissage de différents types sont utilisés pour garder l'eau distribuée uniformément et pour augmenter la surface de contact de l'eau pour une évaporation plus efficace. À l'origine, le remplissage se composait de "barres éclaboussantes" en séquoia ou en sapin traité sous pression. Les barres éclaboussantes sont maintenant également disponibles en plastique. D'autres types de remplissage incluent des grilles éclaboussantes en plastique, des briques en céramique et du film de remplissage.
Le film de remplissage est devenu très populaire ces dernières années. Il se compose de feuilles verticales ondulées étroitement empilées, ce qui permet à l'eau de s'écouler très finement à travers la tour. Le film de remplissage est généralement en plastique. Le chlorure de polyvinyle (PVC) est couramment utilisé pour les systèmes avec une température de l'eau maximale de 130°F ou moins. Le PVC chloré (CPVC) peut résister à des températures allant jusqu'à environ 165°F.
Le film de remplissage fournit une plus grande capacité de refroidissement dans un espace donné que le remplissage éclaboussant. Le remplissage éclaboussant peut être partiellement ou totalement remplacé par du film de remplissage pour augmenter la capacité d'une tour de refroidissement existante. En raison de l'espacement très rapproché, le film de remplissage est très susceptible à divers types de dépôts. Le tartre de carbonate de calcium et l'encrassement avec des solides en suspension se sont produits dans certains systèmes. Les contaminants du processus, tels que l'huile et la graisse, peuvent être des polluants directs et/ou conduire à une forte croissance biologique sur le remplissage. Tout type de dépôts peut considérablement réduire l'efficacité de refroidissement de la tour.
Persiennes. Les persiennes sont utilisées pour aider à diriger le flux d'air dans la tour et minimiser les pertes dues au vent (eau éclaboussée ou soufflée à l'extérieur des côtés de la tour).
Éliminateurs de dérive. "Dérive" est un terme utilisé pour décrire les gouttes d'eau entraînées dans l'air qui sortent par le sommet de la tour. Comme la dérive a la même composition que l'eau circulante, elle ne doit pas être confondue avec l'évaporation. La dérive doit être minimisée car elle gaspille de l'eau et peut provoquer des taches sur les bâtiments et les voitures à une certaine distance de la tour. Les éliminateurs de dérive changent brusquement la direction du flux d'air, générant une force centrifuge pour séparer l'eau de l'air. Les premiers éliminateurs de dérive étaient en séquoia dans une structure en arête de poisson. Les éliminateurs de dérive modernes sont généralement en plastique et se présentent sous de nombreuses formes différentes. Ils sont plus efficaces pour éliminer la dérive que les premières versions en bois, mais provoquent moins de perte de pression.
Approche à la température de bulbe humide, plage de refroidissement
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Les tours de refroidissement sont conçues pour refroidir l'eau à une certaine température dans un ensemble de conditions données. La "température de bulbe humide" est la température la plus basse à laquelle l'eau peut être refroidie par évaporation. Il n'est pas pratique de concevoir une tour pour refroidir à la température de bulbe humide. La différence entre la température du puisard froid et la température de bulbe humide est appelée "approche". Les tours sont généralement conçues avec une approche de 7-15°F. La différence de température entre l'eau de retour chaude et l'eau du puisard froid est appelée "plage de refroidissement" (DT). La plage de refroidissement est généralement d'environ 10-25°F, mais peut atteindre jusqu'à 40°F dans certains systèmes.
CYCLES DE CONCENTRATION, ÉQUILIBRE HYDRIQUE
Calcul des cycles de concentration
L'eau circule à travers les échangeurs de processus et au-dessus de la tour de refroidissement à un rythme appelé "taux de recirculation". L'eau est perdue du système par évaporation et élimination. À des fins de calcul, l'élimination est définie comme toutes les pertes d'eau non évaporatives (pertes par vent, dérive, fuites et élimination intentionnelle).
De l'eau de compensation est ajoutée au système pour remplacer l'évaporation et l'élimination.
Environ Btu de chaleur est perdu de l'eau pour chaque livre d'eau évaporée. Cela équivaut à l'évaporation d'environ 1% de l'eau de refroidissement pour chaque chute de température de 10°F à travers la tour de refroidissement. L'équation suivante décrit cette relation entre évaporation, taux de recirculation et changement de température :
où : E = évaporation, gpm RR = taux de recirculation, gpm
DT = plage de refroidissement, °F F = facteur d'évaporation
Le facteur d'évaporation, F, est égal à 1 lorsque tout le refroidissement provient de l'évaporation. Pour simplifier, on suppose souvent que c'est le cas. En réalité, F varie en fonction de l'humidité relative et de la température de bulbe sec. La valeur réelle de F pour un système est généralement comprise entre 0.75 et 1.0, mais peut descendre jusqu'à 0.6 par temps très froid.
À mesure que l'eau pure s'évapore, les minéraux restent dans l'eau circulante, la rendant plus concentrée que l'eau de compensation. Notez que l'élimination a la même composition chimique que l'eau circulante. Les "cycles de concentration" (ou "cycles") sont une comparaison du niveau de solides dissous de l'élimination avec l'eau de compensation. À 3 cycles de concentration, l'élimination a trois fois la concentration de solides de l'eau de compensation.
Les cycles peuvent être calculés en comparant les concentrations d'un composant soluble dans les flux d'eau de compensation et d'élimination. Comme le chlorure et le sulfate sont solubles même à des concentrations très élevées, ils sont de bons choix pour la mesure. Cependant, les résultats de calcul pourraient être invalidés si du chlore ou de l'acide sulfurique est introduit dans le système dans le cadre d'un programme de traitement de l'eau.
Les cycles basés sur la conductivité sont souvent utilisés comme un moyen simple d'automatiser l'élimination. Cependant, les cycles basés sur la conductivité peuvent être légèrement plus élevés que les cycles basés sur des espèces individuelles, en raison de l'ajout de chlore, d'acide sulfurique et de produits chimiques de traitement.
En utilisant n'importe quel composant approprié :
Les cycles de concentration peuvent également être exprimés comme suit :
où : MU = compensation (évaporation + élimination), gpm BD = élimination, gpm
Notez que la relation basée sur le débit en gallons par minute est l'inverse de la relation de concentration.
Si E + BD est substitué pour MU :
où :
E = évaporation. En résolvant pour l'élimination, cette équation devient :
C'est une équation très utile dans le traitement de l'eau de refroidissement. Après que les cycles de concentration aient été déterminés en fonction des concentrations d'eau de compensation et d'élimination, l'élimination réelle qui est perdue du système, ou l'élimination requise pour maintenir le système au nombre souhaité de cycles, peut être calculée.
Puisque les produits chimiques de traitement ne sont pas perdus par évaporation, seuls les produits chimiques de traitement perdus par élimination (toutes pertes d'eau non évaporatives) doivent être remplacés. Ainsi, le calcul de l'élimination est crucial pour déterminer les taux de dosage et les coûts de traitement.
Facteurs limitant les cycles de concentration
Limitations physiques. Il existe une limite au nombre de cycles atteignables dans une tour de refroidissement. Les pertes par vent, dérive et fuites sont toutes des sources d'élimination involontaire. Les pertes par dérive allant jusqu'à 0.2% du taux de recirculation dans les anciennes tours peuvent limiter les cycles à 5-10. Des pertes supplémentaires dues à des fuites et à la dérive peuvent encore limiter certains systèmes anciens. Les nouvelles tours présentent souvent des garanties de dérive de 0.02% du taux de recirculation ou moins. Les systèmes nouvellement construits qui utilisent des tours avec des éliminateurs de dérive très efficaces et qui n'ont pas de pertes étrangères peuvent être mécaniquement capables d'atteindre 50-100 cycles ou plus.
Limitations chimiques. À mesure que le niveau de solides dissous dans l'eau augmente, les tendances à la corrosion et aux dépôts s'intensifient. Comme la corrosion est une réaction électrochimique, une conductivité plus élevée due à un plus grand nombre de solides dissous augmente le taux de corrosion (voir le Chapitre 24 pour une discussion plus approfondie). Il devient de plus en plus difficile et coûteux d'inhiber la corrosion à mesure que la conductivité spécifique approche et dépasse 10,000 µmho.
Certains sels ont une solubilité inverse à la température, c'est-à-dire qu'ils sont moins solubles à des températures plus élevées et ont donc tendance à former des dépôts sur les tubes d'échangeurs chauds. De nombreux sels sont également moins solubles à des pH plus élevés. À mesure que l'eau de la tour de refroidissement se concentre et que le pH augmente, la tendance à précipiter des sels formateurs de tartre augmente.
En raison de sa faible solubilité, le carbonate de calcium est un formateur de tartre commun dans les systèmes de refroidissement à recirculation ouverte. Le silicate de calcium et de magnésium, le sulfate de calcium et d'autres types de tartre peuvent également se produire. En l'absence de traitement, il existe un large éventail dans la solubilité relative du carbonate de calcium et du gypse, la forme de sulfate de calcium normalement trouvée dans les systèmes de refroidissement.
La formation de tartre de carbonate de calcium peut être prédite qualitativement par l'Indice de Saturation de Langelier (LSI) et l'Indice de Stabilité de Ryznar (RSI). Les indices sont déterminés comme suit :
Indice de Saturation de Langelier = pHa - pHs Indice de Stabilité de Ryznar = 2(pHs) - pHa
La valeur pHs (pH de saturation) est une fonction des solides totaux, de la température, du calcium et de l'alcalinité. pHa est le pH réel de l'eau.
Un LSI positif indique une tendance à déposer le carbonate de calcium. L'Indice de Stabilité de Ryznar montre la même tendance lorsqu'une valeur de 6.0 ou moins est calculée. Une discussion plus complète sur le LSI et le RSI est présentée dans le Chapitre 25, Contrôle des dépôts et des tartres - Systèmes de refroidissement.
Avec ou sans traitement chimique de l'eau de refroidissement, les cycles de concentration sont finalement limités par une incapacité à prévenir la formation de tartre.
CONTRÔLE DES DÉPÔTS
Comme noté précédemment, il existe de nombreux contaminants dans l'eau de refroidissement qui contribuent aux problèmes de dépôts. Trois types majeurs de dépôts sont discutés ici : la formation de tartre, l'encrassement général, et l'encrassement biologique.
Formation de tartre
La formation de tartre dans un système de refroidissement peut être contrôlée par :
- minimiser les cycles de concentration par un contrôle de l'élimination
- ajouter de l'acide pour prévenir le dépôt d'espèces sensibles au pH
- adoucir l'eau pour réduire le calcium
- utiliser des inhibiteurs de tartre pour permettre l'opération sous des conditions sursaturées
Contrôle de l'élimination. L'augmentation de l'élimination pour limiter les cycles de concentration est un moyen efficace de réduire le potentiel de tartre de l'eau circulante. Cependant, des taux élevés d'élimination ne sont pas toujours tolérables et, selon la qualité de l'eau, ne peuvent pas toujours fournir un contrôle total du tartre. Dans de nombreuses localités, les approvisionnements en eau douce sont limités et coûteux.
Tableau 31-1. Taux de compensation et d'élimination à divers cycles
Tableau 31-1. Taux de compensation et d'élimination à divers cycles
Cycles Compensation, gpm Élimination, gpm 2 4 333 8 143 15 71 20 53a RR = 50,000 gpm; DT = 20 °F.
Le CO2 formé est évacué à travers la tour de refroidissement, tandis que le sulfate reste comme sous-produit.
La baisse du pH par l'alimentation en acide réduit également le potentiel de tartre d'autres espèces sensibles au pH telles que le silicate de magnésium, l'hydroxyde de zinc et le phosphate de calcium.
Comme le contrôle de l'alimentation en acide est crucial, un système d'alimentation automatisé doit être utilisé. Le surdosage d'acide contribue à une corrosion excessive ; la perte d'alimentation en acide peut entraîner une formation rapide de tartre. Un système de dilution d'acide doit être utilisé pour un mélange approprié afin de prévenir les attaques acides sur le puisard en béton.
Lorsque le sulfate dans l'eau de compensation est élevé et/ou que la tour est exploitée à des cycles élevés, l'alimentation en acide sulfurique peut entraîner un tartre de sulfate de calcium. Parfois, de l'acide chlorhydrique est utilisé à la place de l'acide sulfurique dans de tels cas. Cependant, cela peut entraîner des niveaux élevés de chlorure, qui contribuent souvent de manière significative à l'augmentation des taux de corrosion, en particulier la corrosion par piqûres et/ou la fissuration de tension des aciers inoxydables.
L'injection de dioxyde de carbone dans l'eau circulante pour contrôler le pH a été proposée de temps à autre. Ce traitement réduit le pH mais ne réduit pas l'alcalinité. L'eau circulante est aérée à chaque fois qu'elle passe au-dessus de la tour de refroidissement. Cela réduit la concentration de dioxyde de carbone dans l'eau à la valeur d'équilibre pour les conditions atmosphériques, provoquant une élévation du pH. La montée rapide du pH à travers la tour peut entraîner un tartre de carbonate de calcium sur le remplissage de la tour. En raison de l'aération, le dioxyde de carbone ne cyclise pas et doit être alimenté en fonction du taux de recirculation du système. Il n'est généralement pas considéré comme un moyen pratique de contrôler le pH dans les systèmes à recirculation ouverte.
Adoucissement de l'eau. L'adoucissement de l'eau. L'adoucissement à la chaux de l'eau de compensation ou d'un flux latéral peut être utilisé pour abaisser le calcium et, souvent, l'alcalinité. Cela réduit à la fois les tendances de tartre de carbonate de calcium et de sulfate de calcium de l'eau à un nombre donné de cycles et de niveaux de pH. L'adoucissement de l'eau latérale est également utilisé pour abaisser les niveaux de silice.
Inhibiteurs de tartre. Les systèmes de refroidissement peuvent fonctionner à des cycles de concentration plus élevés et/ou à un pH plus élevé lorsque des inhibiteurs de tartre appropriés sont appliqués. Ces matériaux interfèrent avec la croissance des cristaux, permettant l'exploitation dans des conditions "sursaturées". Des phosphates organiques, également appelés phosphonates, sont couramment utilisés pour inhiber le tartre de carbonate de calcium. Les phosphonates ou d'autres matériaux polymériques peuvent être utilisés pour inhiber d'autres types de tartre, tels que le sulfate de calcium et le phosphate de calcium.
Il existe une eau de compensation de qualité relativement élevée à divers cycles de concentration. Sans additifs chimiques de quelque type que ce soit, cette eau est limitée à 2 cycles. À 5 cycles, le pH est d'environ 8.3, et le LSI est +1.5. Le système peut fonctionner sans alimentation en acide si un inhibiteur de tartre est utilisé. À 10 cycles sans alimentation en acide, le LSI est +2.5 et l'eau est traitable avec un inhibiteur de tartre de carbonate de calcium. À 15 cycles et sans alimentation en acide, le pH théorique est de 9.2 et le LSI est +3.2. Dans ce cas, l'eau ne peut pas être traitée efficacement à 15 cycles avec des inhibiteurs conventionnels de carbonate de calcium. De l'acide doit être ajouté pour abaisser le pH à 8.7 ou moins afin qu'un inhibiteur de tartre puisse être utilisé.
Tableau 31-2. Eau de refroidissement circulant à divers cycles.
Eau circulante à
2 cycles
Eau circulante à
5 cycles
Eau circulante à 10 cycles
Eau circulante à 15 cycles
Eau de compensation
Sans alimentation en acide
Sans alimentation en acide
Sans alimentation en acide
Sans alimentation en acide
Acide pour pH 8.7
Calcium
(en tant que CaCO3), ppm
50
100
250
500
750
750
Magnésium
(en tant que CaCO3), ppm
20
40
100
300
300
300
Alcalinité M
(en tant que CaCO3), ppm
40
80
200
400
600
310
Sulfate
(en tant que SO4-2), ppm
40
80
200
400
600
890
Chlorure (en tant que Cl-)
10
20
50
100
150
150
Silice (en tant que SiO2), ppm
10
20
50
100
150
150
pH
7.0
7.6
8.3
8.9
9.2
8.7
pHs (120 °F)
8.2
7.6
6.8
6.4
6.0
6.2
LSI
-1.2
0
+1.5
+2.5
+3.2
+2.5
RSI
9.4
7.6
5.3
3.9
2.8
3.7
CaCO3 contrôlé par un :
B
B/S
B/S
X
B/A/S
a B, élimination uniquement ; B/S, élimination plus inhibiteur de tartre ; B/A/S, élimination plus aide plus inhibiteur de tartre de CaCO3 ; X, ne peut pas fonctionner.
Contrôle de l'encrassement général
Les espèces qui ne forment pas de tartre (fer, boue, limon et autres débris) peuvent également causer des problèmes de dépôts. Comme ces matériaux sont composés de particules solides, leur dépôt est souvent plus lié au flux qu'à la chaleur. Les solides en suspension tendent à se déposer dans les zones de faible écoulement, telles que le puisard de la tour et les échangeurs de chaleur avec l'eau de refroidissement côté coque. En plus de servir de réservoir d'eau, le puisard de la tour fournit un bassin de décantation. Les solides accumulés peuvent être éliminés périodiquement du puisard par des méthodes d'aspiration ou de pelletage. Des polymères naturels et synthétiques de différents types peuvent être utilisés pour minimiser l'encrassement dans les échangeurs de chaleur.
Les contaminants organiques du processus, tels que l'huile et la graisse, peuvent entrer dans un système par des fuites d'échangeur. Des tensioactifs peuvent être utilisés pour atténuer les effets de ces matériaux. L'encrassement est abordé plus en détail dans le Chapitre 25.
Contrôle de l'encrassement biologique
Un système de refroidissement à recirculation ouverte fournit un environnement favorable à la croissance biologique. Si cette croissance n'est pas contrôlée, un encrassement biologique sévère et une corrosion accélérée peuvent se produire. Les inhibiteurs de corrosion et les agents de contrôle des dépôts ne peuvent pas fonctionner efficacement en présence d'accumulations biologiques.
Une discussion complète sur les microorganismes et le contrôle de l'encrassement biologique se trouve dans le Chapitre 26. Les antimicrobiens oxydants (par exemple, le chlore et les donneurs d'halogènes) sont discutés dans le Chapitre 27.
PROGRAMMES DE CONTRÔLE DE CORROSION
L'ajout d'un seul inhibiteur de corrosion, comme le phosphate ou le zinc, n'est pas suffisant pour un traitement efficace d'un système de refroidissement à recirculation ouverte. Un programme de traitement complet qui aborde la corrosion et tous les types de dépôts est nécessaire. Tous les programmes d'inhibiteurs de corrosion nécessitent un bon programme de contrôle biologique et, dans certains cas, des agents de contrôle des dépôts supplémentaires pour des polluants spécifiques.
Programmes à base de chromate
Pendant de nombreuses années, les programmes basés sur le chromate ont fourni une excellente protection contre la corrosion pour les systèmes de refroidissement. Cependant, il a rapidement été reconnu que le chromate, en tant que métal lourd, présentait certains risques pour la santé et l'environnement. Les traitements utilisant uniquement du chromate à 200-500 ppm ont rapidement cédé la place à des programmes tels que "Zinc Dianodic", qui intégraient du zinc et du phosphate pour réduire les niveaux de chromate à 15-25 ppm.
Les réglementations fédérales limitant le rejet de chromate dans les cours d'eau ont suscité d'autres efforts pour réduire ou éliminer le chromate. La préoccupation la plus récente concernant le traitement au chromate concerne le chromate présent dans la dérive des tours de refroidissement. Lorsqu'il est inhalé, le chrome hexavalent est suspecté d'être cancérigène. Par conséquent, depuis mai, l'utilisation de chromate dans les tours de refroidissement de confort a été interdite par l'EPA. On s'attend à ce que l'utilisation du chromate dans les systèmes de refroidissement à recirculation ouverte soit totalement interdite d'ici la fin de l'année.
Inhibiteurs de corrosion du cuivre
Le chromate est un bon inhibiteur de corrosion pour le cuivre ainsi que pour l'acier. Par conséquent, aucun inhibiteur spécifique de corrosion du cuivre n'était nécessaire dans la plupart des programmes à base de chromate. Cependant, la plupart des autres inhibiteurs d'acier doux n'offrent pas une protection efficace pour les alliages de cuivre. Par conséquent, les programmes sans chromate comprennent généralement un inhibiteur spécifique de corrosion du cuivre lorsque des alliages de cuivre sont présents dans le système.
Programmes précoces de phosphate/phosphonate
De nombreux programmes de traitement anticorrosion précoces utilisaient du polyphosphate à des niveaux relativement élevés. Dans l'eau, le polyphosphate subit un processus d'hydrolyse, communément appelé "réversion", qui le ramène à son état de phosphate orthophosphate. Dans les premiers programmes, ce processus entraînait souvent le dépôt de phosphate orthophosphate de calcium.
Les améliorations ultérieures utilisaient des combinaisons de phosphates orthophosphates, polyphosphates et organiques. Les plages de traitement générales sont les suivantes :
Orthophosphate
2-10 ppm
Polyphosphate
2-10 ppm
Phosphonate
2-10 ppm
pH
6.5-8.5
Un ensemble de limites de contrôle plus spécifique au sein de ces plages a été développé, basé sur les caractéristiques individuelles de l'eau et les conditions de fonctionnement du système. Lorsque des eaux à faible teneur en calcium étaient utilisées (c'est-à-dire moins de 75 ppm), du zinc était souvent ajouté pour fournir la protection anticorrosion souhaitée.
Avec un contrôle étroit des niveaux de phosphate, du pH et des cycles, il était possible d’obtenir une protection anticorrosion satisfaisante avec un dépôt minimal. Cependant, il y avait peu de marge d'erreur, et le dépôt de phosphate de calcium posait souvent problème.
Dianodic II ®
Le concept Dianodic II ® a révolutionné la technologie de traitement sans chromate avec son introduction. Ce programme utilise des niveaux relativement élevés de phosphate orthophosphate pour promouvoir un film oxydé protecteur sur les surfaces en acier doux, offrant une inhibition de corrosion supérieure. L'utilisation de niveaux élevés de phosphate a été rendue possible grâce au développement de copolymères à base d'acrylate supérieurs. Ces polymères sont capables de maintenir des niveaux élevés d'orthophosphate en solution dans des conditions typiques d'eau de refroidissement, éliminant le problème de dépôt de phosphate de calcium rencontré avec les programmes précédents.
Les plages de contrôle générales pour Dianodic II sont les suivantes :
Phosphate inorganique total
10-25 ppm
Calcium (en tant que CaCO3)
75- ppm
pH
6.8-7.8
Des plages de contrôle plus détaillées sont développées pour des systèmes individuels, basées sur les caractéristiques de l'eau et les conditions de fonctionnement du système.
Les programmes Dianodic II ont réussi à protéger les systèmes de refroidissement depuis leur introduction. La recherche continue a permis de nombreuses améliorations dans cette approche de traitement, y compris de nouveaux polymères plus efficaces, qui ont élargi l'applicabilité à des chimies d'eau plus diverses. Le programme de traitement le plus largement utilisé, Dianodic II, est devenu une norme de l'industrie dans le traitement sans chromate.
Programmes de traitement alcalin
Il existe plusieurs avantages à faire fonctionner un système de refroidissement dans une plage de pH alcalin de 8.0-9.2. D'abord, l'eau est intrinsèquement moins corrosive qu'à des pH plus bas. Ensuite, l'alimentation en acide sulfurique peut être minimisée ou même éliminée, selon la chimie de l'eau de compensation et les cycles désirés. Un système utilisant cette compensation pourrait fonctionner dans un programme de traitement alcalin dans la plage de 4-10 cycles sans alimentation en acide. Cela élimine le coût élevé d'un maintien approprié d'un système d'alimentation en acide, ainsi que les risques de sécurité et les problèmes de manipulation associés à l'acide.
Même si l'acide ne peut être éliminé, il existe toujours un avantage à l'opération alcaline. Un pH de 8.0-9.0 correspond à une plage d'alcalinité plus de deux fois supérieure à celle des pH 7.0-8.0. Par conséquent, le pH est plus facilement contrôlé à des pH plus élevés, et l'alcalinité plus élevée fournit une plus grande capacité tampon en cas de surdosage d'acide.
Un désavantage de l'opération alcaline est le potentiel accru de former du carbonate de calcium et d'autres tartres basés sur le calcium et le magnésium. Cela peut limiter les cycles de concentration et nécessiter l'utilisation d'agents de contrôle des dépôts.
Programmes de zinc alcalin. L'un des programmes alcalins les plus efficaces repose sur une combinaison de zinc et de phosphate organique (phosphonate) pour l'inhibition de corrosion. Le zinc est un excellent inhibiteur cathodique qui permet l'exploitation à des niveaux de calcium et d'alcalinité plus bas que les autres traitements alcalins. Cependant, le rejet de l'élimination de la tour de refroidissement contenant du zinc peut être sévèrement limité en raison de sa toxicité aquatique. Les programmes à base de zinc sont les plus applicables dans les usines où le zinc peut être éliminé dans le processus de traitement des déchets.
Programmes de phosphate alcalin. Des combinaisons de phosphates organiques et inorganiques sont également utilisées pour inhiber la corrosion à un pH alcalin. Une technologie supérieure de polymère synthétique a été appliquée pour éliminer de nombreux problèmes d'encrassement rencontrés avec les premiers programmes de phosphate/phosphonate. En raison du pH plus élevé et de l'alcalinité, les niveaux de phosphate requis sont inférieurs à ceux des traitements Dianodic II. Les plages de traitement générales sont les suivantes :
- Phosphate inorganique 2-10 ppm
- Phosphate organique 3-8 ppm
- Calcium (en tant que CaCO3) 75- ppm
- pH 8.0-9.2
Programmes entièrement organiques
Les programmes entièrement organiques n'utilisent aucun phosphate inorganique ni de zinc. La protection contre la corrosion est assurée par les phosphonates et les inhibiteurs formant un film organique. Ces programmes nécessitent généralement une plage de pH de 8.7-9.2 pour tirer parti du carbonate de calcium en tant qu'inhibiteur cathodique.
Programmes à base de molybdate
Pour être efficaces, les molybdates seuls nécessitent des concentrations de traitement très élevées. Par conséquent, ils sont généralement appliqués à des niveaux plus bas (par exemple, 2-20 ppm) et combinés avec d'autres inhibiteurs, tels que des phosphates inorganiques et organiques. De nombreux chercheurs pensent que le molybdate, aux niveaux mentionnés ci-dessus, est efficace pour contrôler la corrosion par piqûres sur l'acier doux. Comme le molybdate est plus coûteux que la plupart des inhibiteurs de corrosion conventionnels en termes de parties par million, l'avantage de l'ajout de molybdate doit être weighed against the incremental cost. Use of molybdate may be most appropriate where phosphate and/or zinc discharge is limited.
CONSIDÉRATIONS FUTURES
L'influence chimique de l'élimination de l'eau de refroidissement sur les cours d'eau récepteurs est examinée de près aux États-Unis, où le nettoyage des voies navigables est une priorité. Des limitations d'effluent concernant le zinc et le phosphate sont en place dans de nombreux États. Des recherches extensives pour développer de nouveaux programmes de traitement "plus respectueux de l'environnement" sont en cours et continueront probablement. Des tests de toxicité et d'impact environnemental de nouvelles molécules seront également nécessaires. Les réponses ne sont pas simples, et les nouveaux programmes seront probablement plus coûteux que la technologie actuelle.
SURVEILLANCE ET CONTRÔLE DU TRAITEMENT DE L'EAU DE REFROIDISSEMENT
Il existe de nombreux facteurs qui contribuent à la corrosion et à l'encrassement dans les systèmes d'eau de refroidissement. Le choix et l'application de produits chimiques de traitement appropriés ne constituent qu'une petite partie de la solution. Des programmes de surveillance sophistiqués sont nécessaires pour identifier les problèmes potentiels afin que les programmes de traitement puissent être ajustés. Un contrôle efficace de l'alimentation en produits et la surveillance des résidus chimiques sont nécessaires pour peaufiner les programmes de traitement. Une surveillance continue est nécessaire pour confirmer les résultats du traitement et déterminer les tendances du système.
Surveillance des résultats du traitement
Bien que des outils de surveillance simples puissent révéler des problèmes, ils peuvent ne donner aucune indication de la cause. Les outils de surveillance brièvement discutés ici sont abordés plus en détail dans le Chapitre 36.
Aucun outil de surveillance ne peut reproduire exactement les conditions du système. Il est également nécessaire d'inspecter fréquemment l'équipement de l'usine et de documenter les résultats.
Corrosion. Les taux de corrosion peuvent être surveillés par des coupons de corrosion, des compteurs de taux de corrosion instantanés, ou le Betz Monitall, qui mesure le taux de corrosion sur les surfaces de transfert de chaleur. Des niveaux élevés de fer ou de cuivre dans l'eau circulante peuvent également être une indication de corrosion.
Dépôts. Les tendances de dépôts peuvent être observées sur des coupons de corrosion ou des appareils chauffés, tels que des échangeurs de chaleur de test ou le Betz Monitall. Une comparaison des différentes concentrations minérales et des niveaux de solides en suspension dans l'eau de compensation par rapport à ceux dans l'élimination peut indiquer la perte de certaines espèces chimiques dues au dépôt.
Encrassement biologique. De nombreuses techniques sont disponibles pour surveiller l'encrassement biologique. Celles qui surveillent la croissance biologique sur des surfaces réelles ou simulées du système rendent un bon aperçu des conditions du système. Les comptes d'eau en vrac de diverses espèces peuvent être trompeurs.
Contrôle des paramètres de l'eau et de l'alimentation en traitement
Bien que certains programmes de traitement soient plus indulgents que d'autres, même le meilleur programme nécessite un bon contrôle des cycles, du pH et des niveaux de traitement. Un bon contrôle permet d'économiser de l'argent. À court terme, un meilleur contrôle optimise les niveaux de traitement, empêche le surdosage et minimise la consommation de produits chimiques. À long terme, des surfaces d'échangeur de chaleur plus propres, un remplacement d'équipement moins fréquent, et une réduction du temps d'arrêt pour le nettoyage et la réparation se combinent pour améliorer l'efficacité du système, contribuant à une meilleure rentabilité pour l'usine. Souvent, les systèmes de contrôle et d'alimentation informatisés sont si efficaces dans ces domaines qu'ils remboursent rapidement leur coût.
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