Torri di raffreddamento: perdita per evaporazione e acqua di reintegro

1 aprile 2017 | Di U. Vengateson, National Petrochemical Co.

L'applicazione dei calcoli del bilancio di massa ed energia fornisce informazioni operative critiche

Le torri di raffreddamento sono un'operazione unitaria importante nelle operazioni delle industrie di processo chimico (CPI). L'applicazione dei calcoli del bilancio di massa e di energia consente agli ingegneri di processo di valutare la perdita per evaporazione, lo scarico e i requisiti di acqua di reintegro e di valutare le prestazioni della torre di raffreddamento. In questo articolo, uno studio illustrativo mostra una torre di raffreddamento a tiraggio indotto e descrive diversi parametri chiave – portata, approccio ed efficienza – e il loro significato. Vengono discussi due metodi per stimare la perdita per evaporazione. Vengono inoltre dettagliati i requisiti per lo scarico e l'acqua di reintegro.

Il raffreddamento dei flussi di processo e la condensazione dei vapori sono funzioni importanti nelle operazioni CPI. L'uso di una torre di raffreddamento è il modo più comune per estrarre il calore di scarto nelle operazioni CPI e l'acqua è il refrigerante più comunemente utilizzato per rimuovere il calore di scarto nella maggior parte di tali operazioni. Una tipica grande raffineria di petrolio che tratta 40.000 tonnellate (mt) di petrolio greggio al giorno richiede 80.000 m 3 /h di acqua di raffreddamento. Ciò equivale all’incirca a 25 barili di acqua per ogni barile di petrolio greggio lavorato [1].

In una torre di raffreddamento, il flusso di acqua calda (tipicamente chiamato ritorno dell'acqua di raffreddamento) viene introdotto verso il basso attraverso ugelli spruzzatori nei riempimenti all'interno della torre. Esistono diversi tipi di riempimento (spruzzo, gocciolamento e pellicola) che mirano a creare una maggiore superficie, per massimizzare il contatto tra il flusso di acqua calda e l'aria. Quando l'aria sale all'interno della torre, riceve il calore latente di vaporizzazione dall'acqua e quindi l'acqua viene raffreddata.

Come regola generale, per ogni 5,5°C (10°F) di raffreddamento ad acqua, l'1% della massa totale di acqua viene persa a causa dell'evaporazione. Il livello di umidità del flusso d'aria che sale verso l'alto aumenta e, una volta uscito dalla torre, il flusso d'aria è quasi saturo. Il profilo della temperatura dell'acqua e della temperatura del bulbo umido dell'aria lungo l'altezza di una tipica torre di raffreddamento è mostrato nella Figura 1.

FIGURA 1. Qui è mostrata la variazione tipica della temperatura dell'acqua e della temperatura del bulbo umido del flusso d'aria mentre il flusso d'ingresso dell'acqua calda scorre verso il basso dalla parte superiore della torre di raffreddamento e il flusso d'aria scorre verso l'alto lungo l'altezza della torre di raffreddamento Torre

L'acqua raffreddata viene raccolta nel pozzetto (o bacino) della torre di raffreddamento e viene generalmente pompata all'impianto come flusso di fornitura di acqua di raffreddamento (CWS). Dopo aver estratto il calore dalle unità di processo, questo flusso viene restituito alla torre di raffreddamento, come flusso di ritorno dell'acqua di raffreddamento (CWR). Il carico termico estratto dall'unità di processo viene infine rilasciato all'ambiente nella torre di raffreddamento. Una torre di raffreddamento è progettata per rimuovere il carico termico totale estratto dall'impianto riducendo la temperatura CWR alla temperatura CWS.

La linea CWR dall'unità di processo entra in una torre di raffreddamento industriale a 45°C ed esce a 33°C, come mostrato nella Figura 2. La torre ha tre celle, ciascuna funzionante a 2.500 m 3 /h di flusso d'acqua. Sulla linea CWR viene misurata la portata totale di 7.500 m 3 /h. La temperatura a bulbo secco e la temperatura a bulbo umido dell'aria in ingresso sono misurate rispettivamente come 30,3°C e 29°C. La temperatura a bulbo secco dell'aria in uscita è 41,5°C e si presume che sia satura al 100%. Questo caso di studio ha lo scopo di calcolare le variabili sconosciute, ovvero la perdita per evaporazione, il flusso d'aria attraverso la torre, il flusso di scarico e il flusso di acqua di reintegro richiesto. Innanzitutto, i parametri importanti – approccio, portata ed efficienza – sono dettagliati.

Approccio. L'approccio è definito come la differenza tra la temperatura dell'acqua all'uscita della torre ( t out) e la temperatura del bulbo umido dell'aria in ingresso ( T w,in). L'approccio rappresenta la capacità della torre di raffreddamento. In generale, più grande è la torre, minore è l’avvicinamento. In questo caso di studio, l’approccio è 4°C.