Las nuevas estrategias superan problemas comunes y ahorran dinero
Muchas plantas químicas en todo el mundo usan agua de mar como medio de enfriamiento. Dependiendo de los requisitos específicos de enfriamiento de la planta, estos sistemas pueden exigir varios miles de galones de agua dulce por minuto. Los altos volúmenes de agua de reposición utilizados representan un gasto significativo en dos frentes: la energía para bombear el agua y los productos químicos para tratarla. Por lo tanto, optimizar la demanda de agua de mar y la estrategia de tratamiento químico es fundamental.
Sin embargo, las plantas que dependen del agua de mar para enfriarse han tenido problemas para hacerlo. Durante años, los programas convencionales de enfriamiento de agua de mar han utilizado pautas químicas anticuadas que fueron adaptadas de los sistemas de enfriamiento de agua dulce o salmueras de campos petroleros. Estas adaptaciones pueden ser imprecisas y han llevado a una batalla interminable contra una gama de resultados negativos: altos costos químicos, reducción de la eficiencia de transferencia de calor, paradas no programadas de la planta, pérdida de producción, gastos de mantenimiento abruptos para unidades de electroclorinación y bombeo excesivo de agua.
Afortunadamente, han surgido nuevos enfoques que utilizan monitoreo digital y modelos de saturación computarizados para optimizar los programas de enfriamiento. Por ejemplo, el nuevo programa de tratamiento químico OptiSea de SUEZ Water Technologies & Solutions combinado con su dispositivo de monitoreo digital patentado MonitAll ha permitido varios avances en este frente.
Aquí, veremos problemas comunes que surgen del uso de modelos defectuosos en plantas que dependen del agua de mar para enfriamiento, y cómo las nuevas estrategias digitales están superando estas dificultades.
Minimizando la reposición del agua de mar
Los sistemas de enfriamiento de agua de mar en las plantas químicas generalmente usan una torre de enfriamiento para proporcionar cierto nivel de reutilización del agua. Como beneficio secundario, están diseñados para minimizar la descarga térmica que podría dañar los arrecifes de coral. Diseñar una estrategia operativa para los sistemas de enfriamiento de agua de mar no es una tarea simple. La química del agua de mar varía significativamente en todo el mundo. Esto significa que diferentes sistemas pueden requerir diferentes tipos o dosis de productos químicos de tratamiento, y la cantidad máxima de reutilización de agua diferirá de una planta a otra. Una estrategia de tratamiento también debe considerar otras condiciones de operación específicas de la planta, incluidas las temperaturas de operación, las velocidades del flujo de agua y las limitaciones de descarga ambiental.
El cálculo de la demanda de agua de reposición es una investigación básica esencial que sustenta muchas otras decisiones. La demanda depende de la cantidad de reutilización del agua, que se mide por un número adimensional llamado "ciclos de concentración", C.
C = caudal de agua de reposición / caudal de purga (1)
También se puede expresar en términos de la concentración de sal de las corrientes de agua de reposición y recirculación de agua (purga). Para fines prácticos, a menudo se utilizan mediciones de conductividad:
C = conductividad de purga / conductividad del agua de reposición (2)
Para minimizar con seguridad la demanda de agua de reposición y los costos de bombeo, debe conocer el límite operativo superior de C para evitar la formación de incrustaciones en los intercambiadores de calor. Luego, debe operar el sistema de la torre de enfriamiento en consecuencia para asegurarse de mantener la química del agua de la torre en un rango seguro.
Si la planta está operando a una carga de calor constante, a medida que C aumenta, los caudales tanto de reposición como de purga disminuyen. Por lo tanto, operar a una C más alta significa reutilizar más agua. Sin embargo, como se ve en la Ecuación 2, operar a una C más alta también aumenta el contenido de sal del agua. Si el C se eleva demasiado, algunas sales disueltas (principalmente sales de calcio) pueden precipitarse de la solución para formar escamas en las superficies de transferencia de calor en toda la planta, reduciendo la eficiencia de la transferencia de calor. Por estas razones, es deseable diseñar el programa de tratamiento químico y las condiciones de operación de modo que el C sea lo más alto posible sin arriesgar la acumulación de incrustaciones en los intercambiadores de calor.
En el pasado, debido a las limitaciones químicas del tratamiento, los programas de tratamiento de enfriamiento de agua de mar solo podían funcionar a una C entre aproximadamente 1,2 y 1,7. Los avances recientes ahora permiten que algunos sistemas funcionen a una C de 3,1. Esto reduce la demanda de agua de reposición en casi un 50% y también reduce los costos de bombeo proporcionalmente.
Modelando adecuadamente la saturación
Una vez que se establecen los parámetros operativos para la torre de enfriamiento, la atención puede centrarse en los programas de tratamiento químico. Hasta hace poco, dichos programas para sistemas de enfriamiento de agua de mar dependían en gran medida del uso de "índices" de saturación para predecir las tendencias de escala para el carbonato de calcio (CaCO3) y el sulfato de calcio (CaSO4), los dos depósitos más comunes encontrados en los intercambiadores de calor refrigerados por agua de mar. Estos modelos intentaron predecir las tasas de tratamiento químico y las relaciones de concentración de operación segura para los sistemas de enfriamiento de agua de mar que usan torres de enfriamiento de recirculación abiertas.
Desafortunadamente, los modelos de equilibrio tradicionales no funcionan de manera efectiva en los sistemas de enfriamiento de agua de mar debido a la alta fuerza iónica de estas aguas. El uso de un modelo inexacto para desarrollar una estrategia de tratamiento conduce a un tratamiento químico previsto o tasas de purga de la torre de enfriamiento que son demasiado altas o demasiado bajas. Esto podría resultar en un alto uso de agua, un costo de tratamiento excesivo o una pérdida de eficiencia de transferencia de calor en la planta.
El carbonato de calcio es, con mucho, la incrustación más común encontrada en los sistemas de enfriamiento de agua de mar. Para definir condiciones de operación seguras, algunos consultores de tratamiento de agua aún emplean índices de saturación de uso común como el Índice de Saturación de Langelier (LSI) o el Índice de Estabilidad Stiff-Davis (SDSI) para predecir la solubilidad del carbonato de calcio. Sin embargo, estos índices no están diseñados para el agua de mar y no consideran la compleja interacción de los iones. El LSI fue desarrollado para sistemas de agua potable fresca y el SDSI fue diseñado para predecir el potencial de escalamiento de carbonato de calcio en salmueras de campos petroleros. No funcionan bien en agua de mar y, por lo tanto, tampoco deberían servir como base para diseñar una estrategia de tratamiento químico para sistemas de enfriamiento de agua de mar.
Eso ha llevado a algunos consultores a desarrollar sus propias herramientas de modelado de equilibrio o utilizar software comercialmente disponible para predecir la solubilidad del carbonato de calcio. Estos modelos se basan en un coeficiente de actividad, un factor utilizado para explicar las desviaciones del comportamiento ideal en mezclas de sustancias químicas. Para soluciones acuosas, varias ecuaciones disponibles predicen coeficientes de actividad en función de la fuerza iónica.
Desafortunadamente, las curvas de coeficiente de actividad publicadas se desarrollaron para soluciones de fuerza iónica típicamente <0,1 y, como máximo, <0,5 (molal). El agua de mar reciclada tiene una fuerza iónica>1. Estas curvas de coeficiente de actividad no funcionan bien para el agua de mar y pueden proporcionar resultados engañosos si se utilizan para diseñar un programa de tratamiento para un sistema de enfriamiento de agua de mar. Además, estos modelos no predicen con precisión la relación de pH y alcalinidad en el agua de mar o el agua de mar concentrada "ciclada". Conocer esta relación es crucial para realizar cálculos precisos de solubilidad de carbonato de calcio.
Desafortunadamente, las curvas de coeficiente de actividad publicadas se desarrollaron para soluciones de fuerza iónica típicamente <0,1 y, como máximo, <0,5 (molal). El agua de mar reciclada tiene una fuerza iónica>1. Estas curvas de coeficiente de actividad no funcionan bien para el agua de mar y pueden proporcionar resultados engañosos si se utilizan para diseñar un programa de tratamiento para un sistema de enfriamiento de agua de mar. Además, estos modelos no predicen con precisión la relación de pH y alcalinidad en el agua de mar o el agua de mar concentrada "ciclada". Conocer esta relación es crucial para realizar cálculos precisos de solubilidad de carbonato de calcio.
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| Figura 1. La curva de solubilidad del carbonato de calcio a 120 ° F señala el riesgo de precipitación cuando el pH es 8.2 o mayor, incluso a bajos ciclos de concentración |
Para superar los problemas con los modelos de equilibrio publicados, se desarrolló un paquete de software patentado. Este software incorpora coeficientes de actividad precisos y cálculos de pH. También explica el efecto que ejercen los antiincrustantes y los químicos de tratamiento en la formación de carbonato de calcio y utiliza datos empíricos para respaldar el modelo.
Las Figuras 1 y 2 ilustran la salida del software de modelado de saturación patentado. La Figura 1 muestra la solubilidad del carbonato de calcio a 120 ° F en agua de mar del Caribe sin aplicar tratamiento químico. Los datos indican que sin tratamiento, se formará carbonato de calcio. Las barras rojas indican que el carbonato de calcio será un problema incluso sin ciclar si el pH supera los 8,1. Debido a que el agua de mar natural tiene un pH de aproximadamente 8,1–8,4, no se recomienda el uso de agua de mar sin tratar en sistemas de enfriamiento.
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| Figura 2. Un tratamiento apropiado para agua de mar de 120 ° F expande dramáticamente las condiciones de operación seguras para permitir la operación a ciclos más altos de concentración y pH. |
La Figura 2 muestra que un producto antiincrustante apropiado permite la operación segura de este sistema a una C de hasta 3 si el pH permanece por debajo de 8,4.
Estos gráficos no solo representan visualmente la ventana de operación segura para estos programas de tratamiento químico en particular, sino que también arrojan luz sobre el notable margen de mejora en muchas instalaciones de enfriamiento de agua de mar.
Adoptando las mejores prácticas
La función principal de los tratamientos químicos utilizados en los sistemas de enfriamiento de agua de mar es inhibir la formación de incrustaciones en las superficies de transferencia de calor. Algunos programas de tratamiento también incorporan productos químicos diseñados para dispersar sólidos suspendidos, lo que minimiza el potencial de que los intercambiadores de calor se ensucian con desechos inorgánicos (es decir, barro, arena y limo). El ensuciamiento e incrustaciones proporcionan una capa aislante en las superficies del intercambiador de calor y reducen la eficiencia de transferencia de calor. El objetivo del programa de tratamiento químico es mantener limpios los intercambiadores de calor, sin ensuciamiento ni incrustaciones, de modo que el proceso sea más eficiente energéticamente. A diferencia de los sistemas de enfriamiento de agua dulce, la corrosión generalmente no es un problema en los sistemas de enfriamiento de agua de mar porque estos sistemas emplean metalurgías resistentes a la corrosión y a menudo utilizan tuberías de transferencia revestidas en los circuitos de distribución de agua. Por estas razones, los sistemas de enfriamiento de agua de mar generalmente no requieren inhibidores de corrosión.
En el pasado, los programas de tratamiento de sistemas de enfriamiento con agua de mar se centraron principalmente en productos químicos de tratamiento de control de incrustaciones, a menudo utilizando anti-incrustantes basados en fósforo. Estos tratamientos a base de fósforo pueden controlar las incrustaciones de manera efectiva, pero están bajo un mayor escrutinio ambiental debido a su potencial para causar floraciones de algas y dañar los arrecifes de coral. Si bien las restricciones gubernamentales sobre la descarga de fósforo aún no están vigentes a nivel mundial, los usuarios finales deben considerar seriamente los problemas de relaciones públicas que podrían resultar de una desagradable floración de algas creada por la descarga innecesaria de fósforo.
Los antiincrustantes a base de fósforo han tenido una larga historia de éxito en aplicaciones de enfriamiento con agua de mar. Por esta razón, permanecen en uso en muchas plantas. Sin embargo, los nuevos productos que no se basan en la química del fósforo permiten que las plantas químicas operen a una C más alta de lo posible con productos químicos de tratamiento a base de fósforo. Hacerlo puede proporcionar un ahorro sustancial de agua y evitar la posibilidad de floraciones de algas en el emisario de plantas.
Muchas formulaciones de tratamiento disponibles incluyen un tinte fluorescente que permite al usuario verificar la concentración del producto en el agua de enfriamiento. Los fluorómetros diseñados para detectar estos colorantes están disponibles comercialmente y los procedimientos de prueba son fáciles de realizar. Sin embargo, la inclusión de componentes de tinte agrega un costo significativo al programa y proporciona un valor cuestionable. Nunca se puede recuperar el 100% del tinte en muestras de agua de mar; la tasa de recuperación generalmente varía del 69% al 80%. Esto significa que las dosis de tratamiento reales podrían ser hasta un 31% más altas de lo necesario. Sin el tinte y sin la capacidad de analizar la concentración del producto en el agua de enfriamiento, nunca se sabría si se dosificaron suficientes químicos para evitar una falla. Dado que algunos sistemas usan varios cientos de miles de dólares en productos químicos de tratamiento anualmente, una sobredosificación del 31% representa un gasto sustancial innecesario. Además, los costos potenciales asociados con una falla podrían ser sustancialmente más altos, hasta 10 veces o más. Ninguna de estas situaciones, sobredosificar o no dosificar lo adecuado, es aceptable.
En lugar de agregar el producto químico y analizar un componente, las plantas deberían adoptar bombas de alimentación química "inteligentes", ahora disponibles a un costo nominal, para garantizar que el sistema siempre reciba la cantidad correcta de producto químico de tratamiento. Estas bombas monitorean continuamente las tasas reales de aplicación de químicos y pueden ajustar automáticamente las tasas según los caudales del sistema. Los datos en tiempo real de estas bombas pueden ir a un sistema de control distribuido o un sistema de gestión de datos basado en la nube para proporcionar alarmas de advertencia temprana en caso de una falla inmediata de la bomba o, lo que es más difícil de detectar, una falla lenta con el tiempo. Las reparaciones de la bomba, por supuesto, deben realizarse rápidamente, de modo que el tratamiento químico pueda reanudarse lo más rápido posible.
La actualización de los sistemas de alimentación química existentes con tecnología de bomba inteligente es fácil; simplemente implica elegir un fabricante de bombas, el tamaño de la bomba (velocidad de flujo máxima y capacidad de reducción deseada), seleccionar los materiales de construcción correctos basados en el producto químico que se agregará al sistema de enfriamiento y, en última instancia, reemplazar las bombas existentes con las nuevas bombas. Hacer un uso efectivo de la tecnología y sus beneficios adicionales puede requerir la instalación de un controlador de alimentación química actualizado y una conexión a un sistema de gestión de datos basado en la nube, como InSight de SUEZ, para obtener visibilidad de la información crítica reportada por las nuevas tecnologías de bombas inteligentes. Las empresas de tratamiento de agua suelen ofrecer estos sistemas (bombas, controladores, gestión de datos, etc.) como un paquete completo para garantizar la implementación exitosa de la tecnología.
Los intercambiadores de calor de agua de refrigeración en plantas químicas rara vez están equipados con suficiente instrumentación de flujo y temperatura para permitir el monitoreo en tiempo real del rendimiento de la transferencia de calor. Para compensar esta deficiencia, algunas plantas realizan controles periódicos de temperatura y flujo o utilizan software de simulación de procesos para modelar el rendimiento y la limpieza del intercambiador de calor. Sin embargo, estos controles periódicos no siempre identifican los problemas a tiempo para evitar pérdidas significativas en la transferencia de calor y la eficiencia.
Los avances en el monitoreo digital pueden ayudar a optimizar la estrategia de tratamiento químico. Una sonda digital puede entregar datos a la nube de manera constante y puede alertar al personal mediante el envío de mensajes de texto o correos electrónicos si las operaciones caen fuera de los parámetros establecidos. Si bien existen simuladores de intercambiadores de calor múltiples, las únicas tecnologías que proporcionan suficiente información para una operación química son aquellas que ofrecen un análisis en tiempo real del factor de limpieza. Típicamente, estos sistemas digitales monitorean la transferencia de calor a través de una superficie conocida y proporcionan un cálculo en tiempo real de un factor de limpieza para la sonda, reportado en un sistema de gestión de datos basado en la nube. Los datos en tiempo real o casi en tiempo real ofrecen advertencia temprana y permiten ajustes proactivos en el sistema o programa de tratamiento químico para evitar la deposición costosa en los intercambiadores de calor.
Hasta ahora, las estrategias de tratamiento químico para los sistemas de enfriamiento de agua de mar sufrían varias deficiencias. Si bien, obviamente, no existe un enfoque de tratamiento de "talla única" para los sistemas de enfriamiento de agua de mar, una estrategia de tratamiento integral, rentable y técnicamente sólida debería:
1. Utilizar el tratamiento químico más rentable y ambientalmente aceptable.
2. Controlar con precisión la dosificación química.
3. Minimizar la cantidad de uso de agua de mar con respecto a las limitaciones químicas y de descarga ambiental.
4. Medir el rendimiento de transferencia de calor del sistema de enfriamiento para confirmar los resultados y proporcionar una advertencia temprana si se presentan problemas.
Los supuestos defectuosos conducen a estrategias de tratamiento imperfectas. Mediante el uso de modelos de saturación de sonido que funcionan con precisión en una amplia gama de aplicaciones de enfriamiento de agua de mar, los operadores de la planta pueden obtener programas precisos y optimizados que se adaptan a las condiciones específicas de operación de la planta.
En el pasado, los programas de tratamiento de sistemas de enfriamiento con agua de mar se centraron principalmente en productos químicos de tratamiento de control de incrustaciones, a menudo utilizando anti-incrustantes basados en fósforo. Estos tratamientos a base de fósforo pueden controlar las incrustaciones de manera efectiva, pero están bajo un mayor escrutinio ambiental debido a su potencial para causar floraciones de algas y dañar los arrecifes de coral. Si bien las restricciones gubernamentales sobre la descarga de fósforo aún no están vigentes a nivel mundial, los usuarios finales deben considerar seriamente los problemas de relaciones públicas que podrían resultar de una desagradable floración de algas creada por la descarga innecesaria de fósforo.
Los antiincrustantes a base de fósforo han tenido una larga historia de éxito en aplicaciones de enfriamiento con agua de mar. Por esta razón, permanecen en uso en muchas plantas. Sin embargo, los nuevos productos que no se basan en la química del fósforo permiten que las plantas químicas operen a una C más alta de lo posible con productos químicos de tratamiento a base de fósforo. Hacerlo puede proporcionar un ahorro sustancial de agua y evitar la posibilidad de floraciones de algas en el emisario de plantas.
Muchas formulaciones de tratamiento disponibles incluyen un tinte fluorescente que permite al usuario verificar la concentración del producto en el agua de enfriamiento. Los fluorómetros diseñados para detectar estos colorantes están disponibles comercialmente y los procedimientos de prueba son fáciles de realizar. Sin embargo, la inclusión de componentes de tinte agrega un costo significativo al programa y proporciona un valor cuestionable. Nunca se puede recuperar el 100% del tinte en muestras de agua de mar; la tasa de recuperación generalmente varía del 69% al 80%. Esto significa que las dosis de tratamiento reales podrían ser hasta un 31% más altas de lo necesario. Sin el tinte y sin la capacidad de analizar la concentración del producto en el agua de enfriamiento, nunca se sabría si se dosificaron suficientes químicos para evitar una falla. Dado que algunos sistemas usan varios cientos de miles de dólares en productos químicos de tratamiento anualmente, una sobredosificación del 31% representa un gasto sustancial innecesario. Además, los costos potenciales asociados con una falla podrían ser sustancialmente más altos, hasta 10 veces o más. Ninguna de estas situaciones, sobredosificar o no dosificar lo adecuado, es aceptable.
En lugar de agregar el producto químico y analizar un componente, las plantas deberían adoptar bombas de alimentación química "inteligentes", ahora disponibles a un costo nominal, para garantizar que el sistema siempre reciba la cantidad correcta de producto químico de tratamiento. Estas bombas monitorean continuamente las tasas reales de aplicación de químicos y pueden ajustar automáticamente las tasas según los caudales del sistema. Los datos en tiempo real de estas bombas pueden ir a un sistema de control distribuido o un sistema de gestión de datos basado en la nube para proporcionar alarmas de advertencia temprana en caso de una falla inmediata de la bomba o, lo que es más difícil de detectar, una falla lenta con el tiempo. Las reparaciones de la bomba, por supuesto, deben realizarse rápidamente, de modo que el tratamiento químico pueda reanudarse lo más rápido posible.
La actualización de los sistemas de alimentación química existentes con tecnología de bomba inteligente es fácil; simplemente implica elegir un fabricante de bombas, el tamaño de la bomba (velocidad de flujo máxima y capacidad de reducción deseada), seleccionar los materiales de construcción correctos basados en el producto químico que se agregará al sistema de enfriamiento y, en última instancia, reemplazar las bombas existentes con las nuevas bombas. Hacer un uso efectivo de la tecnología y sus beneficios adicionales puede requerir la instalación de un controlador de alimentación química actualizado y una conexión a un sistema de gestión de datos basado en la nube, como InSight de SUEZ, para obtener visibilidad de la información crítica reportada por las nuevas tecnologías de bombas inteligentes. Las empresas de tratamiento de agua suelen ofrecer estos sistemas (bombas, controladores, gestión de datos, etc.) como un paquete completo para garantizar la implementación exitosa de la tecnología.
Monitorear el desempeño
Los intercambiadores de calor de agua de refrigeración en plantas químicas rara vez están equipados con suficiente instrumentación de flujo y temperatura para permitir el monitoreo en tiempo real del rendimiento de la transferencia de calor. Para compensar esta deficiencia, algunas plantas realizan controles periódicos de temperatura y flujo o utilizan software de simulación de procesos para modelar el rendimiento y la limpieza del intercambiador de calor. Sin embargo, estos controles periódicos no siempre identifican los problemas a tiempo para evitar pérdidas significativas en la transferencia de calor y la eficiencia.
Los avances en el monitoreo digital pueden ayudar a optimizar la estrategia de tratamiento químico. Una sonda digital puede entregar datos a la nube de manera constante y puede alertar al personal mediante el envío de mensajes de texto o correos electrónicos si las operaciones caen fuera de los parámetros establecidos. Si bien existen simuladores de intercambiadores de calor múltiples, las únicas tecnologías que proporcionan suficiente información para una operación química son aquellas que ofrecen un análisis en tiempo real del factor de limpieza. Típicamente, estos sistemas digitales monitorean la transferencia de calor a través de una superficie conocida y proporcionan un cálculo en tiempo real de un factor de limpieza para la sonda, reportado en un sistema de gestión de datos basado en la nube. Los datos en tiempo real o casi en tiempo real ofrecen advertencia temprana y permiten ajustes proactivos en el sistema o programa de tratamiento químico para evitar la deposición costosa en los intercambiadores de calor.
Avanzando
Hasta ahora, las estrategias de tratamiento químico para los sistemas de enfriamiento de agua de mar sufrían varias deficiencias. Si bien, obviamente, no existe un enfoque de tratamiento de "talla única" para los sistemas de enfriamiento de agua de mar, una estrategia de tratamiento integral, rentable y técnicamente sólida debería:
1. Utilizar el tratamiento químico más rentable y ambientalmente aceptable.
2. Controlar con precisión la dosificación química.
3. Minimizar la cantidad de uso de agua de mar con respecto a las limitaciones químicas y de descarga ambiental.
4. Medir el rendimiento de transferencia de calor del sistema de enfriamiento para confirmar los resultados y proporcionar una advertencia temprana si se presentan problemas.
Los supuestos defectuosos conducen a estrategias de tratamiento imperfectas. Mediante el uso de modelos de saturación de sonido que funcionan con precisión en una amplia gama de aplicaciones de enfriamiento de agua de mar, los operadores de la planta pueden obtener programas precisos y optimizados que se adaptan a las condiciones específicas de operación de la planta.
Artículo original escrito en inglés por: ROBIN WRIGHT, consultor técnico de SUEZ Water Technologies & Solutions en Ponte Vedra, Florida.
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