Torres de Resfriamento: Perda por Evaporação e Água de Reposição

1 de abril de 2017 | Por U. Vengateson, National Petrochemical Co.

A aplicação de cálculos de balanço de massa e energia produz uma visão operacional crítica

As torres de resfriamento são uma operação de unidade importante nas operações das indústrias de processo químico (CPI). A aplicação de cálculos de balanço de massa e energia permite que os engenheiros de processo avaliem a perda por evaporação, purga e requisitos de água de reposição e avaliem o desempenho da torre de resfriamento. Neste artigo, um estudo ilustrativo mostra uma torre de resfriamento de tiragem induzida e descreve vários parâmetros-chave — alcance, abordagem e eficiência — e sua importância. Dois métodos são discutidos para estimar a perda por evaporação. Os requisitos para purga e água de reposição também são detalhados.

O resfriamento dos fluxos de processo e a condensação de vapores são funções importantes nas operações de CPI. O uso de uma torre de resfriamento é a forma mais comum de extrair o calor residual em operações de CPI, e a água é o refrigerante mais comumente usado para remover o calor residual na maioria dessas operações. Uma grande refinaria de petróleo típica que processa 40.000 toneladas métricas (mt) de petróleo bruto por dia requer 80.000 m 3 /h de água de resfriamento. Isso é aproximadamente equivalente a 25 barris de água para cada barril de petróleo bruto processado [ 1].

Em uma torre de resfriamento, o fluxo de água quente (normalmente chamado de retorno de água de resfriamento) é introduzido para baixo através de bicos de pulverização em preenchimentos dentro da torre. Existem diferentes tipos de preenchimentos - splash, trickle e film - que visam criar mais área de superfície, para maximizar o contato entre o fluxo de água quente e o ar. À medida que o ar sobe dentro da torre, ele recebe o calor latente de vaporização da água e, assim, a água é resfriada.

Como regra geral, para cada 10°F (5,5°C) de resfriamento de água, 1% da massa total de água é perdida devido à evaporação. O nível de umidade do fluxo de ar ascendente aumenta e, uma vez que sai da torre, o fluxo de ar fica quase saturado. O perfil de temperatura da água e a temperatura de bulbo úmido do ar ao longo da altura de uma torre de resfriamento típica são mostrados na Figura 1.

FIGURA 1. Aqui é mostrada a variação típica da temperatura da água e da temperatura de bulbo úmido da corrente de ar conforme a corrente de entrada de água quente desce do topo da torre de resfriamento e a corrente de ar flui para cima ao longo da altura da torre de resfriamento torre

A água resfriada é coletada no reservatório (ou bacia) da torre de resfriamento e normalmente é bombeada para a planta como o fluxo de abastecimento de água de resfriamento (CWS). Após a extração de calor das unidades de processo, essa corrente é devolvida à torre de resfriamento, como a corrente de retorno da água de resfriamento (CWR). A carga de calor extraída da unidade de processo é finalmente liberada para o ambiente na torre de resfriamento. Uma torre de resfriamento é projetada para remover a carga total de calor que é extraída da planta, reduzindo a temperatura CWR para a temperatura CWS.

A linha CWR da unidade de processo entra em uma torre de resfriamento industrial a 45°C e sai a 33°C, conforme Figura 2. A torre possui três células, cada uma operando a 2.500 m 3 /h de vazão de água. A vazão total de 7.500 m 3 /h é medida na linha CWR. A temperatura de bulbo seco e a temperatura de bulbo úmido do ar de entrada são medidas como 30,3°C e 29°C, respectivamente. A temperatura de bulbo seco do ar de saída é de 41,5°C e supõe-se que esteja 100% saturado. Este estudo de caso visa calcular as variáveis ​​desconhecidas - ou seja, perda por evaporação, fluxo de ar através da torre, fluxo de purga e o fluxo de água de reposição necessário. Primeiro, os parâmetros importantes — abordagem, alcance e eficiência — são detalhados.

Abordagem. A abordagem é definida como a diferença entre a temperatura da água na saída da torre ( t out) e a temperatura de bulbo úmido do ar de entrada ( T w,in). A abordagem representa a capacidade da torre de resfriamento. Em geral, quanto maior a torre, menor é a aproximação. Neste estudo de caso, a abordagem é de 4°C.