Torres de refrigeración

ozone water treatment in Cooling Towers

Las torres de refrigeración son un sector relativamente nuevo para el tratamiento de ozono. Los beneficios de esta tecnología aún no son del todo conocidos por los usuarios de este sector. Las principales ventajas del tratamiento de agua con ozono frente al tratamiento tradicional con productos químicos están en el ahorro que se puede conseguir tanto de agua como de energía. La reducción, y posible eliminación, del uso de químicos también es un beneficio para el ususario desde el punto de vista de los costes.

El primer problema al que se enfrentan las torres de refrigeración de agua es la acumulación de minerales y crecimiento biológico, conocido también como depósitos calcáreos o incrustaciones. Este problema impide a la torre llevar a cabo una eficaz transferencia de calor. La manera de solucionarlo en el pasado era mediante el uso de agentes químicos como cloro y agentes quelantes. Mientras que este metodo era una solución adecuada para el problema original, el uso de productos químicos da lugar a la aparición de otros problemas. Debido a la evaporación del agua en la torre, el agua resultante alcanza un nivel de concentración de químicos y contaminantes muy alto. Para regular esto, el agua se expulsa del sistema y se reemplaza por agua fresca de reposición. Es el agua purgada lo que puede ser problemático de eliminar, incurriendose en costes extras por estas aguas redisuales.

El tratamiento con ozono soluciona el problema original, reduciendo también en gran numero los costes secundarios y otras consideraciones. A la vez que es un potente biocida, matando virus y bacterias infecciosas, el ozono ha demostrado tener un efecto positivo de reducción de los depósitos calcáreos. También y en gran medida reduce el nivel de agua purgada, junto con los costes unitarios de su eliminación debido a la naturaleza respetuosa con el medio ambiente del ozono. Al producirse el ozono insitu, además de estos ahorros se producen ahorros en la reducción de los costes de almacenaje y el manejo asociados de químicos. Este hecho simplifica el cumplimiento normativo de manera significante

Tabla de contenidos

El objetivo de esta página es proporcionar una visión general amplia de los fundamentos del tratamiento con agua de torres de refrigeración. Como se puede verse seguidamente, el ozono ofrece nuevas posibilidades que aumentan significativamente el rendimiento de las torre de refrigeración y facilita su funcionamiento.

  1. ¿Por qué usar un tratamiento de ozono?
  2. Potencial del tratamiento de ozono
  3. El mecanismo del ozono
  4. Efectos corrosivos bajos
  5. Datos de estudios de caso
  6. Parámetros importantes a considerar en este tratamiento
  7. Principales efectos contaminantes
  8. Tratamiento biológico - biocidas
  9. Ejemplos de biocidas
  10. Durezas y depositos del agua
  11. Ciclos de concentración
  12. Medición de los ciclos de concentración
  13. Seguimiento y ajuste de la concentración de minerales
  14. Dosificación de ozono y diseño del proceso
  15. Medición y regulación de demanda de ozono
  16. Materiales compatibles con el ozono
  17. Productos químicos compatibles con ozono

¿Por qué usar un tratamiento de ozono?

Mediante la implementación de un tratamiento de ozonización de agua para las torres de refrigeración, se pueden lograr tres tipos de ahorros debido a:

  • Cantidad reducida de agua purgada (reduciendose los costes del agua de enmascarado y la eliminación de residuos químicos).
  • Acumulación insignificante del desinfectante o los subproductos del desinfectante.
  • Desinfectante muy efectivo
  • No se requiere el manejo de químicos peligrosos debido a su producción insitu
  • Baja corrosión
  • Tratamiento respetuoso con el medio ambiente, facilitando el cumplimiento normativo

Para aquellos sitios que gestiona sus propias instalaciones de tratamiento de agua y aguas residuales, a continuación se enumeran algunos beneficios específicos:

  • Reducción de la potencia de bombeo para extraer y transportar agua desde el depósito hasta la instalación de tratamiento de agua debido a la disminución del consumo de agua de reposición
  • Reduccion de costes de productos químicos, filtrado y mantenimiento
  • Reducción de la potencia de bombeo para transportar el agua purgada para depuración
  • Reducción en la potencia de bombeado para el transporte de agua desde el punto de tratamiento de agua hasta el cliente final
  • Reducción de los costos de los permisos de descarga de agua tratada al medio ambiente

Potencial del tratamiento con ozono

Citamos la Alerta Tecnológica del Departamento Federal de Energía de los Estados Unidos sobre el tratamiento del ozono:

En un sistema correctamente instalado y operativo, los recuentos de bacterias se reducen, con la consiguiente reducción de la acumulación de biopelículass en las superficies del intercambiador de calor. La reducción de la demanda energética, la mayor eficiencia operativa, y el menor esfuerzo de mantenimiento generan ahorros en los costes, así como beneficios ambientales y un mejor cumplimiento normativo con respecto a la descarga de aguas residuales de la purga.

El mecanismo del ozono

El ozono inactiva y mata eficazmente microorganismos mediante la oxidación de sus constituyentes orgánicos, rompiendo la pared celular. Se trata de un proceso biocida al que los microbios no pueden volverse inmunes. Por ejemplo, una concentración de 0.4 mg/L mata al 100% al productor de biopelículas Pseudomonas fluorescens en tan sólo 2-3 minutos. Una concentración de 0.1 mg/L eliminará en torno al 80% de la biopelícula en 3 horas.La tecnología de ozono también presenta efectos beneficiosos sobre el tratamiento de depósitos calcáreos. Mediante la eliminación de la biopelícula a la cuál se adhieren estos depósitos, se pueden reducir significativamente los efectos de los depósitos calcáreos existentes cuando hay una biopelícula presente.

Bajos efectos corrosivos

Los efectos de corrosión suelen ser una preocupación común al emplear ozono. Sin embargo, debido a que se requiere una concentración muy baja y una vida media corta, los efectos corrosivos del ozono son bajos (pudiendo ser incluso la mitad de los generados por el tratamiento de cloración). Además, su eficacia como biocida reduce significativamente los efectos de corrosión inducidos por actividad microbiológica. El tratamiento con ozono ha demostrado también que se incrementa la protección frente a la corrosión al formar un capa pasiva que cubre y protégé la superficie expuesta.

Datos de estudios de caso

Los estudios de caso muestran que el precio normal llave en mano de un sistema de ozonización necesario para tratar 1000 toneladas (3.5 MW), oscila entre 40.000 a 50.000 dolares. En un estudio de caso (realizado por el Departamento de Energía de los EE.UU.) en el año 94 en una instalación de Lockheed Martin en Florida, el sistema de ozonización pudo instalarse en un día, resultando finalmente en una reducción del 90 % de los residuos y un ratio de ahorro de inversión (SIR) del 31,2 %. Además, se demostró que el temido esperado efecto de corrosión del uso de ozono fue sólo la mitad del resultante del tratamiento hecho con cloro. Seguidamente mostramos la comparativa de los costes de funcionamiento anuales de la fábrica Lockheed Martin

Producto Tratamiento químico, en dolares Tratamiento con ozono, en dolares
Operación eléctrica $0 $2,592
Productros químicos $18,613 $0
Mano de obra $9,360 $2,808
Transporte agua purgada $45,360 $4,536
Gas cloro $6,120 $0
Consumo energético $118,715 $47,479
Coste total/año $198,168 $57,415

 

Cost comparison for chemical and ozone treatment for cooling towers

Comparativa de precios entre el tratamiento con productos químicos y ozono.

Parámetros importantes a considerar cuando se utiliza el tratamiento de ozono

Los siguientes aspectos deberán ser considerados a la hora de diseñar, instalar, y utilizar métodos de ozonización:

  • Preparación del aire de entrada al generador de ozono. Para maximizar la vida útil y la capacidad del generador de ozono, se debe suministrar una alimentación de aire concentrado y seco.
  • Dosificación y capacidad adecuada del generador de ozono.
  • Eficiente refrigeración del generador de ozono. Esto es algo crítico para conseguir largos tiempos de vida y capacidad del generador.
  • Enfriamiento eficiente del generador de ozono. Este aspecto es crítico para lograr una vida util larga y capacidad del generador.
  • Más difícil de usar cuando se introducen altos niveles de COD en el agua provenientes de reposición o condiciones del aire local. Esto consume la mayor parte del ozono. Esta es la razón por ejemplo por la cual el tratamiento de ozono es más difícil en algunas plantas químicas y petroquímicas donde la materia orgánica es introducida al sistema desde el aire.
  • Una calidad de agua de reposición superior a 150 ppm de dureza de calcio puede requerir un filtro lateral. La dureza de calcio (CaCO3) superior a 500 ppm, o sulfatos por encima de 100 ppm no deberían considerarse para el tratamiento de ozono
  • Temperatura del agua. La temperatura del agua de enfriamiento no debe exceder los 45 grados centígrados para un tratamiento eficiente del ozono. Esto se debe principalmente a la baja solubilidad del ozono a temperaturas más altas
  • Sistemas de tuberías largas. Debido a la corta vida media, alrededor de 10 - 15 puntos de inyección múltiples pueden ser necesarios en torres de refrigeración de más de 400 m3
  • Utilice materiales compatibles con el ozono y controle la corrosión (por ejemplo, mediante “corrosion coupons” o tiras de metal pesadas y medidas previamente que evalúan la corrosión.

Principales efectos contaminantes

Como ya se ha mencionado, al hacer circular el agua de las torres de refrigeración se plantean cuatro problemas principales: corrosión, formación de depósitos calcáreos, bioincrustación, y crecimiento de patógenos.

Visual display of contaminant effects

Visualizacion de los efectos de los contaminantes

 Los cuatro principales efectos de los contaminantes, al igual que sus respectivos tratamiento, se describen brevemente en la tabla inferior:

Corrosión La corrosión generalmente aparece en aplicaciones que entran en contacto con el agua debido a reacciones de oxidación. Esto conduce a daños estructurales y en el equipo que afectan el rendimiento y la vida útil del proceso. La adición de productos químicos corrosivos mejora estos efectos.
>Tratamiento Aunque es posible controlar la corrosión, es básicamente imposible evitarla por completo. Una vez más, diferentes calidades de agua de reposición requieren diferentes tratamientos. Sin embargo, es importante tener en cuenta que los efectos de la corrosión son severos cuando se utiliza agua de reposición blanda o ablandada.
Depósitos calcáreos o incrustaciones La formación de incrustaciones de cal conduce a dos problemas principales, a saber, la obstrucción del flujo de fluido y la disminución significativa de la eficiencia de la transferencia de calor. La conductividad del cobre, por ejemplo, es más de 400 veces mayor que la del carbonato de calcio. Por ejemplo, una capa de 1,5 mil o 0,025 mm de carbonato de calcio disminuye la eficiencia de transferencia de calor en aproximadamente un 12,5%.
>Tratamiento La descamación se trata utilizando diferentes enfoques. Los productos químicos de inhibición de incrustaciones pueden utilizarse tanto para adsorber minerales en cristales en crecimiento como para convertir iones formadores de incrustaciones en compuestos formadores de incrustaciones no incrustadas. Otro enfoque consiste en reducir el pH mediante la adición de ácido, lo que disuelve la cal. Por último, los efectos de descamación también se pueden mitigar añadiendo agua suavizada.
Bioincrustación Las bioincrustaciones muestra efectos negativos similares a los de la incrustación, pero con una conductividad aún menor que la del carbonato de calcio. Por lo tanto, es importante gestionar la calidad del agua tanto con respecto al contenido mineral como a los microorganismos.
>Tratamiento Biocidas oxidantes y no oxidantes (ver descripción a continuación).
Patógenos Los brotes patógenos en los circuitos de agua de refrigeración son un problema común que lleva al riesgo de infección en las proximidades de la instalación de refrigeración. Los patógenos pueden ser transportados al entorno junto con la corriente de evaporación. En 2004 se notificó un brote de Legionella en Pas-de-Calais, Francia, donde se encontraron bacterias hasta a 6 km de una torre de enfriamiento, que fue la fuente del brote. El brote mató a 21 de 86 personas con infección confirmada por el laboratorio.
>Treatment Biocidas oxidantes y no oxidantes (ver descripción más abajo).

Tratamiento biológico - biocidas

La función biocida es muy importante en el sistema de torres de refrigeración debido a que está expuesto continuamente a materiales orgánico y organismos transportados por el aire. Los biocidas para el control del crecimiento microbiológico (para prevenir tanto la bioincrustación como los patógenos) pueden dividirse en dos tipos, concretamente en biocidas oxidantes o no-oxidantes

Biocidas oxidantes

En general, los biocidas oxidantes han demostrado ser desinfectantes eficaces que oxidan y por tanto matan a los microorganismos rápidamente en bajas dósis. Las desventajas generales de algunos de estos compuestos incluyen: reducción del nivel pH, incremento de la corrosión, y sensibilidad a alteraciones del pH. El ozono es un biocida oxidante con insignificantes efectos negativos cuando se manipula profesionalmente.

Biocidas no oxidantes

Los biocidas no oxidantes funcionan generando tensión en los microbios e interfiriendo con sus mecanismos metabólicos, lo que eventualmente los desactiva. Por esto, puede ser que algunos microorganismos desarrollen resistencia hacia agentes no oxidantes, dando lugar a la sustitución de un tipo de microbio por otro. Por tanto, los agentes no oxidantes deberían ser usados en combinación con otro agente no oxidante u oxidante. Además, los biocidas no oxidantes requieren generalmente una dosificación mayor, largo tiempo de contacto, y son relativamente caros. Lo que funciona a su favor es su capacidad para atacar tipos específicos de microbios, así como sus propiedades anticorrosivas.

Ejemplos de biocidas

En la tabla inferior se presentan ejemplos de biocidas oxidantes y no oxidantes que han sido o son en la actualidad usados para el control del crecimiento microbiano.

Biocidas oxidantes Biocidas no oxidantes
  • Bromo electrolítico
  • Bromo estabilizado
  • Hidantoína
  • Dióxido de cloro
  • Hipoclorito
  • Cloro
  • Bromuro
  • Ozono
  • Hidroximetil nitro (Trisnitro)
  • Bistiocianato de metileno
  • Cuats (cationes de amonio cuaternario) y Polyquats
  • Estaño de cuarzo-bistributilo
  • Carbamatos
  • Isothiazolin
  • Glutaraldehído
  • Dibromo nitrilo propionamida (DBNPA)

Cloruro de benzalconio, tambien llamado "quat".

Dureza y depósitos del agua

Calcium carbonate equilibrium reaction

Reacción de equilibrio del carbonato cálcico

Como resultado de reacciones de equilibrio como la anterior, un mayor contenido de minerales disueltos conducirá a una mayor formación de sales minerales sólidas, o expresadas de otra manera, a la formación de incrustaciones.

Limescale (calcium carbonate) deposit

Depósito de una incrustación de cal (carbonato cálcico)

Una segunda via para la acumulación de depósitos es la deposición mineral biológica sobre biopelículas. Estas han demostrado funcionar como adherentes para microcristales minerales. De esta manera, la formación de biopelículas también propicia el crecimiento de depósitos.

Ciclos de concentración

Una cuestión general relacionada con el funcionamiento de las torres de refrigeración es la acumulación de concentración de mineral disuelto. De manera resumida, esta acumulación es causada cuando el agua de refrigeración se evapora y la concentración mineral se mantiene en la solución. Cuando el contenido mineral supera el nivel de solubilidad, se produce la precipitación de los minerales. Esto a su vez conduce a una acumulación gradual de depósitos calcáreos. Para controlar el contenido mineral, una porción de la corriente de refrigerante se purga y se reemplaza por una fuente de agua de reposición fresca. Además, se emplean químicos inhibidores de incrustaciones para incrementar la solubilidad de los minerales y permitir concentraciones minerales más altas. Esto disminuye la necesidad de agua de reposición, pero no la elimina.

El término “ciclo de concentración” se emplea para determinar la concentración mineral del agua de refrigeración en relación a la concentración de agua de reposición bruta. Por ejemplo, si la concentración de agua de refrigeración es cuatro veces mayor que la concentración de la corriente de reposición, los ciclos de concentración son cuatro. En otras palabras, es una medida relativa de la concentración mineral en el agua de refrigeración.

La tabla inferior muestra claramente los beneficios en términos de coste de emplear altos ciclos de concentración. También muestra el efecto de disminuir las vueltas, especialmente para más de 5 ciclos. Es importante también hacer notar que si el contenido mineral inicial del agua de reposicion es alto, se pueden utilizar ciclos más bajos.

Ciclos

Purga (m3/dia)

Enmascarado (m3/dia)

Coste annual de agua*

% Reducción del coste del agua

% Reducción del coste del inhibidor

1.5

163.53

245.29

$70,956

0

0

3

40.88

122.65

$35,478

50.0

75.0

5

20.44

102.21

$29,565

58.3

87.5

8

11.68

93.45

$27,031

61.9

92.8

10

9.08

90.85

$26,280

62.9

94.4

* En base a un coste de agua de $3.00 por 1000 galones

Medición de los ciclos de concentración

Los ciclos de concentración pueden medirse ya sea químicamente o realizando un balance de masa sobre el sistema. La medición química se puede realizar de acuerdo con la siguiente fórmula:

Cycles of concentration formula

Fórmula de ciclos de concentración

La medición del ciclo también se puede llevar a cabo usando el balance de masa de acuerdo a:

Cycles of concentration formula for mass balance

Fórmula de ciclos de concentración para el balance de masa

Donde: 

Bleed and makeup equation

Seguimiento y ajuste de la concentración de minerales

Resulta esencial determinar la concentración máxima permitida de minerales antes de que ocurra la deposición. Este valor se utilizará luego para ajustar el ritmo de purgado para establecer la cantidad máxima de ciclos.

El índice de saturacion de Langelier (LSI)

El LSI utiliza la concentración de calcio, la alcalinidad, la conductividad (en TDS) y la temperatura del agua para determinar el pH máximo de estabilización del calcio. El tratamiento químico es luego usado para incrementar la solubilidad del carbonato cálcico y poder alcanzar ciclos más altos. De esta manera, utilizando un programa de tratamiento químico, un LSI de aproximadamente +3 puede alcanzarse sin depósitos significativos, y entonces el LSI es controlado por la cantidad de purga del sistema.

Indice de control de los depostios (POSI)

El índice POSI fue desarrollado por Pryor y Fischer en 1993 para el seguimiento y control de la formación de depósitos calcáreos cuando se utiliza el tratamiento con ozono. Brinda la máxima conductividad de funcionamiento de la torre de refrigeración para evitar la formación de depositos, y tiene en cuenta la cantidad reducida de calcio disuelto (mediante ozonización). El índice se explica en la fórmula inferior:

Practical Ozone Scaling Index (POSI)

Indice POSI

Ejemplo POSI

Para aclarar mejor cómo se puede utilizar el índice POSI, en la tabla siguiente se da un ejemplo de la calidad del agua de reposición y se calcula el POSI:

Parámetro

Valor

Unidad

pH

8.4

 

Conductividad

130

µS

Dureza del calcio

30

ppm CaCO3

Dureza del magnesio

10

ppm CaCO3

Sodio

10

ppm Na

Cloro

7

ppm Cl

Alcalinidad total

39

ppm CaCO3

Temperatura

13

⁰C

 Lo que nos da:

POSI example

En otras palabras, al aplicar el tratamiento de ozono a esta agua de reposición, la conductividad máxima puede alcanzar un valor justo por debajo de 3000 µS para evitar la formación de incrustaciones. Esto permite que el proceso se ejecute a casi 23 ciclos. Un programa químico para la misma calidad del agua de reposición.

Dosificación de ozono y diseño del proceso

En la siguiente sección se presentan algunas relaciones matemáticas simplificadas para la estimación del diseño de los equipos de ozonización. La cantidad de ozono necesaria se basa en la velocidad de recirculación del agua de la torre de enfriamiento. La velocidad de recirculación puede obtenerse del volumen del sistema y del período de rotación:

Cooling tower circulation rate

Velocidad de circulación de la torre de refrigeración

En la tabla inferior se enumeran los valores típicos recomendados para concentraciones de ozono requeridas para diferentes secciones de la torre de refrigeración:

Sección del proceso

Rango de valor recomendado [ppm]

Lavabo de la torre de enfriamiento

0.025 – 0.250

Entrada de la bomba de recirculación

0.075 – 0.150

Entrada del intercambiador de calor

0.040 – 0.080

Línea de retorno a la torre

0.010 – 0.040

 Una ozonización de en torno a 0.2 ppm es normalmente proporcionada a una corriente lateral del flujo principal. El equipo de contacto permite una eficacia de disolución del ozono generado de aproximadamente el 90 %. Sin embargo, una eficiencia de disolución del 80 % puede utilizarse para proporcionar un margen adicional. Además, la capacidad del generador de ozono disminuye con el tiempo. Por tanto, puede utilizarse una disminución en la capacidad del 10 % a lo largo del curso de dos años (tambien para el margen extra). Para estimar la capacidad de producción de ozono requerida “ṁO3" del generador se puede utilizar la siguiente fórmula:

Ozone mass flow rate

Caudal másico de ozono

Así, por ejemplo, un volumen de sistema de 500 m3 y un período de rotación de 30 minutos requiere un sistema de ozonización con una capacidad de unos 280 g/h. Tenga en cuenta que los requisitos de dosificación deben ajustarse con respecto a factores importantes como, por ejemplo, la temperatura y la calidad del agua para una eficacia óptima. Además, la dosificación de ozono no debe superar los 10 g/m3 de agua de reposición

Medición y regulación de la demanda de ozono

Las mediciones de ORP (Potencial de Oxidación-Reducción) deben realizarse continuamente para proporcionar una dosificación adecuada de ozono al sistema. Tenga en cuenta que las sondas ORP son propensas a ensuciarse, por ejemplo por los niveles de carbonato de calcio. Aunque la limpieza sea simple, esta resulta esencial. De esta manera se genera un exceso de ozono lo que resulta en un ahorro de energía y la eliminación de los efectos corrosivos del exceso de ozono.

Materiales compatibles con el ozono

A continuación se enumeran los materiales que se consideran adecuados para los procesos de ozonización:

   

Tuberías:

Acero inoxidable 316

Teflon/PTFE

Kynar/PVDF

Depósitos:

Acero inoxidable 316 (las soldaduras deben rectificarse internamente)

Juntas:

Teflon/PTFE

FPM/Viton

 Productos químicos compatibles con el ozono

Dependiendo de la calidad del agua y del tipo de proceso, en algunos casos podría ser beneficioso en cierta medida usar productos químicos junto con el ozono. Sin embargo, es importante no interferir con la integridad del programa de tratamiento, así como utilizar únicamente productos químicos que mantengan su función y estabilidad en combinación con el ozono. A continuación se enumeran ejemplos de productos químicos que han demostrado ser compatibles con el ozono:

  • PBTC, inhibidor de incrustaciones y corrosión.
  • Molibdato, inhibidor de corrosión para agua blanda.
  • Silicato, inhibidor de la corrosión a concentraciones de calcio <200 ppm.
  • TTA / BTA, protección de aleación de cobre y latón.
  • Productos químicos a base de zinc, inhibidores de corrosión.

Ozone tech