Les applications industrielles lourdes telles que la fabrication, le traitement chimique et le raffinage du pétrole et du gaz utilisent des tours de refroidissement et d'autres équipements pour refroidir l'eau essentielle à leurs opérations. Alors que les réglementations environnementales et les conditions de marché difficiles imposent des exigences plus élevées à ces industries, des technologies de refroidissement améliorées émergent pour aider à relever ces défis.
Dans l’industrie pétrolière et gazière, de nombreuses tours de refroidissement actuellement en service ont été construites dans le cadre de la construction initiale de la raffinerie, et elles approchent rapidement de la fin de leur durée de vie. Afin de répondre aux demandes de production modernes et aux exigences de l'industrie, ces tours doivent être améliorées ou remplacées par des produits plus efficaces, et de meilleurs plans de maintenance à long terme doivent être institués.
Fonctionnement et types de tours de refroidissement
Les tours de refroidissement sont des échangeurs de chaleur spécialisés qui réduisent la température de l'eau en la mettant en contact avec l'air. L'eau, chauffée par un processus industriel, est pompée vers la tour de refroidissement par des tuyaux. L'eau est pulvérisée à travers des buses sur des banques de matériau de transfert de chaleur appelé remplissage, ce qui ralentit le flux d'eau à travers la tour de refroidissement et expose autant de surface d'eau que possible pour un contact air-eau maximal. Lorsque l'eau circule dans la tour de refroidissement, elle est également exposée à l'air qui est aspiré à travers la tour par un ventilateur entraîné par un moteur électrique.
Lorsque l’eau et l’air se rencontrent, une petite quantité d’eau s’évapore, créant une action de refroidissement. L'eau refroidie est ensuite pompée vers l'équipement de traitement, où elle absorbe la chaleur. Il sera ensuite pompé vers la tour de refroidissement pour être à nouveau refroidi.
Différents types de tours de refroidissement sont adaptés à différents besoins de refroidissement industriel. Les tours érigées sur site (FEP) sont construites sur site, conçues pour des charges thermiques importantes et conçues pour répondre à une application spécifique.
Tours érigées sur le terrain sont bien adaptés aux utilisations énergétiques et industrielles lourdes, et on les trouve fréquemment dans les raffineries et les usines de traitement chimique.
Tours assemblées en usine (FAP) sont construits en modules dans une usine de fabrication, puis expédiés à l'usine de transformation en aussi peu de pièces que possible pour l'assemblage final. Les tours assemblées en usine sont disponibles dans de nombreuses capacités de refroidissement et tailles de boîtier, et comprennent des composants mécaniques et structurels standardisés.
Pour les raffineries et les usines de traitement chimique, les tours de refroidissement humides à circuit ouvert — couplées à des échangeurs de chaleur à calandre ou à plaques et châssis — constituent une méthode économique pour rejeter la chaleur. Ces tours sont conçues pour mouiller la température du bulbe et peuvent refroidir l’eau à une température plus basse que certaines autres technologies. Mais les raffineries et les usines de transformation emploient également d’autres méthodes pour réaliser le refroidissement.
Échangeurs de chaleur refroidis par air
Les tours de refroidissement par évaporation telles que celles décrites ci-dessus utilisent un remplissage de transfert de chaleur pour distribuer efficacement l'eau chaude de traitement et augmenter sa surface pour un refroidissement plus efficace. Le compromis est que de nombreux types de remplissage nécessitent de l’eau relativement propre pour fonctionner efficacement. Une eau de moindre qualité contenant des particules et des débris obstruera le remplissage et réduira les performances.
Dans les situations où l’eau est rare, indisponible ou coûteuse, les échangeurs de chaleur refroidis par air constituent une technologie de refroidissement alternative. Les échangeurs de chaleur refroidis par air sont conçus pour gérer les charges thermiques élevées courantes dans les processus pétroliers, gaziers et chimiques, nécessitent un entretien peu fréquent et n'évaporent pas d'eau pour le refroidissement.
Les échangeurs de chaleur refroidis par air utilisent uniquement le flux d'air pour refroidir les produits d'hydrocarbures et autres fluides dans les tubes. Le fluide de traitement chaud provenant de l'usine s'écoule à travers les tubes à ailettes tandis que l'air de refroidissement circule à travers eux. Les échangeurs de chaleur refroidis par air fonctionnent bien pour les applications d'hydrocarbures à température plus élevée. Ces échangeurs de chaleur sont utilisés par l'industrie pétrolière et gazière car aucun entretien de l'eau ou de la chimie de l'eau n'est requis et ils ne créent pas le panache de vapeur des tours d'évaporation. Cependant, comme ils sont conçus pour résister à la température du bulbe sec, ils ne peuvent pas refroidir l'eau ou traiter les fluides à des températures aussi basses que les tours de refroidissement humides.
D'autres échangeurs de chaleur spécialisés tels que les condenseurs évaporatifs et les refroidisseurs de fluides en circuit fermé sont également utilisés pour refroidir les processus et les fluides dans les usines chimiques.
Les défis du pétrole et du gaz
Dans les raffineries de pétrole et de gaz, les équipements industriels sont souvent recouverts d'eau courante pour refroidir les fluides et absorber la chaleur du processus. Cet équipement génère une charge thermique importante qui peut perturber les opérations s'il n'est pas correctement manipulé. Des tours de refroidissement sont utilisées pour refroidir cette eau de procédé en vue de sa réutilisation. Les tours doivent être capables de supporter la charge thermique ainsi que tout problème propre à l’industrie. Des fuites dans le processus peuvent entraîner une contamination de l'eau de refroidissement par des hydrocarbures et vice versa. De l’eau non potable de moindre qualité est souvent utilisée pour refroidir les processus des usines. Le respect des réglementations environnementales limitant les hydrocarbures, la consommation d’eau et les taux de dérive présente des défis pour les exploitants d’usines. Les nouvelles réglementations industrielles exigent souvent que les tours de refroidissement abaissent le taux de dérive à 0,0005 % du débit d'eau en circulation, ce qui peut être difficile à réaliser dans les anciennes tours de refroidissement par évaporation. De nombreuses tours de refroidissement actuellement utilisées ne sont pas équipées pour répondre à ces demandes.
Il y a quelques décennies, les tours érigées sur le terrain utilisaient couramment des éléments de structure en bois. Ces tours de refroidissement arrivent en fin de vie, connaissent des pannes mécaniques, nécessitent une maintenance imprévue qui interfère avec la production et impacte la productivité des installations. Le remplissage de transfert de chaleur dans les tours se dégrade également avec le temps, se bouchant par les déchets provenant de l'eau de refroidissement sale et se décomposant sous le poids des débris.
Une bonne partie de l’industrie a besoin de nouvelles tours et de meilleurs plans de maintenance à long terme. « De nombreuses tours de refroidissement existantes sont soit vieillissantes, soit souffrent d'un manque d'entretien », explique Alan Christian, président de Christian Power Equipment Inc., une entreprise spécialisée dans les équipements destinés à l'énergie, aux procédés et au contrôle de la pollution. "C'est suffisamment important pour que je puisse appeler cela une tendance [dans l'industrie]."
Remplacement des vieilles tours
Remplacer les tours de refroidissement en bois vieillissantes est une entreprise difficile. Parce qu'ils font partie intégrante du processus de production, la maintenance, la réparation et le remplacement doivent être effectués dans de courtes périodes d'arrêt programmées. Certains remplacements sont effectués une cellule de refroidissement à la fois, permettant à l'usine de continuer à fonctionner — une pratique connue sous le nom de construction en ligne. La location d'équipements de refroidissement temporaires est souvent nécessaire.
Afin de lutter contre les défis logistiques de remplacement et les coûts élevés, les fabricants de tours de refroidissement proposent des tours montées sur site et assemblées en usine. Les raffineries et les usines chimiques peuvent remplacer les vieilles tours détériorées par des tours modulaires érigées sur site ou des tours pré-assemblées spécifiques au projet et au site.
« Beaucoup de ces raffineries ont été établies entre 1950 et 1970, lorsque les tours d'origine ont été construites. Ils ont construit les raffineries autour [des tours] », explique Pam McLaughlin, ingénieure commerciale chez Hastik-Baymont Inc., une entreprise spécialisée dans les produits d'ingénierie. solutions d'équipement pour les industries pétrolières et gazières et de transformation. « La plupart des endroits, à moins qu'il ne s'agisse de nouvelles raffineries de base, ne disposent pas de beaucoup d'espace de stockage pour effectuer des réparations ou des remplacements de tours sur un bassin déjà érigé. Il n'y a tout simplement pas beaucoup d'espace disponible.
Solutions érigées sur le terrain : Pour répondre à ces contraintes, certains fabricants ont modularisé les processus de production et d'assemblage sur site des tours à contre-courant érigées sur site. Souvent, les tours de refroidissement modulaires se montent plus rapidement et nécessitent moins de surface de stockage sur site par rapport aux méthodes de construction de tours traditionnelles, tout en offrant les mêmes capacités pour faire face à des charges thermiques importantes. Les composants modulaires peuvent être expédiés « juste à temps » sur le chantier, réduisant ainsi la durée de la construction et les besoins en main-d'œuvre. Les processus d'assemblage sont sûrs et les modules uniformes assemblés en usine garantissent une qualité de produit constante.
Considérations sur les tours assemblées en usine : Les tours de refroidissement assemblées en usine constituent une alternative viable pour les applications pétrolières et gazières. Ils offrent une livraison et une installation rapides et une plus grande flexibilité de placement sur site. Ils permettent également des pannes plus courtes et une perte de temps de production. En cas d'expansion, des cellules supplémentaires peuvent être ajoutées pour fournir une plus grande capacité de refroidissement. Les tours de refroidissement assemblées en usine et conçues pour les applications de traitement sont disponibles dans des conceptions à contre-courant ou à flux transversal et comprennent des composants structurels de gros calibre et résistants à la corrosion et des transmissions mécaniques conçues pour une fiabilité et une longue durée de vie.
En conclusion, alors que les exigences environnementales et du marché exercent une pression sur les raffineries de pétrole et de gaz et les usines de traitement chimique, elles doivent prendre des mesures pour garantir que leurs installations et équipements sont modernes et efficaces. Les anciens systèmes de refroidissement détériorés doivent être remplacés par de nouvelles technologies, fabriquées avec des matériaux et des composants durables, soutenues par des fabricants réputés et soutenues par des ingénieurs et des techniciens de service compétents. Les systèmes de refroidissement doivent également faire partie de programmes complets de surveillance et de maintenance qui prolongent la durée de vie rentable de l'équipement et alertent les usines des problèmes potentiels avant qu'une crise ne survienne.
