Le applicazioni industriali pesanti come l'industria manifatturiera, la lavorazione chimica e la raffinazione di petrolio e gas utilizzano torri di raffreddamento e altre apparecchiature per raffreddare l'acqua utilizzata nelle loro operazioni. Poiché le normative ambientali e le difficili condizioni di mercato impongono requisiti sempre più elevati a questi settori, stanno emergendo tecnologie di raffreddamento migliorate per aiutare ad affrontare le sfide.
Nel settore del petrolio e del gas, molte torri di raffreddamento attualmente in servizio sono state costruite come parte della costruzione originale della raffineria e si stanno rapidamente avvicinando alla fine della loro vita utile. Per soddisfare le moderne richieste di produzione e i requisiti del settore, queste torri devono essere aggiornate o sostituite con prodotti più efficienti e devono essere istituiti migliori piani di manutenzione a lungo termine.
Funzionamento e tipi di torri di raffreddamento
Le torri di raffreddamento sono scambiatori di calore specializzati che riducono la temperatura dell'acqua mettendola a contatto con l'aria. L'acqua, riscaldata mediante un processo industriale, viene pompata nella torre di raffreddamento attraverso tubi. L'acqua viene spruzzata attraverso gli ugelli su banchi di materiale di trasferimento del calore chiamati riempimento, che rallenta il flusso dell'acqua attraverso la torre di raffreddamento ed espone quanta più superficie possibile dell'acqua per il massimo contatto aria-acqua. Mentre l'acqua scorre attraverso la torre di raffreddamento, è esposta anche all'aria che viene aspirata attraverso la torre da un ventilatore azionato da un motore elettrico.
Quando l'acqua e l'aria si incontrano, una piccola quantità di acqua evapora, creando un'azione di raffreddamento. L'acqua raffreddata viene quindi pompata nuovamente nell'apparecchiatura di processo, dove assorbe calore. Verrà quindi pompato nuovamente nella torre di raffreddamento per essere nuovamente raffreddato.
Diversi tipi di torri di raffreddamento sono adatti alle diverse esigenze di raffreddamento industriale. Le torri costruite sul campo (FEP) sono costruite in loco, progettate per grandi carichi termici e progettate per soddisfare l'applicazione specifica.
Torri erette sul campo sono adatti per l'energia e gli usi industriali pesanti e si trovano spesso nelle raffinerie e negli impianti di lavorazione chimica.
Torri assemblate in fabbrica (FAP) vengono costruiti in moduli presso un impianto di produzione e poi spediti all'impianto di lavorazione nel minor numero di pezzi possibile per l'assemblaggio finale. Le torri assemblate in fabbrica sono disponibili con diverse capacità di raffreddamento e dimensioni dei contenitori e includono componenti meccanici e strutturali standardizzati.
Per le raffinerie e gli impianti di lavorazione chimica, le torri di raffreddamento a circuito aperto, abbinate a scambiatori di calore a fascio tubiero o a piastre e telaio, forniscono un metodo economico per respingere il calore. Queste torri sono progettate per la temperatura del bulbo umido e possono raffreddare l'acqua a una temperatura inferiore rispetto ad altre tecnologie. Ma le raffinerie e gli impianti di lavorazione impiegano anche altri metodi per ottenere il raffreddamento.
Scambiatori di calore raffreddati ad aria
Le torri di raffreddamento evaporative come quelle sopra descritte utilizzano il riempimento di trasferimento di calore per distribuire efficacemente l'acqua calda di processo e aumentarne la superficie per un raffreddamento più efficiente. Il compromesso è che molti tipi di riempimento richiedono acqua relativamente pulita per funzionare in modo efficace. Acqua di qualità inferiore contenente particelle e detriti ostruirà il riempimento e ridurrà le prestazioni.
Per le situazioni in cui l'acqua è scarsa, non disponibile o costosa, gli scambiatori di calore raffreddati ad aria rappresentano una tecnologia di raffreddamento alternativa. Gli scambiatori di calore raffreddati ad aria sono costruiti per gestire gli elevati carichi termici comuni nei processi chimici e petroliferi, richiedono una manutenzione poco frequente e non fanno evaporare l'acqua per il raffreddamento.
Gli scambiatori di calore raffreddati ad aria utilizzano solo il flusso d'aria per raffreddare i prodotti di idrocarburi e altri fluidi nei tubi. Il fluido di processo caldo proveniente dall'impianto scorre attraverso i tubi alettati mentre l'aria di raffreddamento scorre attraverso di essi. Gli scambiatori di calore raffreddati ad aria funzionano bene per applicazioni con idrocarburi a temperature più elevate. Questi scambiatori di calore vengono utilizzati nell'industria petrolifera e del gas perché non è richiesta la manutenzione dell'acqua o dei prodotti chimici dell'acqua e non creano il pennacchio di vapore delle torri evaporative. Tuttavia, poiché sono progettati per la temperatura del bulbo secco, non possono raffreddare l'acqua o trattare fluidi a temperature così basse come le torri di raffreddamento a umido.
Altri scambiatori di calore specializzati, come condensatori evaporativi e raffreddatori di fluidi a circuito chiuso, vengono utilizzati anche per raffreddare processi e fluidi negli impianti chimici.
Le sfide per il petrolio e il gas
Nelle raffinerie di petrolio e gas, le apparecchiature industriali sono spesso rivestite o rivestite con acqua corrente per raffreddare i fluidi e assorbire il calore del processo. Questa apparecchiatura genera un notevole carico termico che può interrompere le operazioni se non gestita correttamente. Le torri di raffreddamento vengono utilizzate per raffreddare l'acqua di processo per il riutilizzo. Le torri devono essere in grado di gestire il carico termico e qualsiasi problema specifico del settore. Perdite nel processo possono causare la contaminazione dell'acqua di raffreddamento da parte degli idrocarburi e viceversa. Per raffreddare i processi vegetali viene spesso utilizzata acqua non potabile e di qualità inferiore. Il rispetto delle normative ambientali che limitano gli idrocarburi, l’utilizzo dell’acqua e i tassi di deriva rappresenta una sfida per gli operatori degli impianti. Le nuove normative di settore spesso richiedono che le torri di raffreddamento riducano il tasso di deriva allo 0,0005% del flusso di acqua circolante, cosa che può essere difficile da ottenere nelle torri di raffreddamento evaporative più vecchie. Molte torri di raffreddamento attualmente in uso non sono attrezzate per gestire queste esigenze.
Alcuni decenni fa, le torri erette sul campo utilizzavano comunemente elementi strutturali in legno. Queste torri di raffreddamento stanno giungendo al termine della loro vita utile, subendo guasti meccanici, richiedendo una manutenzione non pianificata che interferisce con la produzione e incide sulla produttività della struttura. Anche il materiale di scambio termico nelle torri si degrada nel tempo, intasando i rifiuti derivanti dall'acqua di raffreddamento sporca e rompendosi a causa del peso dei detriti.
Una buona parte del settore ha bisogno di nuove torri e di migliori piani di manutenzione a lungo termine. "Molte delle torri di raffreddamento esistenti stanno invecchiando o soffrono per la mancanza di un'adeguata manutenzione", afferma Alan Christian, presidente di Christian Power Equipment Inc., un'azienda specializzata in apparecchiature per l'energia, i processi e il controllo dell'inquinamento. "È abbastanza significativo da poterlo definire una tendenza [nel settore]."
Sostituzione delle vecchie torri
Sostituire le vecchie torri di raffreddamento in legno è un’impresa impegnativa. Poiché sono parte integrante del processo di produzione, la manutenzione, la riparazione e la sostituzione devono essere eseguite entro brevi periodi di interruzione programmata. Alcune sostituzioni vengono effettuate una cella di raffreddamento alla volta, consentendo all’impianto di continuare a funzionare, una pratica nota come costruzione online. Spesso è necessario noleggiare apparecchiature di raffreddamento temporanee.
Per far fronte alle sfide logistiche di sostituzione e ai costi elevati, i produttori di torri di raffreddamento offrono sia torri montate sul campo che assemblate in fabbrica. Le raffinerie e gli impianti chimici possono sostituire le vecchie torri in deterioramento con torri modulari erette sul campo o torri preassemblate specifiche per progetto e sito.
"Molte di queste raffinerie furono fondate tra il 1950 e il 1970, quando furono costruite le torri originali. Costruirono le raffinerie attorno [alle torri]", afferma Pam McLaughlin, ingegnere commerciale presso Hastik-Baymont Inc., un'azienda specializzata in ingegneria soluzioni di apparecchiature per l'industria petrolifera e del gas e di processo. “La maggior parte dei luoghi, a meno che non si tratti di nuove raffinerie di base, non hanno molta area di appoggio per effettuare riparazioni o sostituzioni di torri su un bacino già costruito. Semplicemente non c'è molto spazio disponibile."
Soluzioni montate sul campo: Per superare questi vincoli, alcuni produttori hanno modularizzato i processi di produzione e assemblaggio sul campo per torri controcorrente montate sul campo. Spesso, le torri di raffreddamento modulari si montano più velocemente e richiedono meno area di posa rispetto ai metodi tradizionali di costruzione delle torri, offrendo allo stesso tempo le stesse capacità di tenere il passo con grandi carichi termici. I componenti modulari possono essere spediti “just in time” al cantiere, riducendo la durata della costruzione e il fabbisogno di manodopera. I processi di assemblaggio sono sicuri e i moduli uniformi assemblati in fabbrica garantiscono una qualità del prodotto costante.
Considerazioni sulle torri assemblate in fabbrica: Le torri di raffreddamento assemblate in fabbrica rappresentano una valida alternativa per le applicazioni nel settore del petrolio e del gas. Offrono consegna e installazione rapide e maggiore flessibilità nel posizionamento del sito. Consentono inoltre interruzioni più brevi e perdite di tempo di produzione. In caso di espansione, è possibile aggiungere ulteriori celle per fornire maggiore capacità di raffreddamento. Le torri di raffreddamento assemblate in fabbrica progettate per applicazioni di processo sono disponibili con design a flusso controcorrente o tangenziale e includono componenti strutturali di grosso spessore e resistenti alla corrosione e treni di trasmissione meccanici costruiti per affidabilità e lunga durata.
In conclusione, poiché le esigenze ambientali e di mercato mettono sotto pressione le raffinerie di petrolio e gas e gli impianti di lavorazione chimica, questi ultimi devono adottare misure per garantire che le loro strutture e attrezzature siano moderne ed efficienti. I vecchi sistemi di raffreddamento deteriorati devono essere sostituiti da nuove tecnologie, realizzate con materiali e componenti durevoli, supportate da produttori affidabili e supportati da ingegneri e tecnici dell'assistenza competenti. I sistemi di raffreddamento devono inoltre far parte di programmi completi di monitoraggio e manutenzione che estendono la vita utile delle apparecchiature e avvisano gli impianti di potenziali problemi prima che si verifichi una crisi.
