Torres de refrigeración

Detenga el desarrollo biológico en las torres de refrigeración mientras reduce el uso de productos químicos, agua y energía

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 usuario 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, conocidos 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, incurriéndose en costes extras por estas aguas residuales.

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 in situ, 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

¿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 los siguientes motivos:

El aumento de la eficiencia de la refrigeración (la reducción del consumo de energía)
Cantidad reducida de agua purgada (se reducen los costes del agua de enmascarado y la eliminación de residuos químicos).
Costos de mantenimiento reducidos. El costo de mantenimiento del sistema de ozono es mínimo
Acumulación insignificante del desinfectante o los subproductos del desinfectante.
Desinfectante muy efectivo
No se requiere el manejo de químicos peligrosos debido a su producción in situ
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
Reducción 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 bombeo 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 biopelículas 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 neutraliza al 100% las biopelículas Pseudomonas fluorescens en tan solo 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 llave en mano normal de un sistema de ozonización necesario para tratar 1000 toneladas (3.5 MW) oscila entre 40.000 a 50.000 dólares. En un estudio de caso (realizado por el Departamento de Energía de los EE.UU.), en el año 1994 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 por sus siglas en inglés) 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

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

Parámetros importantes a considerar cuando se utiliza el tratamiento de ozono

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 adecuadas del generador de ozono.
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 proveniente 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 ºC 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.

Ejemplo de efecto de los contaminantes

Los cuatro principales efectos de los contaminantes, al igual que sus respectivos tratamiento, se describen en breve 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 métodos. 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 método 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

El problema de los depósitos o incrustaciones se debe esencialmente a la acumulación de concentración minerales, o en otras palabras, al incremento en la dureza del agua. Los cationes polivalentes, principalmente Ca²⁺ y Mg²⁺, y los carbonatos son las principales fuentes de dureza del agua. Una de las vías más importantes para la acumulación de estos depósitos se expresa a continuación en la siguiente reacción de equilibrio químico:

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.

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 reposición es alto, se pueden utilizar ciclos más bajos.

Cycles	Bleed (m³/day)	Makeup (m³/day)	Annual water cost*	% Reduction water cost	% Reduction inhibitor cost
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

* Based on a water cost of $3.00 per 1000 gallons

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:

Fórmula de ciclos de concentración

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

Fórmula de ciclos de concentración para el balance de masa

Donde:

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 saturación 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 depósitos (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:

Indice de control de los depósitos (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

Which gives:

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:

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 lo 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:

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 Potencial de Oxidación-Reducción (POR) deben realizarse continuamente para proporcionar una dosificación adecuada de ozono al sistema. Tenga en cuenta que las sondas POR 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.