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?

Potencial del tratamiento con ozono

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

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:

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:

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.

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

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.

Medición de los ciclos de concentración

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.

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:

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:

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.

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:

 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.