Chlorine Doxide, why is it a better biocide?

Why is CLO2 a better biocide? Watch this video to learn the benefits. View full article →

The Role of Organophosphates in Cooling Water Treatment

Cooling Water is used in large industries to remove unwanted process heat with the help of heat exchangers, condensers. Due to the continuous contact of water with the metallic surface corrosion, scale, deposition & fouling of the heat transfer surfaces occur. These cause equipment damage and operating losses and sometimes result in costly shutdown of the plant. Addition of chemical inhibitors in controlling these problems.

Chromate based inhibitors along with polyphosphates, have been in use for long and they have been reasonably effective against both corrosion and scaling. But they have their own limitation. Polyphosphates are hydrolyzed to orthophosphate at higher operating temperature of the cooling water circuit, which lead to orthophosphate scale. Orthophosphate formed is also a nutrient for bacterial growth chromates are toxic to aquatic life and ecological concern has been the primary reason for the search for new substances.

Among the various substance stadius organophosphates have been found to be the best. Organophosphate based formulations give comparable protection with respect to corrosion, scaling and fouling and they are hydrolytically stable. This stability of organophosphates permits greater flexibility, during operation, as they are stable over a greater range of pH and at higher temperature, thereby retaining their activity for longer periods of time. The control on various parameters is more relaxed and they are non – toxic. Phosphonate are compatible with most other chemicals used in cooling systems like chlorine, non-oxidizing biocides, silt control chemicals etc. slowly organophosphates are finding more acceptance the world over, primarily because of its freedom from environment problem.

Properties of Organophosphonates: Structurally, organophosphates have the carbon atom directly linked to the phosphorus atom. The two most widely used Organophosphonates in cooling systems are:

“Six phosphate based cooling system corrosion inhibitors were studied for their relative corrosion inhibiting capabilities by an accelerated static test. The static test was standardized by controlling pH and temperature and using an oxidizing accelerator, potassium persulphate. Results indicate that orthophosphate aminotrimethylene phosphonate and hexametaphosphate are the prospective corrosion inhibitors.

Six phosphate based inhibitors selected are Sodium Hexametaphosphate (SHMP), Sodium tripolyphosphate (STPP), tetrasodium pyrophosphate (TSPP), Sodium Orthophosphate (O-PO4), Aminotrimethylene Phosphonate (ATMP) and Hydroxyethylidene diphosphonate (HEDP), these are frequently used in non-chromate based cooling water treatment.

The key properties of Organophosphonates are:

1. Threshold effect and crystal distortion.

2. Hydrolytic Stability.

3. Sequestration characteristics.

4. deflocculation.

5. Chlorine stability

Corrosion Control: Corrosion Control of metallic surface can be obtained by inhibiting the cathodic, the anodic or both these reaction. A combination of Organophosphonates and zinc works synergistically to give very good corrosion protection by interfering with the cathodic reaction. Polyphosphates, when used as corrosion inhibitor, give rise to excessive orthophosphate sludges whereas Organophosphonates with Zinc give good corrosion protection without leading to any sludge formation.

Due to the sequestering ability of Phosphonate, the zinc ions are present in a complexed form limiting the rate of reaction of zinc with hydroxyl ions. Therefore, useful concentration of zinc hydroxide allows the formation of a thin hydroxide film at the surface giving the desired corrosion resistance.

Scale and Fouling Control: Organophosphonates are one of the best deposit control agents presently available. The threshold and crystal distortion property of these compounds interferes with the nucleation of the hardness crystals causing much higher levels of hardness to stay in solution. When scales are formed they are so distorted that they are non-adherent and form very soft sludges. Phosphonate also provide excellent

Control of hydrated ferric oxide deposits which are formed as a result of corrosion. They adsorb on the particle surfaces and reduce the attractive forces between individual iron particles. The sequestering ability of phosphonate enables it to control heavy matter (Fe, Cu & Zn) deposits and this control is far superior to other traditional chelants. Phosphonate also help to disperse suspended particles.

Choice of Phosphonate: From the two most commonly used phosphonate for cooling water treatment HEDP is preferred to ATMP for the following reasons:

  1. ATMP is more corrosive to Cu cooling systems involving Cu or Cu alloys, are therefore very sensitive to ATMP. With ATMP one would then have to use Cu corrosion inhibitors like Thiazoles and Trizoles making the treatment more expensive. The corrosivity towards Cu is due to the fact that a very strong complex with Cu is formed, the dissociation constant of the chelate being about 10 –13.

  2. HEDP has better stability to chlorine than the Nitrogen containing ATMP. Nitrogen containing compound have a tendency to form chloramines. Though, when complexed with Zinc. ATMP exhibits stability towards chlorine it should be used with caution in chlorinated cooling water systems especially when continuous chlorination is used.

    The addition of Zinc to ATMP to a certain extent inhibits the dissolution of copper. In the presence of ATMP, however, the powerful oxidizing potential of chlorine promotes the dissolution of copper, when chlorine is used as a biocide.

    The other phosphonate used to a much lesser extent are, ethylene diamine tetramethylene phosphoric acid, hexamethylene diamine tetramethylene phosphoric acid and diethylene triamine pentamethylene phosphoric acid.

Check out the complete article at http://www.altret.com/templates/images/editor/role-of-organo-phosphate-in-cwt.pdf

Reduccion del uso de agua en torres de enfriamiento con automatización

Con la iniciativa del Estado para reducir el consumo de agua en un 20 por ciento para el año 2020, muchas plantas en California están tratando de ser más respetuosos con el medio ambiente. Una de esas instalaciones incluye un hospital líder en California, que trató de reducir los costos de tratamiento de agua para su sistema de climatización. El hospital cuenta con tres sistemas de torres de enfriamiento individuales que dan servicio a tres enfriadores centrífugos, con un total combinado de 2.800 toneladas de capacidad.

El programa de tratamiento de agua actualmente en uso en la instalación estaba operando a 2,8 ciclos de concentración, resultando en 35,7 por ciento de la composición agua de la torre se sangró a la alcantarilla por el proveedor de tratamiento actual. Teniendo en cuenta la calidad del agua en la zona, estos eran los ciclos máximos de concentración que podrían lograrse sin emplear el uso de reblandecimiento ácido o agua. El ahorro que el hospital solicitó se realizaron mediante la revisión de varias formas de optimizar el programa de tratamiento de agua. Trabajando en estrecha colaboración con el Departamento de Agua y Energía (LADWP) Los Ángeles, se reveló que mediante la introducción de un programa de conservación de agua para reducir el uso del agua a través de mayores ciclos de concentración, la instalación realidad ahorraría más dinero que se gastaría para alterar el programa , por lo que el proyecto propuesto sostenible.

A través de pruebas y análisis de laboratorio, el equipo fue capaz de concluir que seis ciclos de concentración podrían alcanzarse, resultando en sólo el 16,7 por ciento del agua de maquillaje torre siendo desangrado en el sistema de tratamiento de alcantarillado. Esto se podría lograr mediante la introducción de un sistema de alimentación de ácido seguro que minimizaría escala, la corrosión y el ensuciamiento microbiológico para permitir el aumento de ciclos de concentración al mismo tiempo proteger personal de la instalación entre en contacto con los productos químicos.

La evaporación de la torre de refrigeración sigue siendo el mismo, pero el agua de Estados Unidos fue capaz de reducir la purga, cortando el consumo de agua en un estimado de 3.6 millones de galones por año y la disminución de los costos de agua y alcantarillado. La planta fue capaz de ahorrar más de $ 76.000 (ver Fig. 1).

química en cualquier momento en la torre de refrigeración está estresado por la adición de más ciclos, se requiere un control estricto de la química para evitar la formación de incrustaciones. Esto llevó a la introducción de controles de automatización avanzada de agua de Estados Unidos. El programa de automatización avanzada incluye notificaciones de vigilancia y alarmas inalámbricas para gestionar el rendimiento general del programa, y ​​el equipo de conductividad, pH, los niveles de inhibidor de incrustaciones, el uso de la torre de maquillaje, y la utilización de la torre de purga monitoreado.

En un momento dado, el personal del hospital y los representantes designados de agua de Estados Unidos, utilizando varios niveles de seguridad de la contraseña-protegida indicado por la instalación, se puede acceder de forma segura los datos para la revisión y ajuste en línea. Si los parámetros designados cayeron encima o por debajo del intervalo especificado, un representante de aguas US fue alertado para una respuesta rápida (véase Fig. 3).

Segundo para riego, torres de enfriamiento ofrecen el mayor potencial de ahorro de agua en California. Como un incentivo adicional, el estado de California ha puesto en marcha programas para rebajar la instalaciones para el coste de la automatización de sus sistemas. LADWP y el Distrito Metropolitano de Agua (MWD), por ejemplo, ofrecen tres programas que financian la automatización de las torres de enfriamiento debido a su capacidad para aumentar ciclos de concentración, lo que reduce el consumo de agua.

 

Esta permitido la financiación de agua de Estados Unidos para implementar el programa de automatización avanzada $ 34.000 a monitorear y controlar el programa de tratamiento de agua para este hospital sin costo alguno para el hospital.

Los resultados hasta la fecha para la instalación incluyen la reducción significativa en el consumo de agua, el agua baja y las facturas de aguas residuales y un control más eficiente debido a la automatización de software instalado para proteger los bienes de equipo.

You will find this article here: http://www.waterworld.com/articles/iww/print/volume-14/issue-5/columns/case-study/hospital-reduces-water-usage-in-cooling-towers-with-automation.html

Methods for determining chlorine dioxide and its oxychlorine by-products in water

The analysis of chlorine dioxide and its oxychlorine by products in water is a difficult topic due to the volatility of chlorine dioxide and to the interferences from other species with standard test methods. In the real samples, this is further complicated as chlorine dioxide is often used in a system which is dynamic and therefore sampling is also important.

USEPA Regulations

The USEPA require that both chlorine dioxide (ClO2) and chlorite (ClO2-) are monitored daily at the start of a distribution network and that chlorite is measured less frequently at various points throughout a network. Chlorate is not required, although is included under the Information Collection Rule.

The following are methods that have been approved by the USEPA for ClO2 monitoring:

  • Amperometric titration (Standard Method 4500 - ClO2 E)
  • Colorimetric DPD (Standard Method 4500 - ClO2 D)
  • Colorimetric Lissamine Green (USEPA Method 327.0 V1.1)
  • ChlordioX Plus Sensor System

As DPD has been removed as a standard method for determining ClO2 by the AWWA Standard Methods committee, the EPA will also probably remove it sooner rather than later.

As for chlorite, there are a few methods (such as ion chromatography) approved for chlorite monitoring. None of them are truly portable as the ChlordioX Plus is making it the only portable USEPA approved method for determining chlorite.

Methods in detail

  • Iodometric titration (Standard Method 4500 - ClO2 Method B) - Iodometric titration of ClO2, Cl2, ClO2- and ClO3- is possible with although it is a very difficult and time consuming procedure to separate all the oxychlorine species. It is a better method for standardising chlorine dioxide solutions.
  • Amperometric methods

Standard Method (4500 -ClO2 Method C) - Amperometric titration is an electrochemical method that measures current flow when a fixed voltage is applied to an electrode. By measuring the current whilst carrying out a titration with phenylarseine oxide, each oxychlorine species can be separated out and quantified. However, Method C has now been removed as an EPA approved method for measuring chlorine dioxide in drinking water due to inherent weaknesses in the test method.

Amperometric Method (4500 - ClO2 Method E) - Principle is as per Method C and the procedure is also similar but the inherent test weaknesses are avoided. This method is the standard method which all the ChlordioX Plus evaluations were compared to and is the industry standard method. In theory, as well as chlorine dioxide, chlorine and chlorite, chlorate can also be carried out using this method but it is complicated and therefore usually carried out via ion chromatography.

  • DPD method Colorimetry (4500 - ClO2 Method D - Reserved) - The industry standard for portable testing of chlorine dioxide (and to a degree chlorite) but according to recent research is not selective enough in the presence of both chlorine dioxide and chlorite and also suffers from other interferences such as chromate and oxidised manganese. It is no longer a standard method (AWWA) but is still an EPA approved method.
  • Lissamine (LGB) Green - Not a standard method but an EPA approved method for measuring chlorine dioxide (and chlorite in the presence of horseradish peroxidase). It is temperature dependent as it removes colour from the lissamine green indicator and, therefore, is not easy to use in the field and at its best in a laboratory environment.
  • Ion Chromatography (4110 Determination of Oxyhalides using Ion Chromatography) - The standard method for chlorite and chlorate determination and a USEPA requirement although obviously not a field test.
  • Spectrophotometry - Chlorine dioxide can be measured photometrically at 360nm using a standard spectrophotometer although the detection limit is relatively high and solutions containing chlorine dioxide and chlorite can be susceptible to interference (especially at longer wavelengths) so again it is best used as a tool for standardisation of solutions. Some field test kits also use this method but at wavelengths in the visible region.

Other colorimetric methods

Other colorimetric methods are available however none are approved for compliance testing.

This summary of methods is based on White’s Handbook of Chlorination and Alternative Disinfectants by the Black and Veatch Corporation, published by Wiley in 2010.

See here for a list of EPA methods approved for chlorine dioxide and chlorite monitoring under the alternative test methods program

Desaparicion del Molibdato en Torre de Enfriamiento

Un cliente tenía un sistema de torre de enfriamiento con control de pH, un inhibidor de incrustaciones / corrosión molibdato de trazado, y el programa de biocida a base de cloro. Los operadores contacto con su especialista en la gestión del agua con las preocupaciones acerca de por qué sus niveles de molibdato ensayados eran tan bajos. Sus resultados no se corresponden con la cantidad de inhibidor / corrosión escala siendo la alimentación en el sistema.

¿Qué factores podrían afectar los niveles de molibdato probados en un sistema de torre de enfriamiento? Tómese unos momentos para considerar el diagrama del sistema de abajo y pensar en lo que podría causar esto.

maquillaje de la ciudad

Proceso de enfriamiento Torre de purga

3005NSS RSS

Ácido cítrico RSS

Bleach RSS

Torres de enfriamiento 279

 

Los problemas como esto puede ser muy desconcertante y puede tener varias causas. A veces, hay que hacer un esfuerzo adicional para obtener la respuesta. Esto es exactamente lo que el Asociado a cargo de esta cuenta hizo.

Quimica APLICADA

La química aplicada al sistema de torre de refrigeración fue:

  • 3005NSS - una escala que contiene molibdato y la corrosión inhibidor
  • ácido cítrico - control del pH
  • Bleach - un biocida oxidante utilizado para el control microbiológico

 

Las posibles causas de la baja molibdato Lecturas

  • Ciclos de la torre de refrigeración de baja: Ejecución de la torre de enfriamiento son ciclos inferiores de concentración dará lugar a niveles más bajos de molibdato a pesar de que el avance 3005NSS era el mismo. Este no fue el caso en esta situación.
  • 3005NSS alimentación inferior: la subalimentación del 3005NSS afectaría directamente a los residuos de molibdato probados; sin embargo, la velocidad de alimentación teórica y velocidad de alimentación reales comparados muy de cerca el uno al otro.
  • Línea de fuga química: Una fuga en la línea de química 3005NSS, obviamente, reducir la cantidad de producto químico se alimenta a la torre de refrigeración, pero se encontró ninguna fuga.
  • Mezcla inadecuada del producto: Es raro, pero no imposible de conseguir un producto que se ha mezclado de manera incorrecta. Ser capaz de hacer una dilución para probar las concentraciones de productos es una habilidad que todos los expertos de tratamiento de agua profesionales deben poseer. Una muestra de 3005NSS se diluyó y se ensayó para la concentración de molibdato. El nivel de molibdato probado era muy cerca del nivel teórico esperado.
  • La pérdida de componentes químicos en el sistema: Algunos químicos se pierden de forma natural en el sistema debido a la evaporación o el consumo.

Molibdato no es volátil y el consumo para formar una capa de pasivado de protección sobre las superficies metálicas debe ser mínimo una vez se ha establecido la química. Molibdato no se perdía en el sistema.

  • La interferencia de prueba: Un sistema de tratamiento de agua de expertos debe estar al tanto de posibles interferencias a las pruebas que ejecuta. Los manuales de procedimientos de análisis para los colorímetros y espectrofotómetros hacen un gran trabajo listado de estas interferencias. Una revisión inicial de estas interferencias no mostró nada en el sistema que debe estar interfiriendo con la prueba de molibdato. Tanto la alimentación de lejía y de alimentación de ácido cítrico fueron torres de enfriamiento 280 nuevas adiciones al programa de tratamiento y correspondían a la hora aproximada que los operadores empezaron a tener problemas con sus pruebas molibdato. El gráfico de interferencias análisis mostró que tomaría una lectura de cloro de 7,5 ppm a causar interferencias. Los niveles de cloro libre nunca habían sido ni de lejos tan alta en el sistema. El gráfico de interferencias análisis no incluyó específicamente ácido cítrico; sin embargo, sólo porque algo no está en la lista no significa que no es una interferencia.

Revisión de la interferencia del ácido cítrico

El asociado de gestión del agua por teléfono al manyfacturer análisis de agua para preguntar si el ácido cítrico interfirió con las pruebas de molibdato. No estaban seguros pero se recomienda llevar a cabo una prueba para determinar si lo hizo.

Una dilución de 3005NSS fue preparada. Esta dilución se dividió en varios contenedores y el pH se ajustó a varios niveles usando ácido cítrico y ácido sulfúrico (como control). Los resultados fueron los siguientes:

Tabla 1 - Ácido cítrico determinación de interferencia

Se utiliza el ácido                   pH de la muestra                   Molibdato (ppm)

Cítrico                                    6.7                              0.7

Cítrico                                    6.3                              0.3

Cítrico                                    4.9                              0.0

Sulfúrico                                7.0                              1.6

Sulfúrico                                6.2                              1.5

 

Como muestra la Tabla 1, el ácido cítrico era de hecho una interferencia.

Conclusión

A través del trabajo de investigación de la asociada de gestión de agua, ácido cítrico se determinó que era la interferencia con el ensayo de molibdato de bajo rango.

Los próximos pasos requeridos fueron los siguientes:

  • Asegurar la dosis teórica 3005NSS estaba siendo alimentado en una base diaria mientras que el ácido cítrico todavía estaba siendo alimentada a la torre de refrigeración.
  • discutir los pros y los contras de alimentación de ácido sulfúrico con el cliente por lo que los niveles de inhibidor se puede medir correctamente

Fundamentals of corrosion control in water systems

Liquid analysis systems and sensors are cost effective tools against corrosion.

Water plus metal equals corrosion. This reality attacks the bottom line of every steam driven power generation plant in the world.

In a steam power plant, high purity water is heated and boiled to make steam, which energizes and powers a turbine to produce electricity.

Water and steam are in constant contact with metal surfaces threatening the integrity of plant equipment like condensers, heaters, pumps, piping, boilers, and turbines.

Fortunately, water purification and chemical treatment greatly reduce and control the corrosion in the plant. Ensuring good cycle chemistry to prevent corrosion, however, requires accurate and continuous analytical measurements in the demineralization train, cooling water, condensate, and boiler feed-water and steam systems.

While the guidelines given below address the needs of a steam driven power generation facility, they can also be useful in other manufacturing facilities where water plays an important role.

Corrosion occurs when metal ions transfer from a base metal to water and combine with oxygen to become hydroxides and solid metal hydroxides. Resultant particles often travel to other parts of the system and are deposited.

Rust reaction
Rust reaction

Deposit is a poor conductor

Once a deposit forms, it attracts more suspended solids and the deposit grows. Deposits frequently accumulate on heat exchange surfaces, boiler tubes, and heaters.

The deposit is a poorer conductor of heat than metal and therefore interferes with heat transfer across the tube. This lowers the overall cycle efficiency and can cause local tube overheating failures. Deposits can also significantly lower the efficiency of the turbines and, in turn, become corrosion sites when dissolved solids trapped in the deposit concentrate as the liquid boils away. Eventually, the concentration reaches highly corrosive levels and severe under-deposit corrosion occurs.

A tough oxide film that protects the base metal is the best way to defend iron and copper from corrosion. For iron and carbon steel, the protective film is magnetite.

For copper and copper alloys, the protective film is cuprous oxide. This film works only in the presence of properly controlled water chemistry.

Proper water chemistry also ensures that the film won't wear away and, if a break occurs, the film quickly repairs itself.

Controlling water chemistry requires maintaining high purity water, controlling pH, monitoring for trace quantities of dissolved oxygen, and, if necessary, controlling the feed of a scavenging agent like hydrazine.

Demineralization train

The first line of defense against corrosion in a steam power plant is the use of high purity water. Producing that water is the function of the demineralization train, which converts raw water containing between 100 and 1,500 ppm dissolved solids into water that contains no more than 10 to 20 ppb dissolved solids. Treatment steps may include filtration, softening, chlorine removal, reverse osmosis, degasification, and ion exchange.

Efficient reverse osmosis (RO), in which water forces through a semi-permeable membrane, can remove approximately 98% of the dissolved salts and silica in raw water and nearly all large organic molecules. Contacting conductivity sensors placed in the feed water and the permeate of the RO let plant operators monitor the water quality and overall efficiency of the RO system.

Conductivity measurements in RO permeate and high purity water are not simple, however. Calibration of sensors is complex and must take place by comparing the sensor against a National Institute of Standards and Technology (NIST) traceable calibrated cell of a known cell constant or by calibrating the sensor in a certified solution. However, upon exposure to the atmosphere, high purity conductivity standards and water foul through the absorption of carbon dioxide from the surrounding air and any residue in the sample container. To prevent contamination, it may be desirable to use sensors pre-calibrated to NIST standards. Conductivity validation instruments are available that connect to the process via tubing, eliminating the effects of the atmosphere on the measurement.

Typically, feed-water to an RO system will undergo treatment and will already contain chemicals to ensure optimum operation. These chemicals, however, require careful monitoring, or they may attack the RO membranes. This is particularly true if the feed-water is outside the desired acidic range. Plant operators require general-purpose pH sensors to maintain mild acidity in the feed-water. Chlorine may be in the feed water in some plants as a biocide or need removal in others by means of a carbon bed because it attacks the RO membranes. However, carbon beds reach saturation over time, therefore, chlorine monitors detect breakthrough of chlorine.

Reverse osmosis alone can rarely produce water of sufficient purity for make-up. The RO permeate is usually polished using an Ion Exchanger (IX). These systems consist of tanks containing resin beads selectively treated to adsorb either cations or anions. A cation bed exchanges positively charged ions (such as calcium, magnesium, and sodium) for hydrogen, and the anion bed exchanges negatively charged ions (such as chloride, sulfate, and bicarbonate) for hydroxyl. The displaced hydrogen and hydroxyl combine to form pure water. After a certain amount of use, these systems become exhausted and must be regenerated using sulfuric or hydrochloric acid for cation resin and sodium hydroxide for anion. The monitoring of the concentration of both of these substances must happen continuously with conductivity sensors measuring the regenerant as it enters the tank. During rinse, toroidal conductivity measurements made on the bed effluent determine how well rinsed the regenerants are.

Ammonia, Conductivity, and pH

Variations in cooling tower design

In the condenser, recirculating cooling water converts turbine exhaust steam into condensate. Cooling water usually contains high levels of dissolved solids, and leakage of cooling water into the steam cycle is a major source of contamination.

Leaks introduce ions that raise the conductivity and increase the corrosiveness of the feed-water, boiler-water, and steam. To give early indication of leakage and to monitor the overall condenser performance, the cation conductivity of the condensate pump discharge registers on a flow-through conductivity sensor.

In addition, monitoring condensate and feed-water purity requires measuring cation conductivity. After the condensate passes through the cation column, the conductance of the contaminating salt increases as it converts to a significantly more conductive acid.

There is an increased emphasis in the industry on the re-use of cooling water using cooling towers. The cooling effect comes by the evaporation of a small fraction of water and heat exchange with the air passing through the cooling tower. As the water evaporates, however, the dissolved solids concentrate, ultimately causing scale and corrosion in the heat exchange equipment. While there are many variations in cooling tower design, a common feature is the control of water quality with the use of continuous pH and conductivity measurements to maintain a given set of conditions. A contacting conductivity sensor measures the relative concentration of the impurities in the water. The analyzer for that sensor initiates the opening of a blowdown valve when the conductivity becomes too high. Higher purity make-up water is then introduced which lowers the conductivity.

Since most impurities in cooling water are alkaline, a small quantity of sulfuric acid adds in to the circulating water to lower the pH and thus prevent the formation of scale. Measuring this sulfuric acid concentration and keeping the pH below seven, where scaling is less likely to occur (as indicated by the Langelier Index), is best accomplished by a general-purpose pH sensor. Cooling water that contains a high level of suspended solids, however, requires the use of more specialized pH sensors more resistant to fouling.

Liquid analysis in steam power generation

Condensate feed-water

The cooling tower turns steam into water after leaving the turbine. Make-up water from the demineralization train adds to this water to become feed-water, which pumps through a series of heaters to the boiler. Controlling corrosion in the condensate and feed-water system is usually accomplished in one of two ways-all volatile treatment (AVT) and oxygenated treatment (OT). AVT uses ammonia to control pH and hydrazine to provide a reducing environment for protection of copper alloys. AVT requires measurement of ammonia, dissolved oxygen, and hydrazine. Ammonia measurement can happen either directly or indirectly from pH and conductivity. The indirect method is useful because ammonia reacts in water to produce hydroxide ion. Both conductivity, which is a measurement of ions in solutions, and pH, which is an indirect measurement of hydroxide ion, can combine to yield the ammonia concentration.

OT uses ammonia to control pH and trace oxygen to provide a slightly oxidizing environment that promotes formation of a tough modified oxide film. Water quality for OT is more stringent than for AVT, requiring cation conductivity of less than 0.15 micro Siemens/centimeter. It is necessary to measure dissolved oxygen, pH, and cation conductivity in feed-water systems using the OT method. pH measurement can be difficult in low conductivity water and requires the use of flowing reference technology. A pH measurement requires electrical continuity between the reference and glass electrodes and a path to the solution ground. High purity water does not provide enough conductivity to reliably complete these paths and causes junction potential that registers as erratic drift and offset in the pH measurement. A flowing reference eliminates this effect by stabilizing the junction potential. This measurement takes place in a bypass line in order to preserve the quality of the feed-water and preferably in a stainless steel measurement chamber to dissipate the electrostatic current generated by the high purity water. Since high purity pH is flow sensitive, flow rates should be very low and constant.

Boiler water steam treatment

The boiler is the final collection point for all the corrosive and scale-producing contaminants generated upstream. Solid corrosion lands on the boiler tube surfaces and grows by collecting more suspended matter. Eventually, overheating and tube failure occur. Maintenance of a protective oxide film is the optimum way to limit water corrosion, and this more readily happens when maintaining a low concentration of dissolved solids in a slightly alkaline pH environment. To accomplish this, continuous measurement of both pH and conductivity needs to happen. Conductivity measures the concentration of dissolved solids and a long-life conductivity sensor is required. To maintain the alkaline environment required, power plants commonly buffer the boiler water with sodium hydroxide and sodium phosphate salts. Overfeeding or underfeeding of these chemicals can be damaging, however, and therefore accurate pH and phosphate measurements are critical.

Boiler water also undergoes treatment in order to produce high purity steam. Impurities enter this boiler water from the boiler drum and from vaporous carryover, which deposits on the turbine and causes erosion damage. Silica is the most notorious contaminant, and it is necessary to measure it in the boiler water and steam. Salts such as sodium hydroxide and ammonia salts also vaporize in the steam and flow into the turbine where they precipitate, concentrate, and become highly corrosive. To control contamination in the steam, the conductivity measurement of the boiler water must happen, which indirectly measures the dissolved solids. Then, blowdown controls the amount of contamination.

So, to avoid the uncontrolled corrosion that costs the power industry billions of dollars every year, monitor water quality rigorously and control that quality continuously.

Liquid analysis systems and sensors are hard working, easy-to-use, cost effective tools when measured against the impact of corrosion on plant costs and operations.

While every plant is different, generally an array of pH and conductivity sensing instruments is required for virtually every step of the steam-power generation process.

Beyond that, individual plants will require dissolved oxygen, ozone, chlorine, and other more specialized measurements.

Many plants are opting for centralized digital control systems to continuously monitor the output of analyzers and automate many control functions. This reduces impact on staff and allows corrosion control management to run like a well-oiled machine.

Most important, the key to successful corrosion control is the continuity of measurement.

Grab samples and other periodic measurement techniques are inadequate to the task. Only continuous, real-time analysis offers the assurance of water quality that corrosion control requires.

Sensing pH a venerated pursuit

In the sixteenth century, alchemist Leonard Thurneysser discovered that the hue of violet sap changed with the addition of either sulfurous or sulfuric acids. This early indicator was widely used through the subsequent centuries to detect acids.

With Svante Arrhenius's introduction of ionic theory in the 1880s, the first theories concerning disassociation of acids and bases were developed. Johannes Bronsted, who postulated that acids and bases are substances capable of either donating or accepting hydrogen ions, further refined these initial theories.

By 1904, Hans Friedenthal had successfully established the first scale for classifying acids by determining the dissociation constants for weak acids, according to conductivity and correlating color changes corresponding to different hydrogen ion concentrations using 14 indicating dyes.

The hydrogen ion concentration numbers from Friedenthal's calculations were small and awkward to manipulate. Thus, Lauritz Sorensen suggested using the negative logarithm of these numbers, which he dubbed the "hydrogen exponent" or "pondus Hydrogennii."

This led to the development of the term pH and the creation of the modern pH scale.

Modern pH Scale
The modern pH scale

 

 

Originated published at: https://www.isa.org/standards-and-publications/isa-publications/intech-magazine/2005/may/sensing-ph-controlling-ph/

Prueba de biocidas en el fracturamiento hidráulico

Resumen

Fractura hidráulica o 'fracking' es un proceso utilizado en la industria de petróleo y gas para mejorar la productividad de un aceite o de gas bien. Implica la fracturación de roca con agua (mezclada con arena y algunos productos químicos) inyectado en un pozo bajo alta presión y se utiliza comúnmente en shale gas y otras fuentes 'no convencionales' de petróleo y gas.

No convencionales de petróleo y Gas fuentes

Fracturamiento hidráulico se utiliza generalmente en camas de gas de esquisto, gas de aceite apretado camas o camas de gas de carbón. Todos son fuentes de petróleo o de gas que se encuentran en diferentes tipos de formación rocosa y son por lo general difícil para una empresa hacer económico sin fracturación hidráulica de perforación de gas o petróleo. Por esta razón que se conoce como una técnica de 'estimulación bien'. Aunque el proceso ha sido utilizado en los últimos 50 años, recientemente es prominente en el debate público debido a la expansión de la técnica en los Estados Unidos y las preocupaciones sobre las consecuencias de su uso generalizado.

Agua utilizada en el 'Fracking'

El proceso de 'fracking' implica la perforación de que un pozo agujero subterráneo profundo, a menudo con una etapa horizontal cuando un lecho de roca es particularmente bajo. La roca es fracturada luego utilizando explosivos que crean pequeñas fisuras en la roca que ayudan el flujo de petróleo y gas fuera de la cama en el pozo. Es la baja porosidad de la roca que requiere el fracturamiento hidráulico para hacer un bien económico. Sin fracturación hidráulica, el pozo no produciría suficiente petróleo y gas a hacer vale la pena hacer.

Agua, arena y algunos productos químicos son inyectados al pozo bajo presión para garantizar estas fisuras que abren bajo la enorme presión causada por las formaciones de roca por encima de la cama de roca blanco. Es la arena que sostiene las fisuras abiertas a menudo unos pocos milímetros de ancho. Una gran cantidad de agua (millones de galones) se utiliza en una sola frack y el agua puede provenir de muchas fuentes diferentes, por ejemplo, agua dulce, agua saladas o reciclado de agua de un anterior proceso de fracturamiento hidráulico.

 

Los productos químicos que pueden agregarse al agua y el propósito detrás de su adición se enumeran en el Apéndice E del informe de la EPA en el fracturamiento hidráulico de 2011. Puede encontrar una versión resumida en el cuadro 4.

 

 

Figura 6 se tiene el informe de la EPA en fracturamiento hidráulico, página 13.

 

 

Figura 7 se tiene el informe de la EPA en fracturamiento hidráulico, página 13

 

La mayoría de los productos químicos agregados son los normalmente utilizados en otros procesos industriales que utilizan agua y se añaden para mantener la integridad del pozo, por ejemplo, tensioactivos, inhibidores de corrosión, reguladores de pH y reductores de fricción.

Los biocidas se añaden al agua para evitar la acumulación de bacterias en el agua que puede llevar a la corrosión ácida o la creación de compuestos de sulfuro en. Crecimiento bacteriano puede afectar la producción de pozos de petróleo y gas y puede ser introducido en el fluido de fracturamiento hidráulico de diversas fuentes como la fuente de agua y el apuntalante. Apuntalante es que el término usado para la arena (o de otros compuestos) espera que abren las fisuras.

                                   

La tabla 4 se enumeran los tipos de productos químicos agregados al agua y su propósito. Se toma del informe de la EPA, página 29.

  

Prueba de agua dulce utilizado en el fracturamiento hidráulico

De los productos químicos añadidos al agua, el analito principal que se debe probar en el sitio antes de la inyección es el biocida. Ellos son probados en sitio debido a su volatilidad inherente que hace muestreo y fuera del sitio de prueba inadecuado.

Biocidas que se utilizan incluyen isotiazolona, glutaraldehído, cloro y dióxido de cloro. Otra vez estas son biocidas de uso frecuente en otros procesos industriales utilizando agua como torres de refrigeración.

La tasa de dosificación de biocidas es a menudo automatizada usando un método amperométrico en línea que añade el biocida en cantidades controladas, dependiendo de la velocidad de flujo del agua a introducirse al pozo de la fuente de agua. Secundario de método se realiza generalmente para calibrar la línea en la punta de prueba y como cheque aguas abajo del punto de inyección para biocida está presente en la concentración correcta en el líquido antes de que finalmente se inyecta en el pozo.

 

Pruebas de biocidas en el agua la puede ser difícil debido en parte a la tendencia creciente del uso de agua reciclada para núcleos de frack. Más tradicionales métodos colorimétricos de la prueba (como el método DPD para la cuantificación de cloro o concentraciones de dióxido de cloro) pueden ser desperdiciador de tiempo y difícil para los ingenieros; no pueden dar resultados consistentes donde el agua es alto en sólidos disueltos/suspendido. Otros métodos como ORP (potencial de oxidación-reducción) son fácil de usar pero sufren de una falta de selectividad y a menudo no se puede utilizar como una herramienta cuantitativa.

Ha habido una tendencia creciente dentro de las empresas de tratamiento de agua (que tienden a ser subcontratado por la empresa de perforación para administrar la dosificación de biocidas en el agua) a utilizar nuevos métodos como los sensores amperométricos desechables ya utilizados por el ChlordioXense. Estos métodos tienen la ventaja de ser fácil de utilizar y no son susceptibles a resultados inexactos, como se ha visto con métodos colorimétricos.

Prueba de agua 'Producidos' en el fracturamiento hidráulico

Reflujo de agua es el agua que fluye a la superficie durante y después de la terminación de fracturamiento hidráulico. Consiste en el fluido utilizado para fracturar la pizarra y contiene arcillas, aditivos químicos, los iones metálicos disueltos y sólidos totales disueltos (TDS). El agua tiene un aspecto turbio de altos niveles de partículas en suspensión. La mayor parte del reflujo se produce en las etapas iniciales del proceso de fracturamiento hidráulico mientras que el resto puede ocurrir más de una semana tres periodo de tiempo. El volumen de recuperación es generalmente menos de la mitad del volumen que se inyectó inicialmente en el pozo. El resto del líquido sigue siendo absorbido en la formación de la pizarra.

En cambio, ' agua ' es producida naturalmente agua que se encuentra en formaciones de esquisto que fluye a la superficie durante toda la vida entera del gas bien. Esta agua tiene altos niveles de TDS e iones metálicos como el calcio, hierro y magnesio. También contiene hidrocarburos disueltos junto con el natural materiales radiactivos (norma).

Históricamente, esta aguas residuales del proceso de fracturamiento hidráulico fue eliminada en estanques de evaporación grande. Esto sin embargo se ha convertido en socialmente inaceptable y las aguas residuales deben ser tratadas como residuos industriales de la misma manera que se trata el agua de otros procesos industriales. Las opciones disponibles para empresas de tratamiento de agua la industria del petróleo y el gas son bien 'inyección directa' en el suelo a profundidades por debajo de la mesa de agua y entre las capas de roca impermeable, o el tratamiento y la disposición del agua en la superficie del agua. Ambos métodos a menudo emplean tratamiento de agua con biocidas.

Prueba de concentración de biocidas en las aguas residuales puede ser imposible sin filtrar el agua que generalmente conduce a una reducción en el biocida para determinar la verdadera concentración en el líquido es difícil. La demanda de biocida del líquido también es muy alta debido a la cantidad de metales disueltos presentes. Por lo tanto, biocidas como el dióxido de cloro son generalmente mezclados con agua en concentraciones de hasta 20 mg/l y dosificados en el agua producido o reflujo. Como con el tratamiento de agua dulce que se describe en la página anterior, un método de sonda amperométrica en línea se utiliza para controlar la tasa de dosificación y un método secundario tales como el Palintest ChlordioXense utilizado para calibrar la sonda y proporcionar un método de comprobación secundaria.

Hay una tendencia creciente dentro de la industria de tratamiento de agua para recuperar el hydocarbons que están presentes en el agua de producción y venderlos en el mercado abierto. El uso de biocidas como el dióxido de cloro ayuda a aumentar la tasa de recuperación de aceite como tratamiento hace que los sólidos a precipitado fuera de solución y los hidrocarburos para instalarse en la parte superior del líquido tratado.

El dióxido de cloro actúa como un Desemulsificante para romper emulsiones a través de oxidación química, permitiendo que el agua separar hidrocarburos residuales, productos químicos y la materia particulada presente.


El agua suele ser de una buena calidad suficiente para ser reutilizada en otro sitio de frack o eliminarse mediante inyección directa. Los hidrocarburos pueden despumados y vendidos a las compañías petroleras, mientras que el lodo sólido es retirado y transportado a una planta de aguas residuales estándar.

La imagen de agua de producción (a la derecha) tratados con dióxido de cloro (a la izquierda).

 

Resumen

El uso de fracturamiento hidráulico como un proceso para incrementar los rendimientos de los núcleos de gas y petróleo está aumentando, especialmente en los Estados Unidos, y su uso casi con toda seguridad se extenderá a otros países.

Los biocidas son parte fundamental del fluido de fracturamiento hidráulico sí mismo y el tratamiento de las aguas residuales del proceso.

Principalmente se han adoptado métodos de prueba para la cuantificación de las concentraciones de biocida en el agua dulce y las aguas residuales de la industria de agua potable donde la matriz de agua es de una composición mucho 'más limpia'. Métodos colorimétricos y ORP, aunque útiles, tienen sus inconvenientes y así nuevos métodos como la ChlordioXense son ser fácilmente adoptados por la industria de petróleo y gas.

      

 

Utilize valvulas de control para optimizar su eficiencia

El gasto de tratamiento de agua para el uso en torres de refrigeración, calderas, y otras aplicaciones de la planta está aumentando rápidamente. Además de los altos costes, las plantas se enfrentan a menudo la necesidad de cumplir con los efluentes de las regulaciones que rigen, incluyendo el agua de enfriamiento, enviada a través de las instalaciones de tratamiento antes de su descarga.

funcionamiento óptimo de los sistemas de agua de refrigeración significa un uso mínimo de agua mientras se mantiene la temperatura adecuada para limitar el crecimiento de algas y enfriar todo el equipo correctamente. Una forma de ayudar a lograr estos objetivos al tiempo que reduce significativamente el consumo de energía es la instalación de válvulas de control de agua (CW) de refrigeración.

Un sistema bien equilibrado

Funcionamiento de un sistema de agua de refrigeración de manera eficiente requiere equilibrio. Un sistema bien equilibrado es una de la que se elimina los cortocircuitos. El cortocircuito se produce cuando el agua de refrigeración excesiva fluye a través de un enfriador causando flujo insuficiente a través de los otros. Esta morir de hambre a menudo se produce al final de un sistema o en unidades en las elevaciones más altas.

El logro de un sistema equilibrado es un proceso detallado y complicado. Las caídas de presión deben ser figurado para cada pieza de equipo y las tuberías correspondientes, y para cada rama del circuito de agua de refrigeración. Incluso si estos cálculos se realizan cuando una planta es nueva, las condiciones cambian con el tiempo. Depósitos se acumulan en las superficies que alteran el coeficiente de transferencia de calor y resistencia al flujo (caída de presión). Adición o eliminación de equipo del sistema también cambia el equilibrio y puede conducir a cortocircuitos.

equilibrio manual de un sistema de agua de refrigeración usando placas de orificios es difícil y consume tiempo. Las preocupaciones de seguridad a menudo dictan que un orificio estar dimensionado para la máxima demanda. Como resultado, la bomba de agua de refrigeración debe ser dimensionado para, y a menudo debe operar a, altas velocidades de flujo en exceso.

A veces se hacen intentos para equilibrar un sistema mediante el uso de una válvula de globo y estrangular manualmente el flujo. Por desgracia, este enfoque conduce a menudo a un operador de abrir la válvula completamente cuando se necesita flujo máximo, entonces no es el reajuste. De nuevo el resultado es alto flujo cuando el sistema requiere un flujo promedio o mínimo.

El exceso de flujo se indica por una temperatura de enfriamiento de salida de agua sólo unos pocos grados por encima de la entrada. Esta condición de flujo desequilibrado conduce a un mayor consumo de energía de bombeo y zonas distantes o elevadas que a menudo se ven privadas para el agua.

Superior de retorno de agua de refrigeración (salida) las temperaturas dan como resultado un menor consumo de agua de refrigeración. En estas condiciones, la temperatura del agua de refrigeración se debe aumentar hasta el máximo permitido por el proceso. Este incremento se logra reduciendo al mínimo el flujo. Pero antes de tomar esta acción, otras condiciones deben ser evaluados.

Las temperaturas más altas (por encima de 120 F) pueden hacer que el calcio para precipitar fuera del agua a una velocidad alta, resultando en escala y conduce a una mayor caída de presión y la transferencia de calor reducida. El aumento de las temperaturas también promueven el crecimiento de algas. La tasa varía con la calidad del agua y tipo de tratamiento.

La distribución de agua de refrigeración a lo largo de un sistema requiere controladores adecuados que mantienen las temperaturas de salida dentro de un rango especificado, incluso durante el enfriamiento parcial. Si las temperaturas de salida no se pueden aumentar, los controladores todavía pueden reducir el flujo cuando las necesidades de agua caen.

configuraciones de válvula de control

Las válvulas de control se aplican con éxito en una variedad de sistemas de refrigeración de agua. En la mayoría de sistemas, una válvula de control CW proporcional se puede instalar en la línea de retorno (Fig. 1). La válvula, que controla el caudal de agua en proporción directa a la temperatura de salida, debe estar situado tan cerca del enfriador como sea posible.

Cuando el agua de refrigeración está frío, la válvula reduce el caudal a un ligero sangrado. A medida que la temperatura de salida se eleva, la válvula se abre y se regula el flujo para mantener una temperatura de descarga constante. La válvula CW debe estar diseñado para mantener un flujo de purga constante. Sin algo de flujo, el elemento sensor de la válvula no puede decir lo que está pasando.

El uso de válvulas de control CW asegura equilibrado automático del sistema de agua de refrigeración, debido a que la válvula sólo utiliza tanta agua como el enfriador requiere. uso reducido de agua asegura se proporciona un suministro adecuado de agua de refrigeración, incluso a zonas alejadas de la nevera o en elevaciones más altas.

El mantenimiento de una temperatura de proceso en un valor preciso requiere un esquema de control diferente. Un sensor de temperatura (termopar), el controlador y la válvula de control accionada neumática o eléctricamente puede ser utilizado. Otra opción es una válvula de control de auto Cualquier disposición controla temperaturas de la corriente de proceso con diferentes grados de precisión. En muchos casos, la válvula de acción automática ofrece una precisión razonable a un menor coste de instalación.

pautas de aplicación

En aplicaciones que tienen una descarga abierta a un desagüe, la línea de descarga de la válvula CW debe estar siempre lleno. Esta condición puede garantizarse con un sello de bucle en la tubería de salida a una altura por encima de la válvula que luego va a grado (Fig. 3). Sin un sello líquido, líneas pueden vaciar cuando el equipo está apagado. El líquido o elementos de sellado termostáticas lleno de cera se pueden secar y fallar prematuramente.

Un colador puede ser instalado aguas arriba de la válvula de CW si las condiciones de calidad del agua requieren. Suciedad y los residuos afectan cierre adecuado y caricias de la válvula. Si existe este problema, una anulación de neumático (Fig. 4) puede ser utilizado para purgar la válvula de suciedad.

La mejor manera de controlar el crecimiento de algas y la acumulación es mantener la alta calidad del agua. Otros factores que contribuyen al crecimiento de algas incluyen la temperatura y la velocidad. Manteniendo la temperatura por debajo de 120 F es deseable. Dimensionamiento de la velocidad de flujo para lograr una mayor velocidad también tiende a obstaculizar el crecimiento de algas. Las algas limo ha sido conocido para formar en líneas con velocidades que pueden alcanzar tan alto como 10 pies / seg.

El lado del agua de refrigeración de un proceso a menudo se pasa por alto como incontrolable. Sin embargo, el enfriamiento válvulas de control de agua puede promover el ahorro al reducir el uso de agua, bomba de las necesidades de energía, y los costos de tratamiento de agua. En la nueva construcción, pequeños tamaños de tuberías y bombas pueden reducir los costes de equipamiento. válvulas CW también proporcionan mejor control del proceso mediante el mantenimiento de una diferencia de temperatura fijo a través de la entrada de agua refrigerante y la salida. En la mayoría de los casos, los análisis justificar la instalación de dichos controles.

- Editado por Jeanine Katzel, Editor Senior, 847-390-2701, j.katzel@cahners.com

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El autor responderá a las preguntas técnicas sobre este artículo. Se le puede contactar por teléfono al 201

Conceptos clave

funcionamiento óptimo de los sistemas de agua de enfriamiento ayuda a limitar el crecimiento de algas y equipo fresco adecuadamente mientras se mantiene la temperatura adecuada.

Enfriamiento válvulas de control de agua reducen el uso del agua, las necesidades de energía de la bomba, y los costes de tratamiento de agua.

ahorro de agua y energía suelen proporcionar un rápido retorno de la inversión sistema de válvulas.

La justificación de los costes

Los ahorros en agua y la energía de refrigeración típicamente proporcionan una recuperación de la inversión rápida de la inversión en el sistema de la válvula. Enfriamiento válvulas de control de agua también reducen los costos de capital de una nueva instalación al permitir el uso de bombas y filtros más pequeños, y, en algunos casos, la reducción de tamaño de las tuberías.

Un ejemplo de ahorros obtenidos en un sistema retrofit se muestra a continuación.

Condiciones existentes:

Q = calor tasa de eliminación del enfriador, 700.000 Btu / hr

T (sub i) = entrada de temperatura del agua refrigerante, 50 F

T (sub o) = temperatura de salida del agua de refrigeración sin control, 59 F

C (sub p) = calor específico, 1 Btu / lb / ° F

m = tasa de flujo de masa, lb / hr

v = velocidad de flujo volumétrico, gpm

m = Q / C (sub p) (T (sub o) - T (sub i)) = 700.000 / 1 (59 - 50) = 77.777 lb / hr

v = 155.5 gpm

(Para v, para convertir lb / hr en gpm divide por el factor de conversión de 500, que se obtiene multiplicando 8,33 lb / gal. De agua por 60 min / hr.)

Después de que se instala una válvula de CW, la temperatura de descarga se puede ajustar a 82 F. Inserción de la nueva T (sub o) en los rendimientos ecuación:

m = Q / C (sub p) (T (sub o) - T (sub i)) = 700.000 / 1 (82 - 50) = 21.875 lb / hr

v (nueva tasa de flujo volumétrico) = 43,7 gpm

En un sistema en el que no se recircula agua, el uso gotas de agua 72%. En un sistema de circuito cerrado, una cierta cantidad de agua se pierde por evaporación en la torre de enfriamiento y durante la purga. los costes de tratamiento del agua también deben tenerse en cuenta en el análisis.

Además de un ahorro de agua, la energía se conserva porque se necesita menos energía para bombear menos agua. La figura ahorro de energía de la bomba muestra tres gráficos de la cabeza de descarga. Eficiencia y consumo de energía de una bomba típica centrífuga se representan frente a desplazamiento de volumen. Tenga en cuenta que incluso con una reducción en la eficiencia, el consumo de energía es de 6,5 kW antes de instalar la válvula de control y 3,5 kW después, una reducción de energía del 46%.

A un costo de agua tratada de $ 0.50 / 1000 gal. y el costo de energía de $ 0.05 / kWh, el ahorro total anual de $ 7190. La figura supone una pérdida de agua 10% de la evaporación de purga. El ahorro anual para un sistema abierto de descarga son más de $ 60.000.

 

Using Control Valves To Optimize Cooling Water System Efficiency

The expense of treating water for use in cooling towers, boilers, and other plant applications is rapidly increasing. In addition to high costs, plants often face the need to comply with regulations governing effluents, including cooling water, sent through treatment facilities before being discharged.

Optimum operation of cooling water systems means minimum use of water while maintaining proper temperatures to limit algae growth and cool all equipment properly. One way to help achieve these goals while significantly reducing energy consumption is to install cooling water (CW) control valves.

A well-balanced system

Operating a cooling water system efficiently requires balance. A well-balanced system is one from which short-circuiting is eliminated. Short-circuiting occurs when excessive cooling water flows through one cooler causing insufficient flow through the others. This starving often occurs at the end of a system or in units at higher elevations.

Achieving a balanced system is a detailed and complicated process. Pressure drops must be figured for each piece of equipment and its associated piping, and for each branch of the cooling water circuit. Even if these calculations are done when a plant is new, conditions change over time. Deposits build up on surfaces altering the heat transfer coefficient and resistance to flow (pressure drop). Adding or removing equipment from the system also changes the balance and can lead to short circuiting.

Manually balancing a cooling water system using orifice plates is difficult and time consuming. Safety concerns often dictate that an orifice be sized for maximum demand. As a result, the cooling water pump must be sized for, and often must operate at, excessively high flow rates.

Sometimes attempts are made to balance a system by using a globe valve and manually throttling the flow. Unfortunately, this approach often leads to an operator opening the valve fully when maximum flow is needed, then never readjusting it. Again the result is high flow when the system requires average or minimum flow.

Too much flow is indicated by a cooling water outlet temperature only a few degrees above the inlet. This unbalanced flow condition leads to higher pump energy consumption and distant or elevated areas that are often starved for water.

Higher cooling water return (outlet) temperatures result in lower cooling water consumption. Under these conditions, cooling water temperatures should be increased to the maximum permitted by the process. This increase is accomplished by minimizing the flow. But before this action is taken, other conditions must be evaluated.

Higher temperatures (above 120 F) can cause calcium to precipitate out of water at a high rate, resulting in scaling and leading to increased pressure drop and reduced heat transfer. Increased temperatures also promote algae growth. The rate varies with quality of water and type of treatment.

Distributing cooling water throughout a system requires proper controllers that maintain outlet temperatures within a specified range, even during partial cooling. If outlet temperatures cannot be increased, controllers can still reduce the flow when water requirements drop.

Control valve configurations

Control valves are successfully applied in a variety of cooling water systems. In most systems, a proportional CW control valve can be installed in the return line (Fig. 1). The valve, which controls the water flow rate in direct proportion to the outlet temperature, should be located as close to the cooler as possible.

When the cooling water is cold, the valve reduces the flow rate to a slight bleed. As the outlet temperature rises, the valve opens and regulates the flow to maintain a constant discharge temperature. The CW valve should be designed to maintain a constant bleed flow. Without some flow, the valve sensing element cannot tell what is going on.

Use of CW control valves ensures automatic balancing of the cooling water system, because the valve uses only as much water as the cooler requires. Reduced water use ensures an adequate supply of cooling water is provided, even to areas far from the cooler or at higher elevations.

Maintaining a process temperature at a precise value requires a different control scheme. A temperature sensor (thermocouple), controller, and pneumatically or electrically actuated control valve can be used. Another option is a self-acting control valve with a capillary tube (Fig. 2) inserted in the process stream. Either arrangement controls process stream temperatures with varying degrees of accuracy. In many cases, the self-acting valve offers reasonable accuracy at a lower installed cost.

Application guidelines

In applications that have an open discharge to a drain, the CW valve discharge line should always be full. This condition can be ensured with a loop seal at the outlet piping at an elevation above the valve that then goes to grade (Fig. 3). Without a liquid seal, lines may empty when equipment is shut down. Liquid or wax-filled thermostatic seal elements can dry out and fail prematurely.

A strainer may be installed upstream of the CW valve if water quality conditions require. Dirt and debris affect proper closing and stroking of the valve. If this problem exists, a pneumatic override (Fig. 4) can be used to purge the valve of dirt.

The best way to control algae growth and buildup is to maintain high water quality. Other factors contributing to algae growth include temperature and velocity. Keeping the temperature below 120 F is desirable. Sizing the flow rate to achieve a higher velocity also tends to hinder algae growth. Algae slime has been known to form in lines with velocities that can reach as high as 10 ft/sec.

The cooling water side of a process is often overlooked as uncontrollable. However, cooling water control valves can promote savings by reducing the use of water, pump energy requirements, and water treatment costs. In new construction, smaller pipe and pump sizes can lower capital equipment costs. CW valves also provide better process control by maintaining a fixed temperature difference across the cooling water inlet and outlet. In most cases, analyses justify the installation of such controls.

-- Edited by Jeanine Katzel, Senior Editor, 847-390-2701, j.katzel@cahners.com

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The author will answer technical questions about this article. He may be reached by phone at 201-403-1556 or by mail in care of his company, 10 York Ave., West Caldwell, NJ 07006.

Key concepts

Optimal operation of cooling water systems helps limit algae growth and cool equipment properly while maintaining proper temperatures.

Cooling water control valves reduce water use, pump energy requirements, and water treatment costs.

Water and energy savings typically provide rapid payback on the valve system investment.

Justifying the costs

Savings in cooling water and energy typically provide a rapid payback on the valve system investment. Cooling water control valves also reduce capital costs of a new installation by allowing use of smaller pumps and filters, and, in some cases, reduced pipe sizes.

An example of savings achieved in a retrofit system is shown below.

Existing conditions:

Q = heat removal rate of cooler, 700,000 Btu/hr

T(sub i) = inlet cooling water temperature, 50 F

T(sub o) = outlet cooling water temperature without control, 59 F

C(sub p) = specific heat, 1 Btu/lb/deg F

m = mass flow rate, lb/hr

v = volumetric flow rate, gpm

m = Q/C(sub p) (T(sub o) - T(sub i) ) = 700,000/1(59 - 50) = 77,777 lb/hr

v = 155.5 gpm

(For v, to convert lb/hr to gpm divide by the conversion factor of 500, which is arrived at by multiplying 8.33 lb/gal. of water by 60 min/hr.)

After a CW valve is installed, the discharge temperature can be set to 82 F. Inserting the new T(sub o) into the equation yields:

m = Q/C(sub p) (T(sub o) - T(sub i) ) = 700,000/1(82 - 50) = 21,875 lb/hr

v (new volumetric flow rate) = 43.7 gpm

In a system in which water is not recirculated, water use drops 72%. In a closed loop system, a certain amount of water is lost to evaporation in the cooling tower and during blowdown. Water treatment costs also must be taken into account in the analysis.

In addition to water savings, energy is conserved because less power is needed to pump less water. The pump energy savings figure shows three discharge head charts. Efficiency and power consumption of a typical centrifugal pump are plotted against volume displacement. Note that even with a reduction in efficiency, power consumption is 6.5 kW before the control valve is installed and 3.5 kW afterward, a 46% energy reduction.

At a treated water cost of $0.50/1000 gal. and energy cost of $0.05/kWh, annual savings total $7190. The figure assumes a 10% water loss from blowdown evaporation. Annual savings for an open discharge system are more than $60,000.

 

Como Satisfacer la Sed de las Torres de Enfriamiento

El consumo de Agua es un área de operaciones de construcción en la que los administradores de instalaciones pueden hacer una gran diferencia. De acuerdo con el edificio de Propietarios y Administradores Association (BOMA) Internacional, edificios de oficinas comerciales de un solo uso solo - sexta parte del mundo ' suministro de agua dulce s. Es responsabilidad de los que manejan el uso del agua a emplear métodos para reutilizar siempre que sea posible.

Un método consiste en utilizar agua regenerada - que se usa previamente y ha pasado por tratamiento avanzado - en el enfriamiento de los sistemas de torre. Estos sistemas son grandes consumidores de agua a una instalación, con aproximadamente tres galones de agua por minuto necesaria para cada tonelada de refrigeración el sistema debe proporcionar.

También está el factor de desperdicio a considerar. “ En términos generales, aproximadamente el 1% de esa agua va a evaporar, ” dice Mark Hodgson, director, la calidad del aire ambiental en Clayton Services Group en Edison, Nueva Jersey. “ Teniendo en cuenta que los edificios más grandes utilizan miles de toneladas de refrigeración por día, hay miles de galones de agua de recirculación y cientos de galones de evaporación todos los días. ”

El agua gris, definido por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) como “ de aguas residuales compuesto de agua de lavado de cocina, baño, y los sumideros de lavandería, bañeras, y las arandelas ” puede ser utilizado para un número de propósitos secundarios, incluyendo el agua para los sistemas de refrigeración. Las aguas grises también se puede definir como cualquier que no es apta para el consumo. Esto puede incluir otros tipos de agua utilizada, como que a partir de cisterna de un retrete.

Dado que el agua utilizada en las torres de refrigeración no tiene que ser de calidad potable, con el nivel adecuado de tratamiento, el agua recuperada puede satisfacer las necesidades de los sistemas sin estar constantemente sobre la base de la alimentación fresca. En su lugar, una planta de tratamiento de aguas residuales toma agua utilizada en, lo trata, y la envía a una instalación.

La Autoridad de Agua y Alcantarillado de Orange (OWASA) en Carrboro, Carolina del Norte comenzará a proporcionar este servicio a la Universidad de Carolina del Norte (UNC) en 2007. La universidad utilizará inicialmente el agua recuperada en torres de refrigeración en su campus principal. La demanda promedio día 2007

Que llevó el proyecto fue una grave sequía en la región durante los años 2001 y 2002. Para hacer frente a futuras sequías, OWASA y UNC llevaron a cabo un estudio conjunto, con la ayuda de una empresa de ingeniería, para evaluar la viabilidad del uso de agua regenerada. Después se trataron las cuestiones técnicas y de salud, se determinó tal sistema sería beneficioso.

Margaret Holton, PE, agua, aguas residuales y aguas pluviales con gestor de servicios de energía UNC, dice, “ Las torres de enfriamiento fueron escogidos [para este proyecto] debido a que utilizan grandes cantidades de agua durante todo el año. Además, el uso máximo coincide con la comunidad de la punta de verano - de ancho. ”

El proyecto $ S 15 millones financiado en parte a través de subvenciones estatales y federales por un total de $ 2,5 millones. Debido UNC será inicialmente el único cliente, que está pagando el resto de los costos del proyecto. Unos 14,200 pies de tuberías de distribución de agua regenerada actualmente se están instalando a partir de una planta de tratamiento de OWASA al campus de la UNC.

La Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire - Acondicionado (ASHRAE) está estudiando este tipo de reutilización de agua para torres de enfriamiento. Un foro titulado, “ ¿Qué necesita saber sobre el agua gris antes de que pueda ser usado en sistemas HVAC de refrigeración? ” Se llevó a cabo el pasado junio en la reunión anual de ASHRAE para centrarse en el potencial de las aguas residuales municipales tratadas terciario.

Hodgson, que presidió el foro, dice, “ torres de enfriamiento fueron discutidos como un aspecto, ya que las torres son, probablemente, el mayor consumidor de agua en un sistema de construcción.

“ Mientras que las torres de refrigeración don ' t requieren agua de calidad potable, ” continúa, " en la mayoría de los casos, tales como edificios de oficinas, que es la única oferta disponible. ” Esto es en gran parte debido a que la infraestructura para transportar el agua tratada a una instalación no está en su lugar en la mayoría de los sistemas municipales.

En el foro, cuestiones sobre el uso de este tipo de efluentes en las torres de refrigeración incluyen salvaguardas de salud, el diseño actual de las torres y los requisitos de infraestructura.

“ La principal preocupación de que la mayoría de los ingenieros se enfrentan es la salud y la seguridad, ” señala Hodgson. “ Debe haber una cierta cantidad de cuidado y una cierta cantidad de precaución de seguridad adicional para el tratamiento del agua. Sin embargo, la industria de tratamiento de agua siempre ha expresado una gran cantidad de confianza que sabe cómo tratar a esta [efluentes]. ”

Con respecto al diseño de las torres de refrigeración a sí mismos, los asistentes al foro de ASHRAE se centraron en dos cuestiones. “ Esta agua tiende a tener un mayor nivel de sólidos en suspensión que el agua de la ciudad, ” dice Hodgson. “ Los sólidos en suspensión pueden precipitar sobre las superficies y reducir la transferencia de calor. Esto sería restringir el flujo dentro del sistema, el que se presente una penalización energética. ” Esto significa necesitaría ser gastada para mantener el flujo adecuado de agua a través del sistema de refrigeración más energía.

“ También hubo cierta preocupación en cuanto a si la metalurgia de los sistemas de enfriamiento existentes es suficientemente robusto para soportar lo que podría ser un entorno algo más dura [del efluente], ” dice Hodgson. “ Aumenta el riesgo de corrosión. ”

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