冷却塔：蒸発損失と補給水

2017年4月1日 | U. Vengateson、National Petrochemical Co. 著

質量とエネルギーバランスの計算を適用すると、重要な運用上の洞察が得られます

冷却塔は、化学プロセス産業 (CPI) の運用において重要なユニット運用です。 質量とエネルギーバランスの計算を適用することで、プロセスエンジニアは蒸発損失、ブローダウン、補給水の要件を評価し、冷却塔の性能を評価することができます。 この記事では、例示的な研究で誘導通風冷却塔を紹介し、いくつかの重要なパラメーター (範囲、アプローチ、効率) とその重要性について説明します。 蒸発損失を推定するための 2 つの方法について説明します。 ブローダウンや補給水の要件も詳しく説明されています。

プロセスストリームの冷却と蒸気の凝縮は、CPI 操作における重要な機能です。 冷却塔の使用は、CPI 操作で廃熱を抽出する最も一般的な方法であり、そのような操作の大部分では、廃熱を除去するために水が最も一般的に使用される冷却剤です。 1 日あたり 40,000 メートルトン (mt) の原油を処理する典型的な大規模石油精製所では、80,000 m 3 /h の冷却水が必要です。 これは、処理される原油 1 バレルあたり 25 バレルの水にほぼ相当します [1]。

冷却塔では、熱水流 (通常、冷却水戻りと呼ばれます) がスプレー ノズルを通って下向きに塔内の充填物に導入されます。 スプラッシュ、トリクル、フィルムなど、さまざまなタイプの充填があり、表面積を増やして熱水流と空気の接触を最大化することを目的としています。 空気が塔内を上昇する際に水から蒸発潜熱を受け取り、水が冷却されます。

経験則として、水冷が 10°F (5.5°C) ごとに、水の総質量の 1% が蒸発により失われます。 上昇気流の湿度レベルは増加し、塔を離れると気流はほぼ飽和します。 典型的な冷却塔の高さに沿った水の温度プロファイルと空気の湿球温度を図 1 に示します。

図 1. ここに示されているのは、熱水入口流が冷却塔の頂部から流れ落ち、空気流が冷却塔の高さに沿って上向きに流れるときの水温と空気流の湿球温度の典型的な変化です。タワー

冷却された水は冷却塔のサンプ (または盆地) に集められ、通常は冷却水供給 (CWS) の流れとしてプラントにポンプで送られます。 プロセスユニットから熱を抽出した後、このストリームは冷却水戻り (CWR) ストリームとして冷却塔に戻されます。 プロセスユニットから抽出された熱負荷は、最終的に冷却塔内の環境に放出されます。 冷却塔は、CWR 温度を CWS 温度まで下げることによって、プラントから抽出される熱負荷全体を除去するように設計されています。

図 2 に示すように、プロセス装置からの CWR ラインは工業用冷却塔に 45°C で入り、33°C で出ます。塔には 3 つのセルがあり、それぞれが 2,500 m 3 /h の水流で動作します。 総流量 7,500 m 3 /h が CWR ラインで測定されます。 吸入空気の乾球温度と湿球温度は、それぞれ 30.3 °C と 29 °C と測定されます。 出口空気の乾球温度は 41.5°C で、100% 飽和していると想定されます。 このケーススタディは、未知の変数、つまり蒸発損失、塔を通る空気流量、ブローダウン流量、および必要な補給水流量を計算することを目的としています。 まず、重要なパラメーター (アプローチ、範囲、効率) について詳しく説明します。

アプローチ。 このアプローチは、塔出口の水温 (t out) と入口空気の湿球温度 (T w,in) の差として定義されます。 このアプローチは冷却塔の能力を表しています。 一般に、タワーが大きくなるほど、アプローチは小さくなります。 このケーススタディでは、アプローチは 4°C です。

理論的には、冷却塔を通じて達成できる最大限の冷却の程度は、周囲空気の湿球温度の水流を生成することです。 ただし、この理論上の最大値を達成するには、タワーの高さを無限大にする必要があります。 したがって、CWS 温度の実際的な限界は、周囲空気の湿球温度より 4°C 高いと一般的に考えられています。 設計目的では、最悪のシナリオ、つまり夏季の湿球温度を考慮する必要があります。

範囲 (ΔT)。 範囲は、冷却塔の入口と出口の水温の差 (t in – t out) です。 この場合、範囲は 12°C です。 この範囲は冷却塔の能力を表すものではありません。 むしろ、この範囲は冷却水の循環流量 (L in) とプロセスユニット内の熱交換器から取得される熱負荷の合計 (Q) に基づいており、装置のサイズや能力とは関係ありません。冷却塔。 一方、他のすべての条件が変更されない場合、射程距離が増加すると接近距離も増加します。 範囲は式 (1) に示されています。

冷却塔効率 ()。 冷却塔の効率は、式 (2) に示すように、理論的に可能な最大冷却 (つまり、アプローチがゼロの場合) に対する実際の冷却 (範囲) の比率です。

理論的には、ゼロに近づくとタワーの効率が 100% であることを意味します。 工業用冷却塔のアプローチ温度は通常 4° ～ 8.5°C、効率は 70 ～ 75% です [2]。 この場合、効率は 75% です。

方法 1. 蒸発損失と塔を通る空気流の要件は、質量とエネルギーの平衡方程式を同時に解くことによって評価できます。

式 (3) を使用して、タワーのセクション全体に質量バランスを適用します。 式（3）に示すように、注ぎ込む液体中の水の蒸発量（e L）は、入口液体流量（L in）と出口液体流量（L out）とドリフトの合計との差です。損失 (d L)。 これは、タワー全体の空気の含水率の差に等しい。

どこ：

G' = 乾燥空気流量 (入口空気流と出口空気流で同じまま)、乾燥空気 kg

Y = 絶対湿度、kg 水/kg 乾燥空気/h

添え字 in と out は、入口と出口の位置を示します。

全体的なエネルギーバランスは式 (4) で与えられます。

どこ：

h = 液体エンタルピー、kJ/水 kg

H = 湿った空気のエンタルピー、kJ/kg 乾燥空気

式(3)のL out を式(4)に代入し、漂流水のエンタルピーhdをh out と仮定して式(4)を簡略化すると、式(5)が得られます。

質量と熱の平衡方程式 [方程式 (3) と (5)] を同時に解くと、蒸発損失 (e L) と乾燥空気要件 (G') は 132,000 kg/h、G' = 4,699,850 kg 乾燥と推定されます。それぞれ空気/時間。

図 3. この乾湿図では、症例履歴からの関連するプロセス条件がベクトル AB としてマークされています

方法 2. 入口空気の温度 (熱いか冷たいか) に応じて、空気は冷却塔の高さに沿って移動するときに加熱または冷却されます。 図 3 に示す乾湿図では、空気の流入状態を点 A で示し、出口空気（完全に水で飽和した状態）を点 B で示します。乾燥空気のエンタルピー差は ( HA –HB) です。 。 ベクトル AB は 2 つの成分の合計です。 水平成分 AC は空気の顕熱加熱を表し、垂直成分 CB は空気の潜熱を表します。 冷却塔では、入口空気条件が D[3] の場合、空気を冷却することもできます。 点 D では、点 A の空気と比較すると、空気は高温で乾燥しています。

成分 DE は顕熱冷却、成分 EB は空気の潜熱です。 空気が受け取る正味の熱は、潜熱空気加熱と顕熱空気冷却の差です。

AB プロセスの場合、空気の乾球温度は出口で上昇します。つまり、出口空気は入口空気に比べて熱くなります。 しかし、DB の場合、空気の乾球温度が低下するため、出口で空気が冷却されます。 どちらの場合も、出口空気の湿球温度は入口空気の湿球温度と比較して常に上昇します。 したがって、冷却塔を流れる水は、空気が熱いか冷たいかに関係なく、不飽和空気によって冷却することができます。

このケーススタディでは、DBT と WBT のフィールド測定から、絶対湿度、飽和湿度、入口空気と出口空気の湿った空気エンタルピーなどの乾湿量特性を評価できます。 湿り空気チャートでは、入口空気は点 A としてマークされ、出口空気は点 B としてマークされます。 別の仮想点 C は、点 B と同様の乾球温度と点 A と同様の絶対湿度を持つようにマークされています。点 C は仮想的なものであり、地球上のどの位置にも対応しないことに注意する必要があります。冷却塔; ベクトル AB の水平成分と垂直成分を確認するために、チャート上で点 C がマークされます。 点 C の湿った空気のエンタルピーが計算されます。

空気によって得られる全熱 (HB –HA) には、潜熱伝達 (HB –HC) と顕熱伝達 (HC –HA) の 2 つの要素があります。 水側から放出される総熱量に対する伝達される潜熱の割合（e L  o）は式（6）の左のようになり、この式は乾水側に加えられる潜熱の割合と数値的に等しくなります。空気から得られる総熱量は、式 (6) の右側に示されています。

式 (6) から、e L は 132,000 kg/h と計算されます。 なお、この方法では乾燥空気流（Ｇ'）は必要ない。 e L が評価されると、物質収支方程式 [(式 (3))] から G' が推定されます。この場合の潜熱伝達と顕空気加熱の分割は、それぞれ約 85% と 15% になります。

回路内の水の損失を補うために、補給水 (L m) がサンプに追加されます。 水損失には、蒸発損失 (e L)、ドリフト損失 (d L)、ブローダウン (L b)、およびシステム内のその他の漏れ損失 (OL) (ポンプ シール、配管漏れ、洗浄水およびフィルターからの損失など) が含まれます。逆洗。

ドリフト損失。上向きに流れる空気流に巻き込まれた小さな液滴はミストエリミネーターに収集され、そこで蓄積して大きな液滴を形成し、最終的に充填物に戻されます。 一般に、液滴の形で空気と一緒に運ばれる水はほとんどありませんが、それらの水滴は漂流損失または風損と呼ばれる水の損失を引き起こします。 この漂流水には通常、溶解固体が含まれており、近くの建物や構造物に汚れ、腐食、損傷を引き起こす可能性があります。 ドリフトロスは通常、循環水量（Lin）の0.1～0.3％程度です。

蒸発損失と漂流損失を補うために、追加の補給水が追加されます。 補給水には通常、溶解固体が含まれるため、冷却塔内で水が蒸発するにつれて、これらの固体は通常、サンプ水の中に残されます。 一方、冷却水は非常に効果的なエアスクラバーであるため、上昇する空気中に存在する塵や破片は、降り注ぐ水によって洗い流され、サンプに集まります。 固体がサンプ内に蓄積すると、冷却水回路内でスケール腐食や生物的汚れが発生する可能性が高まります。 冷却塔回路から継続的に少量の水を取り出す（ブローダウン）ことにより、冷却水中の溶解固形分濃度を許容範囲の上限値以下に低減し、プラントの冷却水水質仕様を満たすことができます。 。

倒す。 ブローダウンを除去するには、ホットブローダウンとコールドブローダウンの 2 つの方法があります (図 2)。 高温ブローダウンとは、冷却水戻りライン内の水を廃液に継続的に除去することを指します。 この場所では水が高温であるため、環境への影響の可能性があるため、用途によっては高温ブローダウンが許容されない場合があります。 場合によっては、冷却塔へのスループットが低下し、全体的な冷却性能が向上するため、これが望ましい場合もあります。

図 2. この概略図は、ケーススタディの冷却塔システムのパラメータを示しています。 注: 3 つのセルと 3 つのファンはすべて一緒にまとめられ、1 つのユニットとして表示されています。

低温ブローダウンとは、冷却水ポンプの出口から廃水へ水を継続的に除去することを指します [4]。 これらの流れには溶解固体が含まれるため、システムからのドリフト損失および漏れ損失もブローダウンとして考慮されます (ただし、そのような損失は意図的なものではありません)。

水のブローダウン量は、方程式 (8) を使用して、ブローダウンと補給水に溶解した固形分 (ほとんどが塩化物) の量の比として定義される濃度サイクル (CC) を計算することによって確立されます。

ドリフト損失と漏れ損失が無視できると仮定し、以下の式 (9) で示される水のバランスを解きます。

溶解固体バランスは以下の式 (10) に示されており、ブローダウンは式 (11) を使用して計算されます。

さらに、ドリフトを含む必要な補給水の量は、式 (12) を使用して推定されます。

必要な補給水は主に蒸発損失と上で計算したCCに依存します。 式 (11) から、考慮すべき CC の最小値は 2 であることに注意してください。これには、蒸発で失われる水の量と同じ量のブローダウンが必要です。 図 4 に示すように、CC を 2 未満に減らそうとすると、大量の補給水が発生します。

図 4. 補給水の必要量と濃度のサイクルをここに示します。

より高いＣＣは、Ｃ ｍ がゼロに近づく傾向があることを意味する（補給水の品質が良好であることを示す）。 しかし、これは原水の水処理というコストをかけて達成されます。 このケーススタディでは、最適な要件として典型的な集中サイクル (CC= 5) が考慮されています。 蒸発損失と濃縮サイクルに基づいて、式 (11) と式 (12) を使用して冷ブダウンと補給水がそれぞれ 33,000 kg/h と 165,000 kg/h として計算されます。 さらに、ドリフト損失が 0.2% でシステム漏れがないと仮定すると、補給水は 180,000 kg/h として考慮する必要があります。 n

スザンヌ・シェリー編集

1. アメリカ石油協会、運転技術学習プログラム — 冷却塔、1995 年。

2. Huchler, L.、冷却塔、パート 2: 運用、監視および保守、化学工学の進歩、2009 年 10 月。

3. 米国暖房冷凍空調技術者協会、『ASHRAE ハンドブック』、第 39 章 — HVAC システムおよび機器、2008 年。

4. Smith, R.、「化学プロセスの設計と統合」、John Wiley & Sons Ltd.、2005 年。

Uthirapathi Vengateson は、サウジアラビア、ヤンブーにある National Petrochemical Co. のシニア プロセス設計エンジニアです (電話: +966 534878029; 電子メール: [email protected], [email protected])。 Vengateson は 17 年間、プロセス エンジニアリングの設計、研究開発、化学および石油化学プラントの試運転に携わってきました。 これ以前は、インドのニューデリーにある Lurgi India Company Ltd. で働いていました。 Vengateson は、マドラス大学で化学工学の学士号 (B.Tech.)、アンナ大学で石油精製と石油化学の修士号を取得し、博士号を取得しました。 インドのニューデリーにあるインド工科大学で化学工学の学士号を取得しました。