Parmi les procédés de réfrigération utilisés dans l'industrie, on distingue trois types principaux : - les circuits fermés, - les circuits ouverts, - les circuits semi-ouverts.
Parmi les procédés de réfrigération utilisés dans l'industrie, on distingue trois types principaux :
- - les circuits fermés,
- - les circuits ouverts,
- - les circuits semi-ouverts.
CIRCUITS FERMÉS
Ils sont dits « fermés » dans le sens où l'eau en circulation n'a aucun contact avec l'atmosphère ; l'élimination des calories étant obtenue par un dispositif aérotherme fortement ventilé.
L'avantage de ce procédé est qu'il ne consomme théoriquement pas d'eau et qu'il est très facile de maintenir une composition homogène de cette eau dans tous les points du circuit, tout en utilisant très peu de réactifs.
Les inconvénients viennent :
- — du dispositif de refroidissement qui est en général assez volumineux, en raison du moindre échange calorifique dû au procédé lui-même, ce qui conduit à une installation d'assez grande envergure,
- — de l'obtention d'une température « basse » relativement élevée. Cette technique est assez peu répandue.
Conditionnement de l'eau :
Si les circuits étaient vraiment fermés il n'y aurait aucune raison de conditionner car la dureté précipiterait dès les premières heures de marche et la corrosion par oxygène et CO₂ cesserait dès que ces gaz auraient consommé une infime partie du métal du circuit. Mais les circuits dits « fermés » ne le sont pratiquement pas en totalité.
Il y a fréquemment des pertes aux presse-étoupes des pompes par exemple, des prélèvements clandestins et des pertes par évaporation dans le vase d'expansion.
Il est donc nécessaire de pratiquer des appoints d'eau. Pour éviter l'entartrage et surtout les corrosions sous incrustation — liées à l'oxygène — on a intérêt à réaliser l'appoint en eau pure (eau adoucie, ou mieux encore eau déminéralisée) et d'organiser la lutte contre la corrosion.
Deux solutions peuvent être utilisées :
- ° Le conditionnement aux chromates de sodium ou de potassium à forte concentration, 1 à 2 g/l exprimé en CrO₄ pour permettre la passivation du métal ;
- ° Le conditionnement aux nitrite-borate-organique à forte concentration à 1 g/l.
Ces produits sont aussi des inhibiteurs de corrosion mais ils contiennent en outre un tampon pH qui favorise leur efficacité.
par F. GuiguesACTIM - Colloque de Barcelone (novembre 1976)
N.B.
- 1°) Ces produits sont très toxiques et on ne peut les déverser dans le milieu naturel sans traitement préalable (réduction des chromates par SO₂, Na₂SO₃, HNaSO₄, FeSO₄ qui provoquent le passage du chrome hexavalent Cr⁶⁺ sous forme de chrome trivalent Cr³⁺ lequel peut être précipité par la chaux à l'état de Cr(OH)₃).
- 2°) Ce traitement est encore valable pour des eaux dont la dureté est inférieure à 10 °f.
2. CIRCUITS OUVERTS
C'est un procédé très répandu lorsque l'on dispose d'eau en assez grande quantité pour être utilisée sans récupération, ou bien lorsque les besoins sont tels par ailleurs, que l'on peut employer cette eau brute pour la réfrigération dans l'usine, avant son utilisation en divers points.
Dans ces conditions, l'investissement est limité à son strict minimum, c'est-à-dire, au poste de conditionnement qu'il est indispensable de pratiquer.
Traitement de l'eau :
Il s'agit, en général, d'eau brute présentant une dureté bicarbonatée plus ou moins grande et, bien entendu, au cours du cheminement dans les circuits à refroidir, il y a précipitation d'une partie de la dureté carbonatée sur les surfaces soumises à une élévation de température, principalement lorsque celle-ci dépasse 40 °C, mesurée au point de contact du film d'eau.
Le traitement consiste en une vaccination par les polyphosphates à raison de 1 mg/l par 10 °F de TAC. Un traitement limite peut être également pratiqué à l'aide de polyphosphates vitreux, à raison de 2 à 3 mg/l. Il est bien entendu que la température de parois ne doit pas dépasser, dans ces conditions, 80 °C pour les polyphosphates, et 90 à 95 °C pour les polyphosphates vitreux.
Lorsque l'on a affaire à des eaux brutes douces, ou relativement douces, le problème de corrosion devient prédominant ; aussi, il faut s'orienter vers un conditionnement soit par les polyphosphates vitreux, en augmentant sensiblement les doses indiquées précédemment, soit vers d'autres types de traitement, tel que l'emploi de silicates vitreux, ou bien silicates liquides.
Dans tous les cas, la consommation de réactifs n'est pas négligeable.
Une chloration est souvent nécessaire pour éviter tout risque de colmatage par les boues formées d'organismes vivants.
Chloration continue :
0,2 à 0,5 mg/l de chlore dans l'eau du circuit.
Chloration de choc :
30 mg/l de Cl pendant 30 minutes (15 mg/l quand inox) ou les deux à la fois.
Si le ΔT reste inférieur à 1 à 2 °C on ne pratique généralement aucun conditionnement si ce n'est un traitement contre les développements bactériens.
III. CIRCUITS SEMI-OUVERTS
On appelle « circuits semi-ouverts », tous les circuits dont l'eau est recyclée et dans lesquels on se contente d'effectuer un appoint d'eau pour compenser les pertes.
Ces pertes ont différentes origines :
- — l'évaporation, qui entre dans le procédé de refroidissement par ruissellement à l'intérieur de tours dites « de réfrigération »,
- — l'entraînement vésiculaire, dont le pourcentage est fonction du type d'évaporateur,
- — les pertes par fuites dans les circuits dues aux imperfections,
- — les purges de déconcentration.
Evaporation « E ».
La quantité de kcal à évacuer à l'heure est de Q × ΔT, Q étant la quantité d'eau recyclée à l'heure et ΔT la différence de température entre les points hauts et bas de la tour de réfrigération.
Si l'on prend une chaleur de vaporisation moyenne de 585 kcal par kg (correspondant à une température de 20 °C) d'eau évaporée, l'évaporation totale serait de :
(1) E = Q × ΔT / 585
Il découle de ceci (1) que la perte par évaporation est de l'ordre de 1 % par 6 °C de ΔT environ.
Entraînement vésiculaire :
— E.V.
L'entraînement vésiculaire est de l'ordre de 0,2 à 2 % de Q. On compte, habituellement, 0,3 %. Cette valeur varie en fonction du type de tour de réfrigération et de sa construction.
Il est bien certain que, puisqu'il y a évaporation, il y a aussi concentration, laquelle se trouve légèrement limitée par l'entraînement vésiculaire.
Cet entraînement vésiculaire ne suffit pas à limiter la concentration de l'eau en circulation à une valeur compatible avec certains paramètres sur lesquels nous revenons ci-contre. Il est donc nécessaire de pratiquer une purge dite « de déconcentration ».
Nous examinerons succinctement les modes de calcul des taux de déconcentration, des purges et à l'appoint, en utilisant les symboles suivants :
C = Concentration E = Évaporation P = Purge EV = Entraînement vésiculaire P' = P + EV A = Appoint
Calcul du taux de concentration « C »
Il y a deux sortes de pertes : – celles entraînant une déconcentration du circuit, soit Purge + Entraînement Vésiculaire P + EV = P' – celle entraînant une concentration du circuit, soit Évaporation E
La concentration C est égale à :
E + P + EV E C = ——————— = — + 1 P + EV P'
Dans le cas où il ne serait pratiqué aucune purge de déconcentration (P = 0) la concentration serait égale à :
E + EV E C = ————— = — + 1 EV EV
Calcul de la purge « P »
Le bassin d'eau froide du réfrigérant doit être purgé pour éviter la concentration C à la valeur désirée (fonction des caractéristiques de l'eau, du conditionnement, etc.).
La valeur de P est tirée de (2) :
CP + CEV = E + P + EV P (C − 1) = E − EV (C − 1) E P = —— − EV C − 1
Calcul de l'appoint « A »
Il est nécessaire de pratiquer un appoint A pour compenser : – l'évaporation – l'entraînement vésiculaire – la purge de déconcentration — les pertes dues aux défectuosités du circuit (considérées comme nulles dans ce qui suit),
A = E + EV + P E EC A = E + EV + —— − EV = E + —— + —— C − 1 C − 1 C − 1
En conclusion :
Évaporation E = E = Q × Δt / 585 ordre de 1 % de Q par 6 °C de Δt Entraînement vésiculaire EV = de 0,2 à 2 % on compte 0,3 % E Concentration (quand P = 0) = C = —— + 1 (quand P = 0) EV E C = —— + 1 P' E Purge P = —— − EV C − 1 EC Appoint A = —— C − 1
Les problèmes qui se posent sont de trois sortes :
— entartrage et dépôts, — corrosion, — développement d’organismes vivants tels que bactéries, champignons, algues.
En effet, l'évaporation d'une partie de l'eau de circulation entraîne une concentration des sels contenus dans l'eau d'appoint et favorise la précipitation de sels peu solubles de calcium et de magnésium qui constituent les éléments de la dureté des eaux.
Le plus dangereux de ces sels est le carbonate de calcium appelé communément tartre carbonaté.
Il est en effet très peu soluble — 20 à 30 mg/l — et se forme en abondance car le bicarbonate de calcium contenu généralement en grande quantité dans les eaux brutes se dissocie, sous l'action d'une élévation de température et de la concentration, en donnant naissance à du carbonate qui précipite, suivant la réaction :
Ca(HCO₃)₂ ⟶ CaCO₃ + CO₂ + H₂O Bicarbonate de calcium très soluble (760 mg/l environ) Carbonate de calcium qui précipite (solubilité 36 mg/l environ)
Le sulfate de calcium — CaSO₄ — (coefficient de solubilité négatif) peut précipiter également au contact des parois chaudes lorsque sa limite de solubilité se trouve atteinte.
Les boues minérales et organiques, la silice, les oxydes de fer produits par la corrosion, participent activement à la formation de dépôts.
D'autre part, la présence d'oxygène dissous assure un niveau de corrosivité élevé, exacerbé par une teneur excessive en acide carbonique.
On a, par ailleurs, fréquemment envisagé de déterminer et de maintenir des conditions dites d'équilibre pour l'eau en circulation où celle-ci ne s'avérerait ni entartrante ni corrosive.
Ceci est réalisable en théorie mais pas en pratique car l'équilibre ne peut être établi que pour une température déterminée, alors que ce facteur, évoluant nettement tout au long du circuit, provoque sans cesse la rupture de l'équilibre.
Aussi est-on conduit à fonctionner soit en milieu agressif et corrosif, soit en milieu entartrant, et à faire appel à des inhibiteurs susceptibles d'enrayer la corrosion dans le premier cas, l'entartrage dans le second.
Pour se placer dans des conditions d'agressivité et de corrosivité, on a le plus souvent recours à une réduction de l'alcalinité en procédant soit à une décarbonatation de l'eau d'appoint à l'aide de chaux ou par traitement sur résines échangeuses d'ions de type carboxylique ou encore par une addition d'acide.
On obtient ainsi la destruction du titre alcalimétrique complet ou TAC jusqu'au niveau requis.
Enfin, les tours de réfrigération réunissent des conditions privilégiées pour le développement d'algues, de champignons : luminosité, aération, température, dégagement de CO₂, etc.
De même, les circuits peuvent être le siège de proliférations bactériennes plus ou moins importantes, selon la présence de nutrients (dérivés azotés, phosphatés, gaz hydrocarbonés, hydrocarbures, etc.).
Tous ces organismes et microorganismes vivants provoquent des troubles d'exploitation, par suite de la formation de dépôts qui réduisent l'échange thermique, augmentent les pertes de charge, favorisent les corrosions attribuées principalement au phénomène d'aération différentielle et à l'action de bactéries ferrugineuses et sulfato-réductrices.
Orientation du choix des inhibiteurs.
Les inhibiteurs les plus utilisés actuellement (1° d'entartrage — 2° de corrosion) sont :
— les phosphates plus ou moins polymérisés (méta, pyro, etc.) ou phosphates minéraux,
— les phosphonates, polyolesters, etc. ou phosphates organiques,
— les phosphates minéraux associés à du zinc,
— les phosphates organiques associés à du zinc,
— les chromates-zinc.
Les sels de zinc constituent à l'heure actuelle les réactifs les plus utilisés pour inhiber les corrosions par suite de leur action cathodique remarquable, les phénomènes de corrosion se développant toujours suivant un processus électrochimique.
1) Inhibiteurs d’entartrage : ils sont de 2 sortes :
— les phosphates minéraux qui stabilisent la dureté parce qu'ils retardent l'effet de germes, ralentissent la précipitation en gênant la cristallisation du carbonate de calcium — CaCO₃ —. Ils conduisent à des composés amorphes moins adhérents que les précipités cristallisés.
Leur emploi est limité surtout par la température, à cause de leur réversion en orthophosphates, réactif exclusivement « précipitant », et la dureté calcique de l'eau à traiter. Le produit de solubilité du phosphate tricalcique — Ca₃(PO₄)₂ — permet de déterminer les teneurs maxi admissibles en calcium — Ca — et orthophosphates — PO₄ —. Il suffit de se reporter à l'abaque correspondant, qui tient compte de l'influence de la température et du pH.
— Les phosphates organiques qui jouent le même rôle que les minéraux. Leur efficacité est cependant bien supérieure grâce à des propriétés de dispersion et de formation de complexes nettement plus prononcées. Ils sont plus stables.
Ils permettent de stabiliser avec succès des duretés totales supérieures à 100-120°F et temporaires de 30-40°F. La dureté temporaire représente, rappelons-le, la dureté précipitable par élévation de température et décomposition du bicarbonate de calcium, selon le processus de la réaction précédente. Les phosphates organiques exercent la même efficacité que les phosphates organiques.
2) Inhibiteurs de corrosion : Ils sont principalement représentés par :
— les phosphates minéraux,
— les phosphates minéraux associés à du zinc,
— les phosphates organiques associés à du zinc,
— les chromates-zinc.
Les phosphates minéraux utilisables pour stabiliser la dureté sont également inhibiteurs de corrosion. Ils semblent se comporter comme inhibiteurs du type anodique sur les eaux douces (TH < 3 à 5°f), par formation d'oxydes et de phosphates de fer, et du type cathodique sur les eaux de dureté moyenne à élevée par formation de phosphates de calcium.
Leur application se trouve limitée par le produit de solubilité du phosphate tricalcique comme le montre l'abaque ci-après.
Les phosphates minéraux associés à du zinc sont d'excellents inhibiteurs de corrosion. La protection anodique est assurée par les phosphates, la protection cathodique par le zinc.
Leur emploi est limité de la même façon que les produits précédents dont ils sont issus. De plus, la protection cathodique exige que le pH soit maintenu à une valeur assez basse (≤ 7,2 environ) pour éviter que le zinc précipite au sein du liquide plutôt qu’au niveau des cathodes des micropiles de corrosion.
Les phosphates organiques associés à du zinc ne sont pas des inhibiteurs de corrosion, à proprement parler. On les utilise en effet dans des conditions nettement « entartrantes » : qui permettent un dépôt « contrôlé » de carbonate de calcium dont l'effet s'ajoute à celui du zinc pour inhiber les corrosions.
Il en ressort que l'emploi des phosphates organiques n'est pas souhaitable avec des eaux non entartrantes, mais plutôt avec des eaux à caractère entartrant et corrosif à la fois.
Les chromates-zinc sont, dans la majorité des cas, les inhibiteurs qui assurent la protection la plus efficace contre la corrosion grâce aux actions anodique des chromates et cathodique du zinc.
Comme ils ne peuvent exercer aucune protection contre l'entartrage, leur application n'est envisageable que dans des eaux agressives et corrosives.
Un résumé schématique des orientations qui viennent d'être énoncées aboutit à la détermination de domaines d'applicabilité suivants, en fonction de la dureté calcique THCa, du titre alcalimétrique complet TAC et du pH de l'eau en circulation :
— Phosphates minéraux :
• 5°f < THCa < 40°f • 0,5°f < TAC < 10°f • 6,3 < pH à 20°C < 7,2 Acidification par addition de H₂SO₄ en régulation Dose : 12 mg/l en PO₄ Traitement valable pour des températures inférieures à 70°C (à plus haute température le taux d'hydrolyse des phosphates serait trop important).
— Phosphates organiques : associés ou non à du zinc
- • 20 % < THCa < 120 %
- • 20 % < TAC < 40 %
- • 8,3 < pH à 20 °C < 8,8
Dose : 5 mg/l en PO₄. Température : indifférente
— Chromates – zinc :
- • 0,7 % < THCa < 120 %
- • 0,7 % < TAC < 2 %
- • 6,4 < pH à 20 °C < 6,8
Acidification par addition de H₂SO₄ en régulation. Dose : 10 mg/l en CrO₄ pour produit pulvérulent 15 mg/l en CrO₄ pour produit liquide (la teneur en zinc étant plus élevée dans le produit pulvérulent).
Le choix définitif peut être déterminé par les exigences réglementaires en matière de qualité des eaux rejetées.
L’emploi des chromates impose le traitement des eaux de purges de déconcentration, de sorte que les teneurs en chromates résiduels n’excèdent pas 0,1 mg/l si on les exprime en chrome hexavalent — Cr⁶⁺. Cette forme est redoutée à cause de son caractère toxique. Le traitement requis consiste en une réduction à la forme trivalente et en sa précipitation.
De même, on s’intéresse actuellement aux rejets contenant du phosphore à cause de son rôle de nutrient qui participe au phénomène d’eutrophisation des eaux. Pour cela, l’admission des eaux de purges dans une installation d’épuration biologique, lorsqu’il en existe une, paraît constituer la solution la mieux adaptée.
Enfin, on s’attache aussi à réduire les teneurs en zinc à un niveau inférieur à 2 mg/l exprimé en Zn. La précipitation par alcalinisation des rejets représente la voie de traitement la plus efficace.
Ces diverses contraintes doivent nécessairement amener les fournisseurs d’inhibiteurs à rechercher activement des produits mieux adaptés aux problèmes de l’environnement.
F. GUIGUES
