Brevet FR2250116A1 — publié le 19750530

La présente invention concarn3 un dispositif de contrôla automatique de l'alcalinité dans las systèmes évaporaLoir-s. Plus particuliarement, cette invention concerne un dispositif de contrôle automatique da la valeur de l'alcalinité de l'eau recyclée de systèmes évaporatoires en cycles ouvert. Comme on 1- sait, dans ces systèmes, l'eau est normalLmant traitée par des additifs chimiques pour protéger les surfaces échangeuses de chaleur de la corrosion, de la formation de déptscalcaires, de dépôts de boue, etc... Dans le passé, la plupart des traitements chimiques de l'eau recycle dans des systèmes évaporatoires en cycle ouvert comprenaient l'utilisation d'un acide, généralement l'acide sulfurique, pour contrôler le pH de l'eau recyclée de manière à empêcher la formation de dépôts de sels de calcium. La technique adoptée consiste à injecter dans le système, chaque heure, une quantité d'acide calculée par rapport au débit de l'eau d'appoint, en fonction de l'alcalinité réagissant au méthyl-orange, (désignée ci-après sous la nom d'alcalinité M) de ladite eau, en fonction du rapport de concentration de l'eau d'appoint, et de l'alcalinité M pre-fixée pour l'eau recyclée. L'alcalinité M pour l'eau recyclée est calculée pour chaque système de refrigération, et fixée généralement à la valeur qui correspond au début d'une légère activité corrosive dans le système. Cette activité est neutralisée par injection dans le système d'une ou plusieurs substances inhibitrices de corrosion. Dans la plupart des systèmes de refroidissement fonctionnant avec de l'eau traitée par un acide et des inhibiteurs de corrosion, la valeur désirée da l'alcalinité M de l'eau recyclée a été fixée entre 30 et 100 ppm (en CaC03). Dans la pratique industrielle, l'injection d'acide nécessaire pour maintenir ladite alcalinité X, de l'eau du système aussi près que possible de la valeur désirée est réglée en fonction des valeurs du pH trouvées dans l'eau recyclée, et ceci est possible si les valeurs de l'alcalinité tX sont maintenues dans ledit intervalle 30-100 ppm, où il existe une relation effective entre les valeurs de l'alcalinité M et les valeurs du pH dans l'eau du système da refroidissement. Cette relation est donnée dans le tableau 1 suivant (exemples 1 et 2). TABLEAU 1 Analyse de l'eau d'un système de refroidissement pour différentes valeurs de l'alcalinité M exemple 1 - Système d'eau de refroidissement A Alcalinité N, ppm en CaCO3 30 60 pH 5,8 7,2 Dureté totale, ppm en Cacao3 S70 950 Dureté calcique, ppm en CaC03 635 620 Sulfates, ppm en SO. 610 590 Chlorures, ppm en Cl 470 460 exemple 2 - Svsteme d'eau de refroidissement B Alcalinité M, ppm en CaCO3 05 70 pH 7,0 7,4 Dureté totale, ppm en caco3 430 z50 Dureté calcique, ppm en CaCO3 300 330 Sulfates, ppm en S04 490 460 Chlorures, ppm en Cl 75 85 En particulier, le tableau précédent illustre le fait que dans les systèmes de refroidissement comportant un recyclage de 1'eau de refroidissement, quand il faut maintenir les valeurs de l'alcalinité M au-dessous de 100 ppm, le pH de l'eau du système varie d'une manière remarquable également pour des variations de l'alcalinité M de 20-30 ppm. Cette relation existant entre les valeurs du pH et de l'alcalinité M a été largement exploitée dans ce type de systèmes de refroidissement pour contrler l'alcalinité M par contrôle du pH et vice versa. Ceci est prouvé par l'utilisation importante de dispositifs permettant de mesurer et de régler le pH et de dispositifs permettant de rdgler l'alimentation en acide dans les systèmes de refroidissement du type concerné. Une nouvelle méthode du traitement de l'eau recyclée dans les systèmes de refroidissement à tour d'évaporation a connu un succès commercial dans les récentes années et a été très largement adoptée. Ce système, appelé traitement alcalin, nécessite l'utilisation d'inhibiteurs de formation de dépôts calcaires, pour empêcher le dépit de sels de calcium sur les surfaces des parois échangeuses de chaleur. L'addition de l'inhibiteur de dépôt calcaire à l'eau recyclée permet également le fonctionnement du système de refroidissement dans des conditions de formation possible de dépôts calcaires", c'est-a-dire pour des valeurs plus élevées de l'alcalinité M, et pour des valeurs du pH et de la teneur en ions calcium sup8rieures aux valeurs de saturation limites du carbonate de calcium. Quand on adopte ce traitement, on réduit à une valeur minimale la corrosion des parties métalliques de l'équipement, parce qu'il s'y forme une fine couche protectrice de carbonate de calcium et parce que l'acier au charbon desdites parties métalliques est passive par rapport au pH induit dans le système de refroidissement. Les données concernant ce système de traitement alcalin sont fournies dans le Tableau II suivant (Exemples 3 et 4). TABLU Il Exemple 3 - Système d'eau de refroidissement C Alcalinité M, ppm en CaC03 190 300 pH 8,4 8,6 Dureté totale, ppm en CaCO3 1.100 1.030 Dureté calcique,ppm en CaCO3 860 830 Sulfates, ppm en S04 620 480 Chlorures, ppm en Cl 900 850 Exemple 4 - Système d'eau de refroidissement D Alcalinité M, ppm en CaC03 250 120 pH 8,2 8,0 Dureté totale, ppm en CaC03 480 510 Dureté calcique, ppm en CaCO3 350 350 Sulfates, ppm en 504 120 260 Chlorures, ppm en Cl 170 185 Comme on peut le voir, le Tableau II donne les caractéristiques de l'eau recyclée de deux systèmes de refroidissement avec tours d'évaporation, soumise au "traitement alcalin". zn général, dans ce cas, l'alcalinité M de l'eau recyclée est comprise dans l'intervalle 100-400 ppm (en CaC03). La meilleure valeur de ladite alcalinité, dans les limites de cet intervalle, varie pour chaque système traité selon le type de l'eau d'appoint et selon les conditions de fonctionnement. Une fois que l'on a calculé pour un système bien défini la valeur optimale de l'alcalinité N, il est important de maintenir ladite alcalinité aussi près que possible de ladite valeur à tout moment. Sn pratique, dans le cas d'un diminution importante de la valeur de l'alcalinité M, il se produira un problème de corrosion: si en outre, on laisse cet état se poursuivre au--delà d'une "valeur d'alerte", il sera difficile d'empêcher la formation de dépotes calcaires. En fait, l'un des problèmes importants rencontrés par les techniciens est celui du contrôle automatique convenable de l'alca limité M de l'eau recyclée, par injection d'acides, Quand les valeurs de l'alcalinité M augmentant dans les limites de l'intervalle établi pour le "traitement alcalin", la relation entre l'alcalinité M et le pH de l'eau recyclée montre qu'une grande variation de l'alcalin nité FI peut correspondre à une légère variation du pH. Les temples 3 et 4 du Tableau Il présentent une situation type dans un système de refroidissement par tour où on utilise le traitement alcalin. I1 est possible, par exemple, de noter qu'une variation de l'alcalintçé M de 110 ppm correspond à une variation de pH qui est seulement de 0,2 unité. I1 est maintenant clair que le défaut associé à une telle méthode de traitement alcalin est essentiellement la difficulté importante que l'on rencontre dans le contrôle de l'alcalinité M par ajustement du pH du système de l'eau recyclée. En pratique, les systèmes de mesure du pH couramment utilisés dans les systèmes à tour de refroidissement peuvent détecter le pH de l'eau recyclée dans un intervalle de + 0,2 unité autour de la valeur préfixée, et des variations de l'alcalinité M bien plus importantes que celles que l'on peut tolérer pour une réalisation satisEaisante du programme alcalin" correspondent souvent à cette fluctuation. En conséquence, le but principal de la présente invention est l'obtention d'un dispositif de contrôle automatique de l'alcalinité de l'eau recyclée dans des systèmes évaporateires ouverts si elle est supérieure à 100 ppm (en CaCO3), ledit dispositif pouvant éliminer les risques ou défauts spécifiques cités consistant en des augmentations importantes et brusques de l'alcalinité M au-deld des valeurs "d'alerte", que les pH-matres utilisés de manière classique ne peuvent pas détecter en raison de leur sensibilité insuffisante. Un avantage du dispositif selon cette invention est la possibilité de i'adapter également dans les cas où l'alcalinité M à maintenir est faible (30-100 ppm en CaC03), où on peut encore appliquer le traitement alcalin d'une manière satisfaisante (par exemple dans des eaux ayant des concentrations élevées en sels de calcium). En pratique, le dispositif selon la présente invention permet la détermination de la valeur instantanée de l'alcalinité N du système à des intervalles réguliers et chaque fois pour une période de temps préfixée, et si la valeur de ladite alcalinité dépasse la valeur d'alerte, une pompe commencera à fournir de l'acide, par exemple de l'acide sulfurique, et restera en fonctionnement pendant toute la durée de la période de temps préfixée. Donc, le but particulier de cette invention est un dispositif de contrôle automatique de l'alcalinité de l'eau recyclée de systèmes évaporatoires, comprenant en codbinaison : un moyen muni d'un agitateur, destiné à recueillir un volume déterminé de l'eau du système, inséré dans une conduite d'échantillonnage à écoulement continu de ladite eau; un moyen destiné à ouvrir et à fermer ledit moyen collecteur à des intervalles réguliers programmés, commandé par des minuteries par l'intermédiaire de vannes solénoides; un moyen de dosage et d'alimentation destiné à titrer une valeur déterminée d'acide dans ledit moyen collecteur; un moyen associé audit moyen collecteur destiné à mesurer le pH de l'eau dans le système à analyser; un moyen d'enregistrement des valeurs mesurées du pH, moyen qui peut, une fois le titrage par ledit acide terminé, être excité pour des valeurs du pH supérieures à la valeur du pH de changement de couleur d'un système détecteur, avec une durée d'excitation prédéterminée, ledit moyen étant relié pendant la période d'excitation à un moteur qui actionne une pompe destinée à fournir de l'acide à l'eau du système; et un moyen d'alerte relié audit moyen de mesure et déclenchant une alarme sonore en présence de faibles valeurs du pH, inférieures à un maximum préfixé. On va maintenant décrire la présente invention en se référant particulièrement aux dessins, dans lesquels la figure 1 représente un graphique du pH en abscisse en fonction de l'alcalinité en ordonnée, pour un type d'eau particulier, la figure 2 représente schématiquement un dispositif du contrôle de l'alcalinité selon cette invention, la figure 3 est un graphique représentant l'alcalinité M (en ordonnée) de l'eau d'appoint et de l'eau du système en onction du temps (en abscisse) pour une tour de refroidissement dans laquelle on a monté un dispositi selon cette invention. Considérons la figure 1; la valeur de l'alcalinité ki (en ordonnée) est donnée en fonction de la valeur du pH (en abscisse) pour un certain type d'eau. Ce graphique représente un exemple théorique, mais on peut l'appliquer aussi bien que l'exemple réel correspondant. Dans ce graphique, on peut noter la tendance générale de l'alcalinité h; à augmenter lorsque le pH augmente. Préalablement, on a mentionné que le problème principal du contrôle automatique de l'alcalinité M réside dans l'impossibilité à déterminer de manière appropriée le pH de l'eau recyclée. La figure 1 montre la relation existant entre le pH et l'alcalinité M en ppm de CaCO3. Quand les valeurs de l'alcalinité M augmentent, il y a de même une augmentation du pH, mais l'augmentation de la valeur de l'alcalinité M est beaucoup plus prononcée. Maintenant considérons la figure 2; elle représente un dispositif de contrôle de l'alcalinité 2 dans des systèmes évaporatoires. Un tel dispositif comprend un bêcher de titrage lo muni d'un agitateur 12 et d'une entrée inférieure 1z et d'une sortie supérieure 16. La sortie 16 peut être reliée au système d'eau ou raccordée à un égout. L'eau du système à analyser est reliée à l'entrée 14. L'écoulement d'eau vers l'entrée 14 est commandé, à des intervalles préétablis, par une vanne solénoide 18 qui à son tour est commandée par une unité programmeuse 20. Quand l'entrée 14 est fermée, le niveau du liquide dans le bêcher 10 est fixé par la position de la sortie 16, ce qui détermine un volume bien défini de liquide à titrer. Un flacon 22 comportant un tuyau capillaire 24 en matière plastique est rempli par l'acide de titrage contenu dans le réservoir 26, pendant le laps de temps au cours duquel une vanne solé solde 28 à trois voies, commandée par une minuterie 30, est fermée. L'acide contenu dans le flacon 22 est décharné dans le bêcher d'analyse 10 quand la vanne 28 est ouverte par la minuterie 30. Un pH-mètre 32, comportant une électrode de mesure 34 immergée dans le liquide du bécher 10, est relié par l'intermédiaire d'un relais 36 à une pompe 38 destinée à alimenter le système en acide. La pompe 38 est reliée à un réservoir z.0 d'acide et à un système d'eau 42. Le pH-mètre 32 est également relié par l'intermédiaire d'un relais 44, commandé par l'unité programmeuse 20, à un dispositif d'alerte z6 qui donne une alarme quand le pH de l'eau devient trop faible,par exemple infériez à 7. La minuterie 30 commande la vidange du flacon 22 à des intervalles programmés réguliers. Plus précisément, quelques secondes après emplissage du bêcher 10, le contenu du flacon 22 est déchargé dans le volume de liquide contenu dans le bécher 10 et constamment agité par l'agitateur 12. Après une courte période de temps, l'aiguille indicatrice du pH-mètre 32, reliée à l'électrode de mesure 34 immergée dans le liquide du bécher 10, s'écartera de la valeur minimale indiquée sur l'échelle du pH-mètre. st si, après le titrage, le pH est supérieur à la valeur minlxaIe (pH 4,5, point de changement de couleur du méthyl-orange), lé relais 36 sera excité et restera excité pendant une période prédéterminée d'un cycle, par exemple une heure, commandant le fonctionnement de la pompe 28 qui fournit de l'acide au système d'eau à un débit lent d'environ 1,5 à 2 fois le débit nécessaire pour neutraliser l'alcalinité M apportée dans le système d'eau par l'eau d'appoint. On peut utiliser divers types de pH-mètres.De préférence, on utilise un moyen de détection optique pour détecter le changement de couleur dans le bêcher 10 pendant le titrage. Au contraire, si après titrage le pH est inférieur audit minimum (4,5), le relais 36 ne sera pas excité et la pompe ne fournira pas d'acide pendant l'heure suivante. A la fin de la période de titrage, l'entrée 14 du bécher lo sera ouverte de nouveau sous l'action de la vanne solénoïde 18, et l'eau du système 48 s'écoulera librement à travers le bécher. Si commue mentionné précédemment, pendant 1 'écoulement libre de l'eau dans le bécher 10, lalguille du pE-matre 32 atteint un état d'équilibre et reste au-dessous de la valeur maximale, fixée par exemple à 7, le dispositif 46 relié au pH-mètre 32 donnera un signal d'alerte. I1 faut noter que les systèmes évaporatoires ont généralement un temps de séjour supérieur à quelques heures, et donc le dispositif décrit précédemment ayant une fréquence d'une heure ou de toute manière plus courte que ledit temps de séjour, ne peut pas influencer la continuité recherchée pour l'opération de contrôle dans les limites habituelles de précision acceptéesdans l'industrie. Les volumes respectifs du bêcher et du flacon dépendent évi gemmant de la valeur limite de l'alcalinité qui est à respecter dans le système et de la concentration de l'acide de titrage. Par exemple, si la valeur limite pour l'alcalinit! est 200 ppm, le volume du bêcher peut alors être 300 ml. Pour neutraliser l'alcalinité, une consonination de 60 mg d'H2So4 sera nécessaire. Il sera nécessaire d'utiliser, par exemple, un flacon de 30 ml avec de l'acide N/25 ou un flacon de 15 ml avec de l'acide N/12,5. S'il est évident que de grands volumes pour le bécher et le flacon augmentent la précision du titrage il est également vrai que ces grands volumes nécessitent une plus grande consommation d'acide et en conséquence un remplissage plus fréquent du réservoir contenant la solution de titrage. Considérons le graphique représenté sur la figure 3; on peut y voir trois courbes: la courbe A représente l'alcalinité M de l'eau d'appoint, la courbe B représente l'alcalinitê M de l'eau dans le système d'eau et la courbe C (une ligne droite) représente la valeur limite de référence pour le contrôle de l'alcalinité M. Ce graphique se rapporte à une tour de refroidissement dont les caractéristiques sont les suivantes: Débit de l'eau recyclée 4.500 g/in Débit de l'eau d'appoint 130 g/uiri Rapport de concentration 1,5 - 3,0 Alcalinité M de l'eau d'appoint 200-325 ppm (en CaC03) La présente invention a été décrite par des modes de réalisation spécifiques particuliers, étant entendu cependant que l'on peut prévoir des changements ou des modifications sans s'éloigner du domaine du privilège industtielde la présente invention. REVEND I CAT IONS 1. Dispositif de contrôle automatique de l'alcalinité de l'eau recyclée dans des systèmes évaporatoires, caractérisé en ce qu'il comporte (a) un moyen muni d'un agitateur destiné à recueillir un volume déterminé d'eau du système, inséré dans une conduite d'échan tillonnage à écoulement continu de ladite eau; (b) un moyen destiné à ouvrir et à fermer ledit moyen collecteur (a), à des intervalles réguliers programmés, commandé par des minuteries par l'intermédiaire de vannes solénoides; (c) un moyen de dosage et d'alimentation destiné à introduire une doae déterminée d'acide de titrage dans ledit moyen collecteur (a); (d) un moyen associé audit moyen collecteur (a) et destiné à mesurer le pH de l'eau du système à analyser; (e) un moyen destiné à enregistrer les valeurs mesurées du pH, moyen qui peut, une fois le titrage par ledit acide terminé, être excité pour des valeurs du pH supérieures à la valeur du pH correspondant au changement de couleur d'un système détecteur, avec une durée d'excitation prédéterminée, ledit moyen étant relié pendant la durée d'excitation à un moteur qui commande une pompe qui alimente en acide l'eau du système, et (f) un moyen d'alerte relié audit moyen de mesure (d) et pou vant déclencher une alarme sonore en présence de faibles valeurs du pH, inférieures à un maximum préfixé. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système détecteur comprend du méthyl-orange, le changement de couleur correspondant au pH 4,5. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit moyen collecteur (a) comprend un bécher (10). muni d'un agitateur (12) et comportant sur un côté, vers sa partie inférieure, une entrée (14) pour l'eau du système, reliée au circuit d'alimentation de ladite eau provenant des canalisations et commandée par une vanne solénoïde (18) excitée par ledit moyen (b), et comportant à sa partie supérieure de l'autre côté une sortie (16) placée à un niveau du bêcher (10) tel qu'elle définit, quand l'entrée (1A) est fermée, le volume de titrage. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que ledit moyen (c) destiné à fournir la dose d'acide de titrage comprend un flacon (22) ayant un volume déterminé et comportant un tuyau capillaire (2z) en matière plastique, relié à un réservoir 26 d'acide de titrage par 1'interm6- diaire d'une canalisation commandée par une vanne solénoïde (28) excitée par un système à minuterie (20, 30). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'alcalinité M recherchée pour l'eau du système est comprise dans l'intervalle de 30 à loo ppm (en CaC03). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que l'alcalinité M recherchée pour l'eau du système est supérieure à 100 ppm (en CaC03). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la fréquence du cycle de titrage de l'eau du système est inférieure au temps de séjour dans le système évaporatoire.