Engpässe durch Wärme-tauscher überwinden

Ken Glass

Die Einsparung von Energie und Ressourcen gewinnt in der petrochemischen wie auch in der chemischen Industrie permanent an Bedeutung. Gleichzeitig sind die Unternehmen auf einen möglichst effizienten und sicheren Betrieb ihrer Anlagen bedacht. Komponenten wie Wärmetauscher müssen dazu optimal ausgelegt und eingesetzt werden. Auswirkungen der Wärmetauscher auf Prozess-Engpässe müssen erkennbar und Möglichkeiten für Prozessoptimierungen in kürzester Zeit bewertbar sein.

Die Planung und Auslegung von Luftkühlern bzw. Rohrbündelwärmetauschern ist ein komplexes Unterfangen, zu dem häufig verschiedene Abteilungen eines Unternehmens unterschiedlich detaillierte Konzepte beisteuern müssen. Verfahrensingenieure entwickeln das Prozessdesign und ermitteln in einem Prozesssimulator die Wärme- und Stoffbilanzen. Die daraus gewonnenen Prozessbedingungen geben sie an die thermische Verfahrenstechnik weiter, wo mit Hilfe einer eigenständigen Planungssoftware eine vorläufige detaillierte Planung der Wärmetauscher erfolgt. Bei dieser Vorgehensweise werden die Ingenieure mit ihrem Prozesswissen schon früh von der Geräteplanung ausgeschlossen, ihr Prozesswissen bleibt bei der Entscheidungsfindung ungenutzt.

Nach Beendigung der vorläufigen Planung holen die thermischen Verfahrenstechniker Angebote bei verschiedenen Herstellern ein, wählen eine Lösung aus und leiten sie an die Konstruktionsabteilung weiter. Dort wird entweder eine vollständige mechanische Anlagenkonfiguration erstellt oder es werden lediglich Informationen entnommen, um mit der Planung der Rohrleitungen und Unterkonstruktionen zu beginnen. Bei der Ausarbeitung einer vollständigen mechanischen Gerätekonfiguration muss die letzte Version an die thermische Verfahrenstechnik zur Gegenprüfung der wärmetechnischen Konfiguration zurückgegeben werden. Dieser gesamte Vorgang kann Wochen oder Monate in Anspruch nehmen.

Für einen effizienten und wettbewerbsfähigen Planungsprozess müssen die Unternehmen ihren Planern in allen Entwicklungsphasen Zugriff auf übereinstimmende Planungsdaten ermöglichen. Sie benötigen eine interaktive Lösung, in der detaillierte thermische und mechanische Designspezifikationen sowie Zeichnungen der Wärmetauscher abrufbar sind. Zudem müssen diese Informationen exakt, sicher und in Echtzeit verfügbar sein. Der Entwicklungsprozess sollte fünf zentrale Elemente abdecken:

Um genau den Wärmetauscher zu finden, der die Prozessanforderungen bei niedrigsten Investitions- und Betriebskosten erfüllt, muss die gesamte Planung und Projektierung optimiert werden. In der Vergangenheit haben Geräteexperten die Geräte ausgewählt. Heute können die Ingenieure ihre Erfahrungen und Fachkenntnisse in Verbindung mit Simulations- und Planungswerkzeugen einsetzen, um zur kostengünstigsten Lösung zu gelangen. Moderne Planungsprogramme automatisieren den Planungsprozess, liefern Daten über Prozessleistung sowie Kosten und erlauben den Planern eine schnelle Auswertung mehrerer möglicher Lösungen.

Mit den AspenTech-Programmen zur thermischen Analyse werden Verfahrensingenieuren diese integrierten Lösungen an die Hand gegeben. Die Programme können separat zur Analyse einzelner Wärmetauscher sowie als integrierter Bestandteil des AspenPlus-Prozesssimulators (ein Werkzeug für die stationäre Prozesssimulation) zur Analyse der Wärmetauscherkonfiguration in einem Prozessablauf eingesetzt werden. Für Untersuchungen zur Wärmeintegration ist ferner der Einsatz dieser Programme in Verbindung mit Aspen Pinch (einer Technologie zur Erkennung von Möglichkeiten zur Senkung der Betriebskosten und zur Steigerung des Durchsatzes mittels Energieauslastungsanalysen) denkbar.

Die Auslegung des Wärmetauschers kann durch die automatische Übergabe der Ergebnisdaten der wärmetechnischen Konstruktion an das mechanische Konstruktionsprogramm abgeschlossen werden, mit dessen Hilfe eine detaillierte Gerätekonfiguration, ein Kostenvoranschlag sowie Konstruktionszeichnungen für den Wärmetauscher erstellt werden. Diese Übergabe von Prozessdaten, Designspezifikationen, Materialien und Gerätegeometrie macht den zeitaufwändigen und für Fehler anfälligen Datenaustausch zwischen den einzelnen Planungsteams überflüssig und sichert die termingerechte Ausführung durch die Auslegung der Druckbehälter direkt vor Ort.

AspenTechs Programme zur Durchführung der thermischen Analyse unterstützen die Berechnung sämtlicher im Industriebereich üblicher Bauformen und Anwendungsarten von Rohrbündelwärmetauschern, einschließlich Einphasenstrom, Kondensation und Verdampfung. Die Prozesse für die wärmetechnische Konfiguration beinhalten alle anwendbaren TEMA-Standards (Tubular Exchanger Manufacturing Association) und sind zur Konstruktion aller TEMA-Bauarten einsetzbar. Die Programme bestimmen optimale Wärmetauscher-Konfigurationen, die den Spezifikationen für die Wärmebeanspruchung, dem erlaubten Druckabfall und den Maximalgeschwindigkeiten entsprechen.

Das Konstruktionsprogramm für Luftkühler unterstützt die thermische und konstruktive Planung von Wärmetauschern mit rechteckigen Rohrbündeln und Gasfluss an den Außenwänden der Röhren. Es ermöglicht die Auslegung von Luftkühlern und Vorwärmern für Einphasenströme, Kondensation sowie Verdampfung und berücksichtigt ferner alle anwendbaren API 661-Standards für luftgekühlte Wärmetauscher. Das Programm erstellt eine detaillierte Beschreibung des Optimierungsprozesses, in der die während der Suche nach der optimalen Konfiguration in Betracht gezogenen Alternativen dokumentiert werden. Diese Zwischenstufen definieren die Beschränkungen, denen der jeweilige Designprozess unterworfen ist.

Das mechanische Designprogramm unterstützt die gesamte mechanische Berechnung und Auslegung von Rohrbündelwärmetauschern und einfachen Druckbehältern. Es berücksichtigt die Konstruktionsvorschriften für Druckbehälter entsprechend ASME Abschnitt VIII, Teil 1, CODAP beziehungsweise der AD-Merkblätter. Das Programm erstellt ein vorschriftsmäßiges Design des gesamten Behälters unter Berücksichtigung der niedrigsten Kosten und optimiert die Auslegung unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Komponenten. Außerdem kann das Programm zur separaten Auslegung jeder der mechanischen Komponenten verwendet werden, wobei Flansche, Rohrwände, Düsenverkleidungen und Dehnungsverbindungen optimiert werden. Bei der Platzierung der Düsen, Kupplungen, Stützen, Verbindungsstücke und Tragösen zeichnet es sich durch ein hohes Maß an Flexibilität aus.

Im Designmodus ermittelt das Konstruktionsprogramm anhand der Planungskriterien die optimalen Abmessungen für sämtliche Bauteile. Im Auslegungsmodus überprüft es die festgelegten Abmessungen jedes Bauteils hinsichtlich der anwendbaren Vorschriften und Standards unter den gegebenen Planungskriterien.

Mit Hilfe der Möglichkeiten der rigorosen Auslegung kann der Ingenieur Geräteprobleme beispielsweise aufgrund von überhöhter Strömungsgeschwindigkeit, Vibrationen, Überflutung, Überdruck und/oder Planungsfehlern voraussehen. Damit kann der Anwender das Verhalten des Prozesses bei größeren Störungen oder veränderten Prozessbedingungen simulieren und die Eignung der Anlage für unterschiedliche Planungs-, Anfahr-, Störungs- und Abschaltszenarien testen. Durch die Auslegung der Anlage und den Vergleich von voraussichtlicher Leistung mit den Messwerten aus der Anlage sind Modellparameter wie Verschmutzungsgrad und Effizienz abschätzbar. Dies wiederum ermöglicht bessere Wartungsprozeduren.

Bei einem großen Konzern sollten die Vorwärmer für eine atmosphärische Rohöldestillationskolonne erneuert werden. Dafür wurden einige Rohrbündelwärmetauscher benötigt.

Der Energieverbrauch für den Prozess stand im Mittelpunkt dieses Projektes. Der zur Erhitzung des Rohöls benötigte Brennstoff verschlang Kosten von 8 Mio. US-Dollar pro Jahr. Mit einer Wärmeintegrationsstudie sollte festgestellt werden, wo sich die Energie effizienter nutzen ließ.

Der erste Schritt in diesem Projekt bestand in der Einrichtung eines Simulations-Fließbilds innerhalb von Aspen Plus, um den derzeitigen Prozess exakt nachzubilden. Das Fließbild enthielt die zehn wichtigsten Wärmetauscher mit bekannter Geometrie, die mit dem Programmteil für die thermische Auslegung modelliert wurden. Bei der Untersuchung stellte man im Bereich der Zusammenführung der einzelnen Prozessströme vor dem Erhitzer erheblich höhere Verschmutzungsgrade als erwartet fest. Nachforschungen ergaben, dass die geplante Reinigung der beiden betreffenden Wärmetauscher beim letzten Herunterfahren der Anlage versäumt worden war. Mit Hilfe von Aspen Plus konnte man schnell ermitteln, dass die zusätzlichen Energiekosten durch die versäumte Reinigung der beiden Wärmetauscher einem Mehrkostenaufwand von 250 000 US-Dollar pro Jahr entsprechen.

Im zweiten Schritt des Projektes wurde der Prozess von Aspen Plus zwecks Durchführung einer Wärmeintegrationsuntersuchung an die Software Aspen Pinch übergeben. Aspen Pinch empfahl die Anschaffung eines neuen Wärmetauschers zur weiteren Rückgewinnung von Wärme aus dem Rückstandsmedium sowie zur Angleichung an die Temperatur des Rohölzuflusses vor der zweiten Zuführleitung. Zur Größenoptimierung des Wärmetauschers wurden die AspenTech-Verfahren zur thermischen Konfigurationserstellung eingesetzt, was eine Ersparnis von 12 000 US-Dollar im Vergleich zur ursprünglich geplanten Konfiguration erbrachte. Darüber hinaus konnte mit Aspen Plus ermittelt werden, dass sich mit dem neuen Wärmetauscher die Energiekosten um weitere 500 000 Dollar pro Jahr reduzieren ließen.

cav 461