Keine Angst vor hohen Temperaturen

Christoph Lang, L. W. Budd Lee

Das Anwendungsspektrum von Wärmeträgerflüssigkeiten in der Öl- und Gasindustrie ist sehr vielfältig. Es beinhaltet den Gefrier- und Korrosionsschutz von Heiz- und Kühlkreisläufen mit wasserhaltigen Wärmeträgern sowie die Wärmeübertragung bei mittleren bis höheren Temperaturniveaus. Einige Beispiele sind Destillationskolonnen in Raffinerien, Prozesse in der petrochemischen Verarbeitung, Abwärmerückgewinnung, Sauergasentfernung, Dehydrierung und Regeneration von Lösemitteln. Für Heizzwecke kommen in der Öl- und Gasindustrie seit jeher Flüssigkeiten auf Basis von Aliphaten, besser unter dem Namen Heißöle bekannt, zum Einsatz. Werden Heißöle bei hohen Temperaturen in Wärmeträgersystemen eingesetzt, unterliegen sie jedoch einer relativ hohen thermischen Zersetzung. Diese Instabilität kann einen kostspieligen Austausch des Wärmeträgermediums mit sich bringen. Ferner ist die Wärmeübertragung der meisten Mineralöle bei moderaten Temperaturen gering und in Klimazonen, in denen die Temperaturen unter den Gefrierpunkt fallen können, ist eine Begleitheizung notwendig.

Weiterentwicklungen bei synthetisch-organischen Wärmeträgerflüssigkeiten machen diese zu einer stabileren und kosteneffizienteren Option im Vergleich zu Heißölen für die erwähnten Prozesse. Ein wichtiger Vertreter ist Dowtherm Q Heat Transfer Fluid, ein Gemisch von Diphenylethan und alkylierten Aromaten. Synthetisch-organische Flüssigkeiten auf Basis alkylierter Aromaten kombinieren die thermische Stabilität synthetisch-organischer Flüssigkeiten mit einem Dampfdruck nahe oder unter Atmosphärendruck, so dass sich eine Druckbeaufschlagung des Systems erübrigt und die damit verbundenen technischen und betrieblichen Mehrkosten entfallen.

Dowtherm Q Fluid bietet hohe thermische Stabilität bis zu einer maximal empfohlenen Anwendungstemperatur von 330 °C. Des Weiteren lässt sich der Wärmeträger auch bei niedrigen Temperaturen bis -35 °C pumpen. Somit wird Problemen beim Anfahren vorgebeugt, sollte es bei kaltem Wetter zu einem Ausfall des Wärmeträgersystems kommen. Ferner erübrigt sich dadurch in vielen Fällen auch eine Begleitheizung. Ein weiterer Vorteil alkylierter aromatischer Flüssigkeiten im Vergleich zu Heißölen ist die Wärmeübertragungsleistung. Die niedrigere Viskosität und höhere Dichte dieser synthetisch-organischen Flüssigkeiten führt bei einer bestimmten Temperatur und gegebenem Volumenstrom zu einem höheren Wärmeübergangskoeffizienten. Je höher der Wärmeübergangskoeffizient ist, desto schneller wird die Wärme von der Flüssigkeit auf eine Oberfläche übertragen. Höhere Wärmeübergangskoeffizienten können bedeuten, dass eine kleinere Oberfläche benötigt wird, um eine gegebene Wärmemenge zu übertragen. Dies kann die Investitionskosten eines Wärmeübertragungssystems reduzieren. Tabelle 1 vergleicht die Wärmeübergangskoeffizienten und physikalischen Eigenschaften von Dowtherm Q Fluid mit denen eines Heißöls. Die Filmkoeffizienten wurden mittels der Seider-Tate-Gleichung berechnet. Die Daten zeigen, dass die Wärmeübertragungsleistung der synthetisch-organischen Flüssigkeit viel größer ist als die von Heißöl.

Wie die Ergebnisse zeigen, beträgt der Wärmeübergangskoeffizient von Dowtherm Q Fluid bei 315 ºC 2884 W/m2K, während der Koeffizient für das aufgeführte Mineralöl bei 2351 W/m2K liegt. Bei dieser Temperatur und Fließgeschwindigkeit ist die Wärmeübertragungsleistung der synthetisch-organischen Flüssigkeit über 20% höher als die des Mineralöls. Dieser Unterschied nimmt mit sinkenden Temperaturen zu, was bedeutet, dass die gute Wärmeübertragungsleistung von Dowtherm Q selbst bei weniger hohen Temperaturen viele Vorteile bietet.

Um dies praktisch zu veranschaulichen wurde ein vertikaler Naturumlaufverdampfer für die Aminregeneration so ausgelegt, dass er bei 175 ºC einmal mit Dowtherm Q Fluid und ein anderes Mal mit Mineralöl betrieben wird. Gespeist wurde der Verdampfer mit 40 % MDEA in Wasser. Außerdem wurde eine Verdampfungsrate von 10 % angenommen. Die Heizleistung betrug 13 500 kW bei einer Beschickungsmenge von 227 000 kg MDEA-Lösung pro Stunde. Ein Wärmetauscher-Auslegungsprogramm wurde verwendet, um die Größe des für die beiden Fälle benötigten Verdampfers zu bestimmen. Der für Dowtherm Q Fluid benötigte Verdampfer hatte einen Durchmesser von 2,44 m mit 4,27 m langen Rohren für eine gesamte Wärmeübertragungsfläche von 1469 m2. Der für Mineralöl benötigte Verdampfer war 2,90 m im Durchmesser mit einer Rohrlänge von 4,27 m und einer gesamten Wärmeübertragungsfläche von 2070 m2. Dies entspricht einer Verringerung der Wärmeübertragungsfläche um 29 % beim Einsatz der synthetisch-organischen Flüssigkeit. Die Rohre beider Verdampfer hatten einen Durchmesser von 25,4 mm und einen Mittenabstand der Rohre von 32 mm. Ähnliche Ergebnisse wurden bei der Auslegung von Triethylenglykol-Dehydrierungsanlagen erzielt. Diese Verringerung der Größe und des Gewichts der Ausrüstungsgegenstände kann zum Beispiel bei der Planung einer Offshore-Plattform eine entscheidende Bedeutung haben: Hier bedeuten jedes Kilogramm und jeder Quadratmeter zusätzliche Kosten. Das gleiche gilt beim Bau einer Anlage an einem weit entfernten Ort mit geringer Infrastruktur, weil alle Komponenten über große Entfernungen transportiert werden müssen.

Während die physikalischen Eigenschaften einer Flüssigkeit einen bedeutenden Einfluss auf die anfängliche Dimensionierung haben können, beeinflusst die thermische Stabilität einer Flüssigkeit die laufenden Betriebskosten des Systems. Die thermische Stabilität wird von den meisten Anbietern von Wärmeträgerflüssigkeiten gemessen, indem eine kleine Menge der Flüssigkeit in ein 1“-Stahl- oder -Edelstahlrohr gegeben wird. Das Rohr wird anschließend unter Stickstoffatmosphäre verschlossen. Es wird dann für eine bestimmte Zeit in einen temperierten Ofen gelegt. Anschließend kann die Flüssigkeit inklusive Zersetzungsprodukte analysiert werden. Der DIN-Standard 51528 schreibt Testbedingungen und Analyseverfahren vor, die bei der Messung der thermischen Stabilität von Wärmeträgerflüssigkeiten zu verwenden sind. Tabelle 2 vergleicht die Ergebnisse von Tests, die nach diesem Standard mit Dowtherm Q Fluid und zwei Heißölen durchgeführt wurden. Die maximal vom Hersteller empfohlenen Flüssigkeitstemperaturen liegen für die meisten Heißöle zwischen 316 und 327 °C. Die Tests wurden bei 329 °C durchgeführt, d. h. im Bereich der für die Heißöle empfohlenen maximalen Filmtemperatur. Die maximal empfohlene Betriebstemperatur für Dowtherm Q Fluid beträgt 330 °C mit einer maximalen Filmtemperatur von 360 °C. Diese relativen Stabilitätsdaten weisen darauf hin, dass die Heißöle in Systemen, die unter ähnlichen Betriebsbedingungen arbeiten, eine fünf bis sechs Mal höhere Zersetzungsrate als Dowtherm Q Fluid besitzen.

cav 449

Wärmeträgermedien

CPhI Worldwide 2007

DIN 51528