Kondensieren im Kolonnenkopf

Thermoblech-Wärmeübertrager sind eine interessante Alternative zum klassischen Rohrbündelapparat oder Spiral-Wärmetauscher. Aufgrund der hohen Wärmeübertragungsfläche von 350 m2 pro m3 Bauvolumen, dies entspricht dem 3-fachen eines klassischen Rohrbündelapparates, zählen diese Übertrager zu den Kompaktwärmetauschern. Thermoblech-Wärmetauscher lassen sich universell im gesamten Bereich der Prozesstechnik einsetzen. Sie eignen sich zum Aufwärmen oder Abkühlen von Gasen und Flüssigkeiten sowie zum Kondensieren, Verdampfen und Eindampfen. Auch lassen sich mit den Wärmeübertragern mehrere dieser Schritte kombinieren.

Für den Bau von Thermoblech-Wärmeübertragern werden ausschließlich hochwertige Materialien wie Edelstahl, Sondermetalle und Speziallegierungen verarbeitet. Als Wärmeübertragungsgrundelement dient das sogenannte Thermoblech. Es entsteht aus zwei gleich starken, durch Punktschweißen miteinander verbundenen Blechen. Die übereinander gelegten Bleche werden an den Rändern durch Rollnahtschweißung verschlossen und dann hydraulisch oder pneumatisch auf die gewünschte Spaltweite expandiert. Üblicherweise wird das Blech mit einem Dreiecks- oder Viereckspunktmuster versehen. Auf diese Weise entsteht die charakteristische Steppkissenform. Die Belastbarkeit der Thermobleche durch Innen- und Außendruck hängt von der Materialart, von den Materialdicken und vom gewählten Schweißpunktraster ab. Die obere Anwendungsgrenze liegt bei etwa 80 bar Innendruck.

Mehrere der Thermobleche bilden fluchtend nebeneinander angeordnet das Thermoblechpaket, das anschließend in den Wärmetauschermantel eingefügt wird (Abb. 1). Beide Medienräume sind vollkommen voneinander getrennt. Dichtungsprobleme treten normalerweise nicht auf, da es sich in der Regel um eine vollverschweißte Konstruktion handelt.

Im Gegensatz zu anderen Plattenwärmetauscherarten liegt also beim Thermoblech-Wärmeübertrager nicht Blech auf Blech, sondern die Thermobleche sind selbsttragend und geben keine Kräfte von innen nach außen zur nächsten Platte weiter, die dann durch Gehäusedruckplatten aufzufangen sind. Der dem Thermoblech benachbarte Spalt ist vollkommen durchgängig und gehört zum Mantelraum. In dieser Hinsicht sind die Thermoblech-Wärmeübertrager konstruktiv eher den Rohrbündelapparaten verwandt. Wärmedehnungen durch unterschiedliche Temperaturniveaus der beiden Medienseiten lassen sich dadurch und durch Einbau Thermoblech- oder mantelseitiger Kompensatoren sicher beherrschen.

Die Thermoblech-Wärmeübertrager zeichnen sich durch sehr gute Wärmeübertragungswerte infolge eher einsetzender Turbulenz auf der Thermoblech-Innenseite und kleiner hydraulischer Durchmesser aus. Weitere wichtige Vorteile der leichten und wartungsfreundlichen Wärmeübertrager sind geringe Druckverluste, kompakte Bauweise und ein geringerer Betriebsinhalt. Darüber hinaus sind sie wenig anfällig für Verschmutzung.

Spaltweiten, Teilung, Abmessungen sowie Anzahl der Thermobleche lassen sich in einem weiten Bereich variieren. Dadurch kann der Thermoblech-Wärmeübertrager jedem Bedarfsfall optimal angepasst werden. Durch Expansion der Thermobleche in einer definierten Form wird erreicht, dass sich auch an den Punkt- und Rollschweißnähten die beiden Blechlagen genügend aufweiten und die Schweißwurzel freigelegt wird.

Hohe Strömungsgeschwindigkeiten wirken der Verschmutzung auf der Thermoblech-Innenseite entgegen, so dass geringere Fouling-Faktoren als beim Rohrbündelwärmeübertrager zu erwarten sind. Wegen der spaltfreien Ausführung ist Flusswasser als Kühlmedium uneingeschränkt zugelassen. Die Thermoblech-Wärmeübertrager sind nur in Teilen standardisiert, d. h. jeder Apparat lässt sich nach den verfahrenstechnischen Notwendigkeiten und Anwenderanforderungen konzipieren, thermisch auslegen und konstruieren.

Ein wirtschaftlich sinnvolles Einsatzgebiet ist die Verwendung der Thermoblech-Wärmetauscher als Kopfkondensator. Dabei wird der Wärmetauscher vertikal auf Kolonnen, Reaktoren oder Kesseln montiert. Hier strömt das Gas vom oberen Boden der Kolonne kommend durch einen Dampfkanal am eingehausten Wärmetauscher vorbei, wird am Kolonnenkopf umgelenkt und tritt in das Wärmetauscherpaket ein. Dort durchströmt es die freien Spalten zwischen den Platten. Durch die Realisierung des Gleichstromes von Dampf und Kondensat entstehen nur äußerst geringe Druckverluste. Dadurch wird das System gerade für Vakuumkolonnen interessant (Abb. 2). Aus wirtschaftlichen Gründen wird bei Teilkondensation häufig eine zweistufige Fahrweise mit unterschiedlichen Kühlmedien realisiert. Dabei stellt sich oft das Problem der Aufteilung in zwei Fraktionen. Durch ein speziell entwickeltes Rinnensystem wird in der wassergekühlten ersten Stufe das Kondensat 1 aufgefangen. Der Dampf wird im Kolonnenkopf umgelenkt und tritt in die solegekühlte zweite Stufe ein. Ein Sammelsystem fängt anschließend das Kondensat 2 auf. Über eine Beruhigungsstrecke werden die nicht kondensierbaren Bestandteile über den Inertgasstutzen abgezogen (Abb. 3).

Ein deutsches Chemiewerk setzt die Kopfkondensatoren zur Kondensation von umweltgefährdenden und in Kontakt mit Wasser korrosiven Medien ein. Dabei handelt es sich um ein farbloses, nicht brennbares Gas, das extrem toxisch wirkt. Hintergrund war, dass die vorhandene Produktionsanlage leistungsmäßig wesentlich erweitert werden sollte. Die baulichen Zwänge des vorhandenen Containments ließen jedoch keine Vergrößerung der vorhandenen Wärmetauschervolumen zu. Außerdem hätte dies die Neubeschaffung der schon vorhandenen Umluftwaschkolonnen zur Folge gehabt.

Da der Brüden in Verbindung mit Wasser zu Salzsäure reagiert, führt dies unmittelbar zur Spannungsrisskorrosion. Es wurden daher umfangreiche Prüf- und Kontrollmethoden bei der Herstellung der Wärmetauscher angewandt. So wurden Probeplatten hergestellt und unter Aufsicht des RWTÜV Berstdruckversuche durchgeführt und bescheinigt. Mit den festgelegten Schweißparametern wurden Arbeitsproben produziert und von der Eigenüberwachung des Anwenders überprüft. Nach Freigabe durch den Anwender wurden die Platten hergestellt und jedes Thermoblech einem Helium-Lecktest unterworfen. Die Wärmetauscherplatten wurden dann zu einem Register zusammengebaut und die Einschweißung der Platten in den Verteiler und Sammler geröntgt. Nach kompletter Verschweißung wurde eine Fe-Durchdringungsprüfung der Nähte durchgeführt. Anschließend erfolgte eine Luftdruckprüfung des Registers in einem Tauchbad. Zum Schluss führte der RWTÜV eine Wasserdruckprüfung und einen weiteren He-Lecktest durch.

Halle 4.1, Stand H13-H14

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