Den Platten-Rohrbündel-Wärmetauscher wörtlich genommen

Vollverschweißte Plattenwärmeübertrager im Plate & Shell Design verbinden Produktvorteile von Rohrbündelwärmetauschern mit denen gedichteter Plattenwärmeübertrager. Die Cognis GmbH und GESMEX GmbH haben das wörtlich genommen und in Kooperation die Energieeinsparung für Hydrierungsprozesse maßgeschneidert.
Katalytisch initiierte Prozesse sind zumeist sehr energieintensiv. In Zeiten steigender Energiekosten wird auch in der chemischen Industrie ständig nach Möglichkeiten der Energieeinsparung gesucht. Eine derzeit noch vergleichsweise selten genutzte Möglichkeit ist der möglichst vollständige Transfer des Energieüberschusses eines Mediums nach exothermer Reaktion auf das gleiche Medium vor der Reaktion.

Prinzipdarstellung  Plate & Shell Design

Vollverschweißte Plattenwärmetauscher im Plate & Shell Design sind aufgrund ihrer kompakten Bauform und enormen Anwendungsbandbreite gerade hierfür sehr gut geeignet. Ab einem Betriebsdruck > 100 bar gab es aber in der Vergangenheit kaum Alternativen zu den bestehenden Rohrbündelwärmetauschern. Dieser Mangel wurde mit einer Gemeinschaftsentwicklung zwischen der Cognis GmbH, Düsseldorf, und der GESMEX GmbH, Schwerin, behoben.
Die Cognis GmbH, ein führendes und weltweit agierendes Spezial­chemie-Unternehmen, produziert am Standort Düsseldorf – Holt­hausen zahlreiche Produkte auf Basis nachwachsender Rohstoffe wie z.B. Palmkernöl und Kokosöl. Im Geschäftsbereich Derivate Betriebe wird Methylester mit Hilfe eines Katalysators (Nickel, Palladium, Platin) und Wasserstoff in einen gesättigten Fettalkohol überführt.
Die thermodynamische Aufgabenstellung an die GESMEX GmbH als innovativem Hersteller von Wärmetauschern im Plate & Shell Design, bestand dabei in der Konzeption eines Wärmeübertragers für die Rückgewinnung der Energie aus einem exothermen Reaktionsprozess zur Vorheizung des der Reaktion zuzuführenden Stoffgemisches auf ein höchstmögliches Temperaturniveau.

Aufgabenstellung

In einem Prozess zur Herstellung von Fettalkoholen wird Wasserstoff als Kreisgas verwendet.

Der Wasserstoff erfüllt dabei eine doppelte Funktion, nämlich die des
Reaktionspartners und die eines Transport­mittels. Er transportiert den eingesetzten Methylester, mit dem er über Festbettkatalysatoren im Schachtreaktor reagiert, und er fördert die gewonnenen Fettalkohole aus dem Reaktor. Daher wird der Wasserstoff im stöchiometrischen Überschuss eingesetzt. Darüber hinaus führt er die Energie des exothermen Verfahrens ab.

Um das vor der Reaktion mit ca. 50°C bereitgestellte Wasserstoff/ Methylester-Gemisch auf eine Reaktionstemperatur von bis zu 300°C aufzuheizen, werden zwei Heizstufen verwendet. In der ersten Stufe wird das Wasserstoff/Methylester-Gemisch gegen das durch die exotherme Reaktion dann heiße Wasserstoff/Fettalkohol-Gemisch vorgewärmt. In einer zweiten Stufe wird die Temperatur dieses vorgewärmten Kreisgas-Gemisches dann mittels Hochdruckdampf auf die letztendliche Reaktionstemperatur angehoben. Je mehr Wärmeenergie also in dem so genannten Vorwärmer in das Wasser­stoff/Methylester-Gemisches übertragen werden kann, desto geringer ist anschließend der Bedarf an kostenintensivem Hochdruck­dampf. Bei der Planung von Neuanlagen können daher die erforder­lichen Wärmeübertragungsflächen des Vorwärmers sowie die des nachfolgenden Spitzenerhitzers entsprechend kleiner und damit kostengünstiger ausgeführt werden.
Die konstruktive Aufgabenstellung bestand also im Ersatz des Glatt­rohrbündels eines bestehenden Hochdruck Rohrbündelwärmetau­schers unter Weiterverwendung des bestehenden Wärmetauscher­mantels (Ø 615 mm, Länge 15.700 mm).

Entwickelter Wärmetauscher

Gemeinsam mit den Cognis Betriebsingenieuren hat GESMEX speziell für derartige Anwendungen ein komplett neues Plattendesign ent­wickelt und so die Konstruktion ihrer zuverlässigen vollverschweißten Plattenwärmetauscher Typ XPS an die Erfordernisse der bestehenden Hochdruck Wärmetauschermäntel angepasst.

Neben der weiterhin gewünschten hohen Wärmeübertragungsleis­tung des Plattendesigns, mussten zusätzlich die Forderungen hin­sichtlich eines nicht zu hohen Druckverlusts sowie der Gewährleistung einer Durchleitung von Feststoffanteilen (Abnutzungspartikel des Katalysators) in die Neuentwicklung einfließen. Plattenmuster wurden erstellt, Simulationen unterschied­licher Strömungszustände ver­glichen, Konzepte optimiert und Fertigungsverfahren für das Prägen und Verschweißen der Plattenpa­kete sowie deren Verbindungsele­mente entwickelt. Die gesamte Entwicklungsarbeit erfolgte dabei in enger Zusammenarbeit zwischen dem im Einsatz von Plate & Shell Wärmetauschern sehr erfahrenen Betriebspersonal der Cognis Deriva­te Betriebe und den Entwicklungs­ingenieuren der GESMEX GmbH. Die material- und schweißtech­nische Beratung lag zu großen Tei­len bei der Cognis Schweiß- und Werkstofftechnik. Am Ende dieser Produktentwicklung stand die XPS-Gasplatte welche sich infolge ihrer 45% tieferen sowie 100% breiteren Medienkanäle hervorragend für den Wärmeaustausch zwischen zwei gasförmigen Medien eignet. Auch für die ablagerungsarme Durchleitung von Feststoffpartikeln ist sie durch den großen Kanalquer­ schnitt wesentlich besser geeignet als die bisher verfügbaren Standardplatten des Plate & Shell Designs.

Vorteile

Mögliche Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche verglichen mit den zuvor genutzten Rohrbündeln um das 2,5-fache Mögliche Erhöhung der übertragenen Wärmeleistung verglichen mit den zuvor genutzten Rohrbündeln um das 4-fache.
Bei Neubeschaffungen kann der kostenintensive Hochdruckmantel kleiner ausgeführt werden Signifikante Erhöhung der Energieeffizienz und damit Einsparungen an Energiekosten in nachgeschalteten Heizprozessen
Thermodynamisch sichere Auslegung von Übertragungsleistung und Druckverlust.

Wesentlichen Anteil an der nachgewiesenen Druck- und Temperatur­festigkeit der Plattenpakete unter den aktuellen Betriebsbedingungen von 273 bar und 226°C haben ohne Zweifel die einzigartigen Laser-Schweißnähte. Sie sorgen für die extrem verlässlichen Anbindequer­schnitte von bis zum 3,5-fachen der Plattenstärke ohne Einschränkun­gen in der Elastizität der Schweißverbindung hinnehmen zu müssen.

Einbau der Plattenpakete in den S&T-Mantel

Im Ergebnis können die alten Glattrohrbündel nun gegen mehrere in Reihe geschaltete vollverschweißte Plattenpakete ausgetauscht werden ohne negative Auswirkungen hinsichtlich unverhältnis­mäßiger Druckverlusterhöhung oder größerer Ablagerungsneigung befürchten zu müssen.

Durch den Einsatz dieser mittlerweile patentierten Neuentwicklung konnte der Verbrauch an zusätzlichem Hochdruckdampf im nachfol­genden Spitzenerhitzer im Betriebsvergleich bereits um ca. 50- 80% reduziert werden. Bei höheren Exothermien sind Einsparungen bis zu 100 % realisierbar. Die Regelwerk konforme Auslegung der voll­verschweißten Plattenpakete erfolgt nach dem aktuellen Stand der Technik (DGRL 97/23/EG - AD2000) und kann auf Anfrage auch nach anderen Standards wie z.B. ASME XIII Div.1 erfolgen. Für beson­dere Anwendungen (z.B. bei korrosiven Medien) kann als Platten­material eine höhere Werkstoffgüte gewählt und verarbeitet werden.
Der Umbau des Rohrbündel Wärmetauschers auf die vollverschweiß­ten Plattenpakete wurde von einem versierten Hochdruckappara­tebauer im Rahmen eines geplanten Anlagenstillstandes durchge­führt. Für baugleiche, artverwandte Wärmetauscher innerhalb der Hydrierbetriebe wurden die benötigte Anzahl und Größe der erforder­lichen Plattenpakete bereits ermittelt. Seit der Inbetriebnahme der vollverschweißten Plattenpakete innerhalb des alten Wärmetauscher­mantels im Januar 2009 arbeitet die Anlage zuverlässig und störungsfrei.

Fazit

Durch den mit kalkulierbarem Aufwand durchzuführenden Austausch des Rohrbündels eines bestehenden Hochdruck Rohrbündel-Wärme­übertragers gegen ein vollverschweißtes Plattenpaket im Plate & Shell Design konnte die Wirtschaftlichkeit von Hydrierungsprozessen wesentlich verbessert werden. Das Einsparungspotential einer der­artigen Maßnahme ist umso größer einzuschätzen, da das Ergebnis direkt auch auf artgleiche Prozesse übertragbar ist.

Dipl. Ing. Mike Hallmann
DIESER ARTIKEL ERSCHIEN IN LEICHT GEÄNDERTER FORM IN DER FACHZEITSCHRIFT PROCESS 5/09.