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Auslegung von Wärmeübertragern und Stoffaustausch-kolonnen

Lunch & Learn, Marl, 13.11.2013

Ralf Ziegler

© Siemens AG 2013 - Änderungen vorbehalten Industry Sector, I IA AS PA EC PD Auslegung von Wärmeübertragern und Stoffaustauschkolonnen

Lunch & Learn, Marl, 13-NOV-2013 Seite 2/28

Agenda

• Übersicht über Bauformen von Wärmeübertragern • Auslegungsprogramme bei Siemens EC • Mitgliedschaft in Fachgremien

• Übersicht über Kolonneneinbauten • Einsatzbereich: Vergleich Füllkörper, Packungen und Böden • Auslegungsprogramme bei Siemens EC • Mitgliedschaft in Fachgremien

• Zusammenfassung



Übersicht über Bauformen von Wärmeübertragern

Vorteile: •verschweißte Konstruktion mit kurzer Dichtungslänge •einsetzbar vom Druckbereich bis zum Feinvakuum •abgesicherte Korrelationen zur Auslegung

Rohrbündel-WÜT Bsp. Kondensator:

Nachteile: •im Vergleich zu anderen Bauarten hohe Investitionskosten •Baugröße/Platzbedarf



Übersicht über Bauformen von Wärmeübertragern Sicherheits-WÜT

Nachteil: • aufwändig • schlechterer

Wärmedurchgang • Apparat wird 30-40%

größer

Vorteile: • hohe Sicherheit durch • doppeltes Rohrbündel • Leckage wird detektiert

Quelle: GEA Renzmann & Grünewald GmbH



Übersicht über Bauformen von Wärmeübertragern Rohrbündel-WÜT Naturumlaufverdampfer: Gängiger Bautyp zur Beheizung von Destillations- kolonnen

Vorteile: • keine bewegten Teile • geeignet bis zu mittleren Verschmutzungen • Druckbetrieb möglich

Nachteile: • Limitierung hinsichtlich Viskosität • Limitierung hinsichtlich Vakuumbetrieb • lange Verweilzeit • kleiner Lastbereich



Übersicht über Bauformen von Wärmeübertragern Rohrbündel-WÜT Zwangsumlaufverdampfer:

Heizdampf

Kondensat

Zulauf

Brüden

Drossel

Nachteile: • Pumpe erforderlich • lange Verweilzeit

Vorteile: • geeignet bis mittlere Viskosität • großer Lastbereich • hohe Strömungsgeschwindigkeit • geringe Verschmutzungsneigung • Druckbetrieb möglich



Übersicht über Bauformen von Wärmeübertragern Rohrbündel-WÜT Kettle-Verdampfer: Vorteile: • großer Lastbereich • bis zu moderatem Vakuum einsetzbar • zusätzliche Trennstufe • großer Lastbereich

Kondensat

Produkt

Nachteile: • lange Verweilzeit • empfindlich gegen Verschmutzung • erhöhter Platzbedarf • nicht geeignet für Gemische mit großem Siedebereich



Übersicht über Bauformen von Wärmeübertragern Rohrbündel-WÜT Fallfilmverdampfer:

Produkt

Umpump

Heizdampf

Kondensat

Nachteile: • Pumpe ist erforderlich • im Vergleich zu anderen Bauarten hohe

Investitionskosten

Vorteile: • bis ins Feinvakuum einsetzbar • kurze Verweilzeit auf der Heizfläche • geeignet für schäumende Medien • geeignet bis zu mittleren Viskositäten • großer Lastbereich • sehr kleine Temperaturdifferenzen möglich



Übersicht über Bauformen von Wärmeübertragern Dünnschichtverdampfer:

Nachteile: • bewegte Teile • Versuche zur Auslegung erforderlich

Vorteile: • bis ins Feinvakuum einsetzbar • kurze Verweilzeit auf der Heizfläche • hohe Abdampfrate • geeignet für hohe Viskositäten

M

Zulauf Brüden

Heizdampf

Kondensat

Konzentrat




Platten-WÜT

Vorteile:

kompakt

hohe k-Werte

preiswert

Nachteile:

Dichtungslänge (bei gedichteten Apparaten)

Druckverlust

limitiert bei Druck und Temperatur




Vorteile: •verschweißte Konstruktion •platzsparende Lösung •keine Brüdenleitung erforderlich

Thermoblechapparate Kondensator:

Nachteile: •Korrelationen zur Auslegung Firmen Know-how •erfahrungsgemäß weichen die Auslegungen der Lieferanten voneinander ab •Wartung im Schadenfall aufwändig

Quelle: DEG Engineering



Übersicht über Bauformen von Wärmeübertragern Block-WÜT Vorteile: bei korrosiven Medien günstige Alternative zu Rohrbündel-WÜT geringe Ersatzteilkosten lange Lebensdauer kurze Dichtungslängen

Nachteil: wegen Werkstoff Graphit Limitierung auf 180 (200) °C

Quelle: GAB Neumann GmbH



Auslegungsprogramme

Kommerzielle Datenbanken

(DDB, Detherm, etc.)

Literatur, Patente,

...

EC PD Datenbank Stoffdaten,

Apparatedaten Werknormen

Programme zur Apparateauslegung Aspen Engineering Suite und Eigenentwicklungen

Datenblatt

Eigene Stoffdatenbank

Messungen

Comos Feed/Comos

Teil 1

Teil 2



Auslegungsprogramme - Ergebnisse

Rohrbündel-WÜT

Aspen Exchanger Design and Rating (EDR)

Rohrbündel-WÜT für die gängigen Anwendungsfälle: u.a. Naturumlaufverdampfer, Fallfilmverdampfer, Kondensatoren, Luftkühler

WT4 + TKON4

Rohrbündel-WÜT für die Anwendungsfälle: Verdampfer, Kondensatoren, Heizer, Kühler, Teilkondensatoren

Platten-WÜT

Aspen Exchanger Design and Rating (EDR)

gedichtete Platten-WÜT -> (nur für erste Abschätzung)




Block-WÜT

BLOCKWT4

Verdampfer, Kondensatoren, Heizer, Kühler, Teilkondensatoren






Mitgliedschaft in Fachgremien

German HTFS User Group (Aspen Exchanger Design and Rating)

Regelmäßiger Erfahrungsaustausch innerhalb der Mitglieder (derzeit BASF, Evonik, Wacker Chemie, Bayer Technology Services, Lanxess, Falk & Thomas Engineering)



Kolonneneinbauten

Quelle: Sulzer ChemtechGmbH

Füllkörper: regellose Schüttung

Strukturierte Packungen: Packungselemente



Kolonneneinbauten

Flüssigkeitsverteiler

Flüssigkeitssammler



Kolonneneinbauten

Niederhalterost

Tragrost für Strukturpackung Profiltragrost für

Füllkörper



Kolonneneinbauten

Siebboden

Quelle: Koch-Glitsch, LP



Kolonneneinbauten

Ventilboden Quelle: Koch-Glitsch, LP



Berechnung von Kolonneneinbauten

KOBO4 Eigenentwick-lung

Hydraulische Auslegung und Nachrechnung von Bodenkolonnen (Siebböden, Glockenböden, Tunnelböden, Ventilböden), im Programm sind Normreihen für die verschiedenen Böden hinterlegt

KOPA4 Eigenentwick-lung

Hydraulische Auslegung und Nachrechnung von Füllkörper- und Packungskolonnen mit Auslegung von Flüssigkeitsverteilern (im Programm sind derzeit ca. 40 verschiedene Füllkörpertypen mit den entsprechenden Größen und Materialien sowie ca. 60 verschiedene Strukturpackungen hinterlegt)

TrayHeart der Fa. Welchem

Auslegung von Boden-, Packungs- und Füllkörperkolonnen; Verteilerberechnung; Erstellung von Bodenaufrissen

Montz-Pak Firmensoftware der Fa. Montz

Auslegung von Packungskolonnen mit Montz Packungen



Berechnung von Kolonneneinbauten

Sulcol Firmensoftware Fa. Sulzer Chemtech

Auslegung von Packungs- und Füllkörperkolonnen mit Sulzer Produkten (Modelle und Quellcode sind im KOPA4 vollständig hinterlegt). Des weiteren dient das Programm zur Auslegung von Sulzerböden.

DRP Fractionation Research, Inc.

Standardböden (Ventil, Glocken, Tunnel...) sowie Packungen und Füllkörper

WINSORP Firmensoftware von Raschig-Jäger

Auslegung von Kolonnen mit Packungen, Füllkörper und Böden von Raschig-Jäger

KG-Tower Firmensoftware von Koch-Glitsch

Auslegung von Packungs-, Füllkörper- und Bodenkolonnen mit Koch-Glitsch Produkten.



Auslegung von Kolonneneinbauten - Ergebnisse



Mitgliedschaft in Fachgremien

Fractionation Research, Inc. ist ein Forschungskonsortium (non-profit)

Siemens EC ist Mitglied bei FRI

Versuchskolonnen mit 1,2 und 2,4 m Durchmesser

Direkter Zugang zu den Messdaten (Validierung von Inhouse Tools, unabhängig von Herstellerauswertung)

Regelmäßiger Erfahrungsaustausch innerhalb der “deutschen Mitglieder” (derzeit Alstom, BASF, Evonik, Linde, Lurgi, Shell, Siemens, Uhde)



Zusammenfassung

• Es existieren diverse Bauarten für WÜT und Kolonneneinbauten • Alle Bauarten weisen spezifische Vor- und Nachteile auf • Die richtige Auswahl muss der verfahrenstechnische Aufgabe angepasst

werden

• Was kann Siemens EC Ihnen liefern? maßgeschneiderte Lösungen für die spezifische Aufgabenstellung

• herstellerunabhängige Beratung, Auslegung und Prüfung • Debottlenecking • Troubleshooting

Jahrzehntelanges Knowhow auf den Gebieten der WÜT und Kolonneneinbauten

Auslegung von Wärmeübertragern und Kolonnen

Name: Ralf Ziegler

Abteilung: I IA AS PA EC PD

Telefon: 069-797-84793

Mail: [email protected]

Vielen Dank




Date post:	19-Aug-2019
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