Design

In Schwefelsäureanlagen sind häufig Hochtemperatur-Gas-Gas-Wärmetauscher zu finden, die als Austauscher oder Vorwärmer für das Katalysatorbett und als Vorwärmer am Schwefelofen fungieren.

Diese Rekuperatoren sind sehr hohen Temperaturen und großen Temperaturunterschieden ausgesetzt. Normalerweise ist mindestens einer, wenn nicht sogar beide Gasströme stark korrosiv, wenn man sie kondensieren lässt.

Häufige Fehlermodi

Wenn eine Standard-Rohrbündelkonstruktion verwendet wird, treten höchstwahrscheinlich mehrere Fehlerarten auf. Diese beinhalten:

Korrosion am kalten Ende – Der kalte Gasstrom tritt häufig mit einer Temperatur in den Wärmetauscher ein, die unter dem Taupunkt der im heißen Gasstrom enthaltenen Bestandteile liegt. Dadurch kann es zu Materialoberflächentemperaturen kommen, die unter diesem Taupunkt liegen. Diese werden allgemein als kalte Stellen bezeichnet. Wenn ein Gasstrom mit einer kalten Stelle in Kontakt kommt, kommt es zur Kondensation. Die entstehende Säure führt zu örtlicher Korrosion, die gemeinhin als Kaltendkorrosion bezeichnet wird.

Verschmutzung am kalten Ende – Wenn ein SO3-reicher Gasstrom vorhanden ist, führen kalte Stellen zur Ausfällung von SO3. Das SO3 geht eine feste Verbindung mit der Metallrohrwand ein. Diese Ablagerungen bilden sich weiter, und wenn das Gerät nicht wegen Wartungsarbeiten abgeschaltet wird, führt die daraus resultierende Verstopfung des Gasstroms zu offensichtlichen Kapazitätsproblemen.

Spannungsausfälle – Hochtemperatur-Gas-zu-Gas-Rekuperatoren unterliegen schnellen und extremen Temperaturänderungen. Dies führt zu einer schnellen und erheblichen Materialausdehnung und -kontraktion. Bei Standard-Rohrbündelkonstruktionen dehnen sich die Rohre aufgrund der ungleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb des Rohrbündels höchstwahrscheinlich unterschiedlich schnell aus. Dies führt zu ungleichmäßigen Kräften, die von den Rohren auf den Rohrboden ausgeübt werden, und letztendlich zum Versagen der Rohrbodenschweißnähte.

Unerwarteter Druckabfall – Wenn der Druckabfall höher als erwartet ist, ist auch die Betriebsdurchflussrate geringer als erwartet.

Alle diese Fehlerarten beeinträchtigen die Leistung des Rekuperators und letztendlich die Leistung der gesamten Anlage. Einmal in Betrieb, ist die Behebung bzw. Reparatur sehr kostspielig und zeitaufwändig. Wenn keine Abhilfe geschaffen wird, kann die Betriebsdauer nur mehrere Jahre betragen.

Die Lösung

Es ist unbedingt erforderlich, die beabsichtigte Anwendung gründlich zu bewerten und den Rekuperator unter Berücksichtigung dieser Betriebsanforderungen und der oben genannten Fehlerarten zu entwerfen. Die Probleme müssen während der Entwurfsphase angegangen werden, damit Zuverlässigkeit und Effizienz in den Rekuperator integriert werden können.

Eine gründliche Analyse des Geräts ist unerlässlich, um kalte Stellen, ungleichmäßige Spannungen und Druckabfall vor der Herstellung des Geräts zu beseitigen, damit kostspielige Anpassungen und Reparaturen vermieden werden und die Gesamtbetriebsdauer und Produktivität maximiert werden.

Angesichts der Erfahrung und des Fachwissens ist die Lösung unkompliziert. Das Ziel besteht darin, eine thermische Symmetrie innerhalb der Einheit herzustellen. Die folgenden Funktionen helfen, dieses Ziel zu erreichen:

Rohrbündel mit variabler Teilung – Die Teilung oder der Abstand zwischen den Rohren variiert zwischen den Reihen. Dies ermöglicht eine gleichmäßigere Strömungsverteilung im gesamten Rohrbündel und führt zu einer gleichmäßigen Temperatur im gesamten Rohrboden. Dies trägt auch zu einem geringeren Druckabfall und einem höheren thermischen Wirkungsgrad bei.

Einzigartige Prallplattenanordnungen – Im Gegensatz zu herkömmlichen Rohrbündelanordnungen werden alle Einlassstellen und Prallplattenanordnungen verwendet, die zusätzlich zum gemeinsamen Gegenstrom eine Kombination aus Querströmung und Parallelströmung ergeben. Es sind mehrere Durchgänge integriert, die es ermöglichen, den Kaltgas-Einlassstrom vom vorhandenen Heißgasstrom abzuleiten und dadurch kalte Stellen zu vermeiden, an denen sie problematisch wären. Die Anordnung trägt außerdem zur Temperaturgleichmäßigkeit bei.

Vollständig ringförmige Einlassplenums – Plenums ermöglichen, dass die Gasströme mit geringerer Geschwindigkeit in den Rekuperator eintreten, was die Gleichmäßigkeit fördert und darüber hinaus kalte Stellen vermeidet. Diese Konstruktion vermeidet außerdem isolierte Bereiche mit höherem Druckabfall, wie sie an Anschlüssen üblich sind, und steigert die Effizienz des Geräts.

Entwerfen mit CFD- und FEA-Analyse

Computational Fluid Dynamics (CFD) und Finite-Elemente-Analyse (FEA) stehen im Mittelpunkt der gründlichen Bewertung, die erforderlich ist, um Druckabfall, Wärmeübertragungsraten, Temperaturen und Strömung durch den Rekuperator zu überprüfen. Bei der Bestimmung der Rohrabstände sowie der Anordnung von Schallwand und Plenum bildet die Erfahrung den Ausgangspunkt. Das Design wird basierend auf der ersten Analyse angepasst, bis es durch nachfolgende Läufe bestätigt wird. Diese Analyse ist der Unterschied zwischen einer Betriebsdauer von fünf Jahren und einer Betriebsdauer von mehr als 20 Jahren.

Vereinfachte Techniken

CFD- und FEA-Programme sind im Laufe der Jahre leistungsfähiger geworden und sind in der Lage, sehr große Modelle mit einem sehr feinen Netz zu analysieren. Sie können Wärmeübertragungsmodelle analysieren, die sehr empfindlich und schwer zu konvergieren sind. Dies nimmt jedoch viel Rechenzeit in Anspruch, was nicht immer möglich ist, wenn in der Anfangsphase der Entwurfsarbeit ein grober Budgetpreis für ein Projekt benötigt wird.

Es gibt Techniken zur Vereinfachung dieser Modellierung, bei denen man sich auf die Bereiche konzentriert, die am meisten Anlass zur Sorge geben. Die Erfahrung zeigt, dass diese typischerweise in Regionen mit niedrigen Temperaturen liegen, da dort die häufigsten Ausfälle auftreten.

Die Analyse dieses Interessengebiets umfasst eine sehr komplizierte Reihe von Oberflächen, einschließlich der Gasströmung auf der Innen- und Außenseite des Rohrs und ein detailliertes Modell der Rohrwand selbst. Die Durchführung dieser Analyse für jedes Rohr im Bündel ist sehr zeitaufwändig und umständlich.

Um eine anfängliche/budgetäre Größenordnung und Regelung bereitzustellen, ist ein vereinfachter Ansatz für ein erstes Screening erforderlich. Für dieses erste Screening können Annahmen für die Gasströme getroffen werden, die auf einer Standardgrenzschicht und konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten basieren. Es kann auch davon ausgegangen werden, dass die Rohre als einzelne Fläche modelliert werden.

Mit einem vereinfachten Modell kann eine Analyse des „Interessengebiets“ relativ schnell durchgeführt werden, um den Verdacht auf ein Cold-Spot-Potenzial in dieser Region zu bestätigen.

Das Rekuperatordesign kann dann geändert und erneut analysiert werden. Mit dem vereinfachten Modell ist es praktisch, mehrere Iterationen durchzuführen, um die vorteilhafteste Anordnung zu ermitteln.

Anpassen und neu bewerten

Basierend auf den Erkenntnissen aus der ersten Analyse des „Interessenbereichs“ wird die Rohrteilung geändert, um eine gleichmäßigere Strömung auf der Mantelseite und mehr Gleichmäßigkeit über den Rohrboden hinweg zu ermöglichen. Der Lufteinlass wird weiter oben im Mantel verlegt, um mit den wärmeren Rohrwandtemperaturen übereinzustimmen. Anschließend wird die Prallplattenanordnung angepasst, um dieser einzigartigen Einlassposition gerecht zu werden.

Die Leitbleche führen die Luft zunächst im Gleichstrom parallel zum Heißgas. Daran schließt sich ein Abschnitt der Querströmung an, wobei die restliche Strömung im Gegenstrom zum Heißgas in den Rohren geführt wird. Die Leitbleche werden ebenfalls darauf geprüft, den Druckabfall zu minimieren.

Finalisierung des Entwurfs

Es wäre nachlässig, in dieser Diskussion einige andere Überlegungen nicht zu erwähnen, die einen erheblichen Einfluss auf die Betriebslebensdauer des Rekuperators haben.

Dehnungsfuge

Flansch- und Kanalkompensatoren sind so konzipiert und angeordnet, dass sie Spannungen aufgrund der Wärmeausdehnung abbauen. Die Kompensatoren werden während der Installation vorkomprimiert, sodass sie bei den während des Betriebs auftretenden erhöhten Temperaturen nahezu normal funktionieren.

Materialauswahl

Bei der Materialauswahl müssen die maximale Betriebstemperatur sowie die Gaszusammensetzung berücksichtigt werden. Die durch die CFD-Analyse ermittelte höchste Metalltemperatur und die Strömungszusammensetzung sind die Hauptkriterien bei der Materialbestimmung. Auch Material- und Herstellungskosten, Verfügbarkeit und gewünschte Betriebsdauer spielen eine Rolle. Erfahrung und Fachwissen sind die besten Werkzeuge bei der Auswahl des Materials, das die Kosten minimiert und die Lebensdauer maximiert.

Schwingungsanalyse

Wie bei jedem Wärmetauscherdesign sollte die Möglichkeit von Vibrationen überprüft werden. Kleine Anpassungen an der Prallplattenanordnung und den Düsenkonfigurationen können Vibrationsprobleme beseitigen und können während der Entwurfsphase leicht behoben werden. Wenn Vibrationen ignoriert werden, kann es sehr kostspielig sein, sie vor Ort zu beheben.

Schwimmender Rohrboden

Abhängig von der Konfiguration des Rekuperators, der Häufigkeit seiner Zyklen und dem schnellen und extremen Temperaturanstieg kann ein schwimmender Rohrboden empfohlen werden. Ein schwimmender Rohrboden würde die durch diese Bedingungen verursachten zusätzlichen Spannungen absorbieren und die Gefahr von Schweißfehlern weiter beseitigen.

Das Beheben von Problemen während der Entwurfsphase ist der Schlüssel zum Erfolg

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Berücksichtigung des Potenzials für Korrosion und Verschmutzung am kalten Ende, die Minimierung ungleichmäßiger Spannungen und die Bewertung des Druckabfalls während der Konstruktionsphase von entscheidender Bedeutung für langfristige Kosteneinsparungen und eine maximale Betriebslebensdauer sind. Dies gelingt am besten mit Erfahrung, unterstützt durch CFD- und FEA-Analysen. Mit dieser Liebe zum Detail in der Entwurfsphase wird das Ergebnis ein Rekuperator mit einer Betriebslebensdauer von über 20 Jahren sein.

Zusätzliche Ressourcen