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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Übersicht über Bauformen von Wärmeübertragern
Platten-WÜT
Vorteile:
kompakt
hohe k-Werte
preiswert
Nachteile:
Dichtungslänge (bei gedichteten Apparaten)
Druckverlust
limitiert bei Druck und Temperatur
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Übersicht über Bauformen von Wärmeübertragern
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
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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
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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
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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)
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Auslegungsprogramme - Ergebnisse
Block-WÜT
BLOCKWT4
Verdampfer, Kondensatoren, Heizer, Kühler, Teilkondensatoren
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Auslegungsprogramme - Ergebnisse
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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)
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Kolonneneinbauten
Quelle: Sulzer ChemtechGmbH
Füllkörper: regellose Schüttung
Strukturierte Packungen: Packungselemente
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Kolonneneinbauten
Flüssigkeitsverteiler
Flüssigkeitssammler
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Kolonneneinbauten
Niederhalterost
Tragrost für Strukturpackung Profiltragrost für
Füllkörper
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Kolonneneinbauten
Siebboden
Quelle: Koch-Glitsch, LP
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Kolonneneinbauten
Ventilboden Quelle: Koch-Glitsch, LP
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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
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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.
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Auslegung von Kolonneneinbauten - Ergebnisse
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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)
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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
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Auslegungsprogramme - Ergebnisse
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