Egal ob partikuläres Fouling, Kristallisations-, Korrosions-, Bio-Fouling oder Fouling durch chemische Reaktion – sie alle wirken sich schädlich auf die Funktionsfähigkeit von Wärmetauschern aus. Fouling mindert den Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten, behindert die Fluidströmung, beschleunigt die Korrosion und führt zu einer Erhöhung des Druckabfalls. Die so entstehenden Verluste belaufen sich in den Industrieländern laut einer Studie auf alarmierende 0,25 Prozent des BIP. Anlagenbetreiber investieren durchschnittlich 40.000 bis 50.000 US-Dollar für die Reinigung eines einzelnen Wärmetauschers – 15 Prozent der Wartungskosten einer typischen Prozessfertigungsanlage.
Hinsichtlich Fouling können Anlagenbetreiber ihre Betriebs- und Wartungskosten effizient reduzieren. Das betrifft vor allem Raffinerien, deren Gewinnspannen in der Regel weniger als 15 Prozent betragen. Bei der Raffination baut sich Fouling in den Pre-Heat Trains (PHTs) auf und verbreitet sich in unterschiedlichen Teilen der Anlage, einschließlich der Rohöldestillationseinheit. Dadurch verringert sich die Effizienz der Wärmeübertragung und der Erhitzer verbraucht mehr Energie, um die Einlasstemperatur der Destillationskolonne zu erreichen. Letztendlich entwickelt sich der Ofen zu einem Engpass, der den Durchsatz reduzieren muss, um die festgelegte Austrittstemperatur beizubehalten. Die geringere Leistung und der niedrigere Durchsatz führen dabei zu wesentlichen Verlusten. Wie das Fouling in Pre-Heat Trains bei der Erdölreinigung mit Prozesssimulationssoftware und Software für die Konstruktion und Bewertung von Wärmetauschern überwacht werden kann, zeigen die folgenden Beispiele aus der Industrie.
Softwarelösungen für die Prozesssimulation sowie für die Konstruktion und Bewertung von Wärmetauschern sind seit den 1980er-Jahren auf dem Markt erhältlich. Doch die jüngsten Fortschritte in einigen Prozesssimulatoren bieten Ingenieuren Lösungen mit nahtlos integrierten, genauen Wärmetauscher-Modellen. Diese erreichen eine höhere Simulationsgenauigkeit und können die Wärmeübertragung im Tauscher präziser anpassen. Zudem rücken die Neuerungen Betriebsrisiken und Warnmeldungen ins Blickfeld der Verfahrenstechniker. Das macht es leichter, kostenintensive Probleme wie Vibrationen, überhöhte Betriebstemperaturen, Überdruck oder Fouling zu identifizieren. Höhere Benutzerfreundlichkeit und Funktionalität ermöglichen einen besseren Workflow, um Fouling-Widerstände aufzubauen, einen optimalen Zeitplan zur Reinigung der Wärmetauscher zu erstellen und so Ausfallzeiten zu minimieren.
Reinigung Schritt für Schritt
Ein optimaler Zeitplan für die Reinigung sowie deren optimale Frequenz hängen je nach Einzelfall von einer ganzen Reihe von Faktoren ab. Generell aber lässt sich für die Wartung von Wärmetauschern und zum Erreichen einer höheren Effizienz ein schrittweise modellbasierter Ansatz nutzen.
1. Prozessmodell erstellen
Zuerst ist ein Prozessmodell erforderlich, das sowohl die Pre-Heat Trains, als auch die Ofenanlage, die der Rohöldestillationseinheit vorgeschaltet ist, beinhaltet. Beim Aufbau des Prozessmodells gilt es als Best Practice einfache, lineare und auf Wärmekurven basierte (Endpunkte) Wärmetauscher zu verwenden. Damit lässt sich der Ablaufplan in kürzester Zeit erstellen und einfacher konvergieren.
2. Wärmetauschermodell entwickeln
Um die einfache Endpunkt-Version des Wärmetauschers in ein präziseres Modell zu überführen, werden im nächsten Schritt die bestehenden Designparameter wie Anzahl der Rohre, Rohre pro Durchgang und TEMA-Typ herangezogen. Diese Details finden sich auf dem Herstellerdatenblatt des Wärmetauschers.
In einigen Prozesssimulatoren sind bereits Konstruktions- sowie Bewertungsmöglichkeiten für Wärmetauscher integriert. Mit ihnen können Anwender einfache Wärmetauscher-Modelle in präzise Modelle umwandeln, ohne dabei den Prozesssimulator zu verlassen. Bei der Bewertung der Optionen und dem Vergleich der verschiedenen Software-Lösungen sollte die wissenschaftliche Basis dieser Modelle sowie ihre Verbreitung und Akzeptanz in der Industrie berücksichtigt werden. Weitere wichtige Aspekte umfassen die Qualität der Integration zwischen der Software des Wärmetauschers und des Prozesssimulators, die Benutzerfreundlichkeit und die Performance.
3. Anlagedaten ermitteln
Am Anfang der Fouling-Überwachung steht die Analyse der Anlagendaten aus den gesammelten Daten der Raffinerie. Zu den wesentlichen Daten zählen Durchfluss- und Temperaturmessungen. Sie kommen bei der Kalibrierung des Prozesssimulationsmodells zum Einsatz. Falls die Anlagedaten nicht hinsichtlich Temperatur oder Menge ausgeglichen sind, müssen die Daten aufeinander abgestimmt werden.
4. Fouling-Widerstand ermitteln
Liegen die Anlagedaten vor, müssen nun die Prozessdaten für jeden Wärmetauscher in die Simulation übertragen werden. Unter Verwendung des maximalen Fouling-Betriebsmodus kann der Prozess-Simulator die Verschmutzungsfaktoren für eine Vielzahl von Szenarien ermitteln. Dazu gehören zum Beispiel Hot-Side-Fouling, Cold-Side-Fouling, beidseitiges Fouling am Eingang sowie gleichmäßiges Fouling auf beiden Seiten.
Diese unterschiedlichen Berechnungsarten entsprechen den vielfältigen Wegen, auf denen sich Fouling in einem Wärmetauscher ausbreitet. So tritt auf der kalten Seite eines Wärmetauschers häufig die Verschmutzung durch Salzablagerungen auf; sie kann daher meist auf die kalte Seite zurückgeführt werden. Hingegen lässt sich das Fouling auf der warmen Seite des Wärmetauschers – mit Rohöl, Vakuumrückstand oder Vakuumgasöl – sowohl von der warmen Seite als auch von der kalten Seite ableiten.
Bei einem maximalen Fouling-Betriebsmodus und unter Verwendung aller Anlagedaten lassen sich über einen längeren Zeitraum hinweg Verschmutzungsfaktoren berechnen und Trends erkennen. Betrachtet man den Fouling-Widerstand über die Zeit, lässt sich zudem einschätzen, welcher Wärmetauscher am schnellsten verschmutzt.
5. Fouling-Widerstand ändern, Reinigungskonzepte bewerten
Ist der Fouling-Widerstand berechnet, kann der Prozesssimulator diverse Fragen untersuchen. Wie lassen sich das Verfahren, die Methode und die Häufigkeit der Reinigung von Wärmetauschern optimieren? Welche Auswirkung hat es, stark verschmutzte Wärmetauscher außer Betrieb zu nehmen und andere einzusetzen? Mit welchem Wärmetauscher lässt sich der Kraftstoffverbrauch der Ofenanlage reduzieren? Was bewirkt die Umschaltung der heißen und kalten Seite eines bestehenden Wärmetauschers?
Mit dieser Methode lassen sich zudem die Auswirkungen von neuem Rohöl auf die Verschmutzung von Wärmetauschern, die notwendige Brennleistung des Ofens zur Verarbeitung sowie die optimale Mischung untersuchen.
Kontrolle in der Praxis
Wie sich Fouling in der Praxis kontrollieren und managen lässt, zeigt sich am Beispiel einer führenden Rohölraffinerie in Europa, die täglich über 400.000 bbl Rohöl aufbereitet. Mithilfe der Software Hysys, Shell und Tube Exchanger des US-amerikanischen Prozesssimulationsspezialisten AspenTech entwickelte das Unternehmen eine Lösung, mit der Anwender Fouling und Prozessleistung beobachten können. Benötigt wurde ein leicht bedienbares Tool, das Wartungsentscheidungen vereinfacht. Durch Anbindung an Excel entstand eine Lösung für die Bewertung von Spül- und Reinigungsverfahren, das zu erheblichen Einsparungen beiträgt.
Ähnlichen Mehrwert generierte der Dienstleister eines Anlagenbetreibers im Nahen Osten. Aufgabe war, die Benutzerfreundlichkeit der eigenentwickelte Lösung zur Überwachung von Pipe-Fouling in den Wärmetauschern eines Pre-heat-Trains zu verbessern. Das Tool wurde verwendet, um unnötige Reinigungsarbeiten zu vermeiden und so Wartungskosten und Ausfallzeiten zu verringern. Mit Aspen Hysis und Aspen Exchanger Design and Rating’s Shell and Tube Exchanger konnte das Unternehmen ein neues Programm entwickeln, das für die Aufgabe nicht mehr 6 bis 12 Stunden, sondern nur noch 10 bis 20 Minuten benötigt. Zudem entfielen auch hier unnötige Reinigungen.
