Die Kondensation von Brüden ist ein grundlegender Prozess der Verfahrenstechnik und wird häufig in Rohrbündel-Wärmeaustauschern durchgeführt. Mit geeigneten Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann man die Leistung solcher Apparate wesentlich erhöhen.

Bei der Auslegung eines Rohrbündel-Kondensators stellt sich zunächst die Frage, ob der zu kondensierende Strom im Wärmeaustauscher rohrseitig oder mantelseitig geführt werden soll. Im allgemeinen ist es üblich, den Brüdenstrom im Mantelraum zu führen, da der Kühlmittelstrom zur Verschmutzung neigt. Der Rohrraum ist einfacher zu reinigen. Eine mantelseitige Kondensation birgt jedoch auch Nachteile:

• aufgrund der Schwerkrafttrennung von Brüden und Kondensat kann es vorkommen, dass die Austrittsströme sich nicht mehr im Gleichgewicht befinden
   
• eine gute Entlüftung inerter Gase kann schwierig sein
   
• mögliche Vibration der Rohre bei hoher Dampfgeschwindigkeit
   
• die erforderliche Größe der Ein- und Austrittsfläche des Mantels kann zu großen Manteldurchmessern führen
   
• Einschränkungen in der Stutzengröße können zu hohem Eintritts-Druckverlust führen

All diese Probleme können gelöst werden, wenn die Brüden im Wärmeaustauscher rohrseitig geführt werden. Dadurch entstehen jedoch andere Probleme wie Fouling des Kühlmittels im Mantelraum, evtl. niedrigere Wärmeübertragungsraten durch eine tendenziell größere Filmdicke. Herkömmliche Verbesserungsmaßnahmen (z. B. Rippenrohre) können nicht angewandt werden.
Häufig ist es trotzdem die beste Lösung, die Brüden rohrseitig zu führen und durch hiTRAN Turbulatoren eine Verbesserung des Warmeübergangs zu erzielen, sowie Maßnahmen zur Reduzierung der Verschmutzung im Mantelraum zu ergreifen. Die Verbesserung durch Einbauten wird nachfolgend beschrieben. Eine mantelseitige Verschmutzung kann durch Uberwachung der Kühlmittelqualität (z. B. durch Behandlung des Kühlmittels mit Bioziden), durch Verwendung eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs oder durch eine veränderte Mantelraum-Geometrie zur Vermeidung von Totzonen, die Fouling begünstigen (z. B. spiralformige Umlenkbleche von ABB Lummus Heat Transfer), herabgesetzt werden.

Bei einer einfachen Kondensation reicht die Wärmeabfuhr durch den Kondensatfilm, der sich auf der Wärmeübertragungsfläche bildet. Hierbei ist der Wärmeübergangskoeffizient normalerweise sehr hoch, es sei denn, der Flüssigkeitsfilm besteht aus einer Substanz mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit oder ist sehr dick. Bei der Kondensation von reinem Dampf beispielsweise, liegt die Wärmeübergangszahl bei über 10 000 W/m²K. Obwohl es möglich ist, bei einfachen Kondensationen den Wärmeübergangskoeffizienten leicht zu erhöhen, ist eine solche Verbesserung selten notwendig.

Bei vielen chemischen Prozessen wird jedoch ein Gemisch verschiedener Substanzen kondensiert, woraus sich ein komplexerer Kondensationsvorgang ergibt. Bei der Kondensation von Gemischen werden die Wärmeübertragungsraten nicht nur von den Stoffübergangsraten beeinflusst, sondern auch davon, dass während des Kondensationsprozesses Wärme aus der Mischung abgeführt werden muss, um die restlichen Brüden am Taupunkt zu halten. Daraus folgt, dass die erreichten Wärmeübertragungsraten nicht nur von den Gemisch-Stoffdaten abhängen, sondern auch innerhalb des Kondensators je nach Position verschieden sind. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind hierbei meist deutlich niedriger als bei der reinen Kondensation.

Abb. 1:  Typische Darstellung des Wärmeübergangs und des Druckverlustes eines Kondensators ohne Rohreinbauten

Abbildung 1 zeigt die Darstellung des Wärmeübergangs und Druckverlustes bei einem typischen Kondensator. Da aufgrund der vorhandenen großen Dampfmenge hohe Geschwindigkeiten herrschen und sich auf der Wärmeübertragungsfläche ein dünner Kondensatfilm mit hohen Scherkräften ausbildet, ist anfangs die Wärmeübertragungsrate hoch. Mit fortschreitender Kondensation jedoch nimmt die Wärmeübertragungsrate ab, da mehrere Faktoren sich auswirken:

• das Brüdenvolumen nimmt ab, da die Schwersieder kondensieren und sich dadurch die Geschwindigkeit reduziert
   
• die restlichen Brüden haben einen hohen Anteil an Leichtsiedern, so dass die Brüdentemperatur reduziert werden muss, um die Kondensation aufrecht zu erhalten
   
• die Wärmeabfuhr aus der Dampfphase ist schlechter als durch den Flüssigkeitsfilm
   
• es entsteht ein großer Stoffübergangswiderstand, da die Schwersieder durch die Brüden zur Kondensationsfläche wandern müssen
   
• der Flüssigkeitsfilm wird dicker und ist weniger den Scherkraften durch den Dampf ausgesetzt

Die Druckverlustkurve des zu kondensierenden Stromes sieht ähnlich aus. Zunächst ist der Druckverlust aufgrund der hohen Dampfgeschwindigkeit hoch, nimmt jedoch ab, da die Brüden kondensieren und weniger Volumen einnehmen. Man beachte, dass ein wesentlicher Teil des gesamten Druckverlusts beim Eintritt der Brüden in den Wärmetauscher durch den Eintrittstutzen und die Haube auftritt.

Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass sich die Möglichkeit einer Verbesserung des Wärmeübergangs eher nahe der Austrittsöffnung des Kondensators ergibt. Dort ist eine Verbesserung am nötigsten und die Auswirkung der Einbauten auf den Druckverlust am geringsten.
Turbulatoren oder Rohreinbauten verbessern die Wärmeübertragungsraten auf verschiedene Weise. Sie reduzieren die Filmdicke und fördern die Durchmischung von Flüssigkeitsfilmen. Gleichzeitig sorgen sie fur eine schnellere Abkühlung der Brüden und eine Verbesserung des Stoffübergangs in der Dampfphase. Abbildung 2 zeigt ein typisches Rohreinbauelement.

Abb. 2: Turbulenzeintrag durch das HiTRAN® Element. (A) Unbeeinflußte Grenzschichtströmung,
(B) Turbulenzeintrag durch den Turbulator. Fluessigkeit wird von der Rohrwand zur Rohrmitte transportiert.

Je nach Eigenschaften des jeweiligen Kondensators kann der Wärmeübergang wesentlich verbessert werden. Die Auswirkung der hiTRAN Turbulatoren auf die Kurven des Wärmeübergangs und Druckverlusts ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abb. 3:  Darstellung des Wärmeübergangs und des Druckverlustes eines Kondensators mit Rohreinbauten

Es ist möglich, Wärmeaustauscher mit hiTRAN Turbulatoren nachzurüsten und damit zwei Vorteile zu erzielen: Man kann Platz, Gewicht und Kosten fur einen neuen Wärmeaustauscher einsparen und Engpässe in existierenden Prozessen beseitigen. In der folgenden Fallstudie wird ein typisches Projekt zur Beseitigung eines Engpasses beschrieben.

Fallstudie

Ein großer Rohrbündel-Wärmeaustauscher (3500 Rohre) war als Hauptkondensator einer Kolonne in der chemischen Großindustrie eingesetzt. Der Betreiber wollte die Produktion mit minimalen Kosten und Umbaumaßnahmen steigern. Aufgrund der Größe und der hohen Einbaulage des Kondensators war es bei dieser Anlage sinnvoll, zur Beseitigung des Engpasses eine Verbesserung des Wärmeübergangs in Betracht zu ziehen. Eine Untersuchung des Kondensators ergab, dass die Leistungskurve ähnlich der in Abbildung 1 dargestellten Kurve war. Der zu kondensierende Strom wird im Vakuum betrieben, so dass der Dichteunter-schied zwischen Brüden und Kondensat sehr groß ist. Dadurch erhöht sich der Leistungsunterschied zwischen Ein- und Austrittsöffnung des Kondensators  eine ideale Möglichkeit fur den Einsatz von hiTRAN Turbulatoren. Außer der Möglichkeit, einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten über die volle Rohrlänge hinweg zu halten, erwartete man, dass durch den zusätzlichen Reibungsdruckverlust die Brüden über das sehr große Rohrbündel hinweg besser verteilt werden.

Für den Wärmeaustauscher wurde ein spezielles Konzept zur Nachrüstung erstellt, bei dem nur die untere Hälfte der Rohrlänge in dem stehenden Kondensator mit Einbauten bestückt wurden. Im Zuge einer Routine Abschaltung der Anlage wurden die Einbauten erfolgreich eingebaut, ohne den Wärmeaustauscher auszubauen. Beim Wiederanfahren der Anlage zeigten sich die Verbesserungen: Man erhielt eine erhöhte Wärmeleistung im Kondensator und gleichzeitig eine erhöhte Kapazitat der Vakuumanlage aufgrund des geringeren Brüdenvolumens. Insgesamt konnte die Produktion um 30% erhöht werden. Die geschätzte Amortisationszeit der Einbauten beträgt weniger als zwei Monate.