Fakten zum Anfassen: Hitze

1. August 2022 | Von Kapil Bathla, Eastman Chemical Co.

Wärmeübertragungsflüssigkeiten (HTFs) sorgen für die Beheizung und Kühlung von Prozessanlagen, einschließlich Reaktoren, Autoklaven, Destillationskolonnen, Reboilern, Mischern und Trocknern. HTF-Systemdesigns sollten eine effektive Systementlüftung ermöglichen, sowohl von Restwasser beim Start als auch von Abbauprodukten während des Betriebs.

Bei der Inbetriebnahme neuer HTF-Systeme (Abbildung 1) sollten vor allem die Auswirkungen von Wasser berücksichtigt werden: Neue Systeme können anfällig für übermäßigen Druck durch Restwasser sein. Hydrostatische Drucktests (Leckprüfungen), die am System während der Herstellung oder vor Ort nach der Wartung durchgeführt werden, können eine typische Wasserquelle sein. Eine vollständige Wasserentfernung kann durch Siphons und Höhenänderungen der Rohrleitungen behindert werden. Die besten Systemdesigns sehen Rohrleitungsinstallationen mit Gefälle zu strategisch platzierten Tiefpunktabflüssen vor. Nachdem das Wasser abgelassen wurde, aber vor dem Befüllen, kann das System weiter getrocknet werden, indem warme, trockene Luft (oder N2) durch die Systemkreisläufe gespült wird, bis der Taupunkt des austretenden Gases –34 bis –40 °C erreicht, was anzeigt, dass die Feuchtigkeit ausreichend getrocknet wurde . Eine sorgfältige Beachtung des Trocknungsprozesses verkürzt die Zeit, die benötigt wird, um die vorgesehenen hohen Betriebstemperaturen beim Start zu erreichen, erheblich.

ABBILDUNG 1. Wärmeübertragungsflüssigkeitssysteme müssen beim Start auf Restwasser und während des Betriebs auf Flüssigkeitsabbauprodukte entlüftet werden

Stellen Sie vor der Zirkulation sicher, dass der Kaltflüssigkeitsstand des HTF im System ausreichend ist. Dies wird typischerweise durch das Flüssigkeitsstandmessgerät des Ausdehnungsgefäßes angezeigt (Abbildung 1). Als nächstes erhitzen Sie die Flüssigkeit langsam und zirkulieren dabei durch alle Rohrleitungskreisläufe. Dabei ist davon auszugehen, dass der Wassergehalt möglicherweise zu hoch ist. Ventil A ist geschlossen und die Ventile B und C sind geöffnet. Das HTF zirkuliert durch den Ausgleichsbehälter und erwärmt sich auf knapp über 100 °C. Diese Temperatur zwingt die Feuchtigkeit dazu, in den Dampfraum des Ausdehnungsgefäßes zu strömen. Ventil E ist geöffnet und das eindringende Inertgas spült die Wasserdämpfe aus dem Dampfraum stromabwärts in einen Auffangtank oder ein Fackelsystem. Der Prozess wird fortgesetzt, bis die Feuchtigkeitssymptome – einschließlich Pumpenkavitation, unregelmäßiger Durchflussrate an der Auslassseite der Pumpe sowie Rassel-, Klopf- und Siedegeräusche im Ausgleichsbehälter und im Rohr – nachlassen.

Sobald das HTF als ausreichend getrocknet gilt, sollte die Flüssigkeit in der Lage sein, sich weiter auf höhere Betriebstemperaturen zu erwärmen. Die typische Ventilausrichtung während des Normalbetriebs besteht darin, dass die Ventile A und B geöffnet und die Ventile C und E geschlossen sind. Diese Ventilplatzierung ermöglicht eine niedrigere Temperatur im Ausdehnungsgefäß (üblicherweise etwa 25 % des Systemvolumens), wo dessen thermische Abbaurate vernachlässigbar ist.

Im Betrieb verschlechtert sich das HTF mit zunehmender Geschwindigkeit, wenn sich die Betriebstemperaturen dem Hauptbetriebsmaximum für das spezifische HTF nähern, wodurch sich der Zustand und die Zusammensetzung des HTF verändern. Der thermische Abbau führt zur Bildung sowohl hochsiedender Verbindungen, die die Flüssigkeitsviskosität erhöhen und möglicherweise zur Bildung von Feststoffen führen, die das Risiko von Koks- oder Verschmutzungsablagerungen erhöhen, als auch niedrigsiedenden Verbindungen, die die Viskosität der Flüssigkeit verringern und deren Siedepunkte unterhalb des Siedebereichs liegen der HTF. Darüber hinaus kann eine Erhöhung des Leichtsiederanteils zu einer Flammpunkterniedrigung um 45 °C oder mehr führen.

Die Niedrigsieder können durch routinemäßige Systementlüftung in den Griff bekommen werden. Systeme werden am besten nur dann entlüftet, wenn die Konzentration an Leichtsiedern die empfohlenen Grenzwerte auf der Grundlage einer Probenanalyse der Flüssigkeit überschreitet.

Bei der Inbetriebnahme eines neuen Systems wird nach dem gleichen Verfahren vorgegangen, mit der Ausnahme, dass höhere Temperaturen erforderlich sind. Bei vielen organischen HTFs wird der Entlüftungsvorgang bei Flüssigkeitstemperaturen in der Nähe von 180 bis 200 °C durchgeführt. Dieser Temperaturbereich unterstützt das Flashen in die Dampfphase und die Abtrennung der Leichtsieder von der Wärmeübertragungsflüssigkeit zur Entfernung, ohne dass es zu einem nennenswerten Verlust der HTF-Komponenten kommt. Bei geschlossenem Ventil A und geöffneten Ventilen B und C fließt die gesamte Flüssigkeit durch den Ausgleichsbehälter. Dieser Prozess erhöht die Flüssigkeitstemperatur im Ausdehnungsgefäß und erhöht die Partialdrücke der niedrigsiedenden Abbauprodukte. Dadurch können die Leichtsieder schnell in die Dampfphase übergehen, wo ihre Entfernung durch das Öffnen von Ventil E unterstützt wird. Mit Inertgas können diese Dämpfe effizient über die Flüssigkeitsoberfläche und aus der Entlüftungsleitung gespült werden, wo sie kondensiert werden können und zur Entsorgung gesammelt.

Die Zirkulation durch das Ausdehnungsgefäß stellt außerdem sicher, dass alle HTF von der Reduzierung des Anteils an Leichtsiedern profitieren.

Kehren Sie nach dem Entlüftungsvorgang zur typischen Ventilausrichtung für den Normalbetrieb zurück, bei der die Ventile A und B geöffnet und die Ventile C und E geschlossen sind. Diese Anordnung sorgt für die thermische Ausdehnung und Kontraktion des HTF-Volumens zum und vom Ausdehnungsgefäß bei Temperaturänderungen. Kontinuierliches Entlüften und Spülen wird nicht empfohlen, da dadurch Teile des HTF selbst verbraucht werden können, was zu entsprechenden Veränderungen seiner Eigenschaften, Leistung und Lebenserwartung führen kann.

Anmerkung der Redaktion:Dieser Inhalt wurde von Kapil Bathla, einem Spezialisten für Produktentwicklung und technischen Kundensupport bei Eastman Chemical Co. (Kingsport, Tennessee; www.eastman.com), verfasst.