Kühltürme: Verdunstungsverlust und Zusatzwasser

1. April 2017 | Von U. Vengateson, National Petrochemical Co.

Die Anwendung von Massen- und Energiebilanzberechnungen liefert wichtige betriebliche Erkenntnisse

Kühltürme sind eine wichtige Betriebseinheit in der chemischen Prozessindustrie (CPI). Durch die Anwendung von Massen- und Energiebilanzberechnungen können Prozessingenieure den Verdampfungsverlust, den Abschlämm- und Zusatzwasserbedarf sowie die Leistung des Kühlturms bewerten. In diesem Artikel stellt eine anschauliche Studie einen Saugzugkühlturm vor und beschreibt mehrere Schlüsselparameter – Reichweite, Ansatz und Effizienz – und ihre Bedeutung. Zur Abschätzung des Verdunstungsverlusts werden zwei Methoden diskutiert. Auch die Anforderungen an Abschlämm- und Ergänzungswasser werden detailliert beschrieben.

Die Kühlung von Prozessströmen und die Kondensation von Dämpfen sind wichtige Funktionen im CPI-Betrieb. Der Einsatz eines Kühlturms ist die gebräuchlichste Methode zur Ableitung von Abwärme bei CPI-Vorgängen, und Wasser ist bei den meisten dieser Vorgänge das am häufigsten verwendete Kühlmittel zur Ableitung von Abwärme. Eine typische große Erdölraffinerie, die 40.000 Tonnen (mt) Rohöl pro Tag verarbeitet, benötigt 80.000 m 3 /h Kühlwasser. Das entspricht etwa 25 Barrel Wasser pro verarbeitetem Barrel Rohöl [1].

In einem Kühlturm wird der Heißwasserstrom (üblicherweise als Kühlwasserrücklauf bezeichnet) durch Sprühdüsen nach unten in Füllkörper im Inneren des Turms eingeleitet. Es gibt verschiedene Arten von Füllungen – Spritz-, Riesel- und Filmfüllungen –, die darauf abzielen, eine größere Oberfläche zu schaffen und den Kontakt zwischen dem Heißwasserstrom und der Luft zu maximieren. Wenn die Luft im Inneren des Turms aufsteigt, erhält sie die latente Verdampfungswärme des Wassers, wodurch das Wasser gekühlt wird.

Als Faustregel gilt, dass pro 10 °F (5,5 °C) Wasserkühlung 1 % der Gesamtwassermasse durch Verdunstung verloren geht. Der Feuchtigkeitsgrad des aufsteigenden Luftstroms steigt, und sobald er den Turm verlässt, ist der Luftstrom nahezu gesättigt. Das Temperaturprofil des Wassers und die Feuchtkugeltemperatur der Luft entlang der Höhe eines typischen Kühlturms ist in Abbildung 1 dargestellt.

ABBILDUNG 1. Hier ist die typische Variation der Wassertemperatur und der Feuchtkugeltemperatur des Luftstroms dargestellt, wenn der Heißwasser-Einlassstrom von der Oberseite des Kühlturms nach unten fließt und der Luftstrom entlang der Höhe des Kühlturms nach oben strömt Turm

Das gekühlte Wasser wird im Sumpf (oder Becken) des Kühlturms gesammelt und typischerweise als Kühlwasserversorgungsstrom (CWS) zur Anlage gepumpt. Nachdem den Prozesseinheiten Wärme entzogen wurde, wird dieser Strom als Kühlwasserrückführungsstrom (CWR) zum Kühlturm zurückgeführt. Die der Prozesseinheit entzogene Wärmelast wird schließlich im Kühlturm an die Umgebung abgegeben. Ein Kühlturm ist so konzipiert, dass er die gesamte Wärmelast abführt, die der Anlage entzogen wird, indem die CWR-Temperatur auf die CWS-Temperatur gesenkt wird.

Die CWR-Leitung von der Prozesseinheit tritt bei 45 °C in einen industriellen Kühlturm ein und verlässt ihn bei 33 °C, wie in Abbildung 2 dargestellt. Der Turm verfügt über drei Zellen, die jeweils mit einem Wasserdurchfluss von 2.500 m 3 /h betrieben werden. An der CWR-Leitung wird ein Gesamtdurchfluss von 7.500 m 3 /h gemessen. Die Trockenkugeltemperatur und die Feuchtkugeltemperatur der Einlassluft werden mit 30,3 °C bzw. 29 °C gemessen. Die Trockenkugeltemperatur der Abluft beträgt 41,5 °C und es wird davon ausgegangen, dass sie zu 100 % gesättigt ist. Ziel dieser Fallstudie ist die Berechnung der unbekannten Variablen, also des Verdunstungsverlusts, des Luftstroms durch den Turm, des Abblasestroms und des erforderlichen Zusatzwasserdurchflusses. Zunächst werden die wichtigen Parameter Ansatz, Reichweite und Effizienz detailliert beschrieben.

Ansatz. Der Ansatz ist definiert als die Differenz zwischen der Wassertemperatur am Turmauslass ( t out) und der Feuchtkugeltemperatur der Einlassluft ( T w,in). Der Ansatz stellt die Kühlturmfähigkeit dar. Generell gilt: Je größer der Turm, desto kleiner ist der Ansatz. In dieser Fallstudie liegt der Ansatz bei 4°C.

Theoretisch würde die maximale Kühlung, die durch einen Kühlturm erreicht werden könnte, darin bestehen, einen Strom zu erzeugen, der die Feuchtkugeltemperatur der Umgebungsluft aufweist. Um dieses theoretische Maximum zu erreichen, müsste der Turm jedoch eine unendliche Höhe haben. Daher wird allgemein davon ausgegangen, dass die praktische Grenze der CWS-Temperatur 4 °C über der Feuchtkugeltemperatur der Umgebungsluft liegt. Für Entwurfszwecke muss das schlimmste Szenario, also die Feuchtkugeltemperatur der Sommersaison, berücksichtigt werden.

Reichweite (ΔT). Der Bereich ist die Differenz zwischen den Wassertemperaturen am Einlass und Auslass des Kühlturms (t in – t out). In diesem Fall liegt der Bereich bei 12°C. Der Bereich stellt nicht die Leistungsfähigkeit des Kühlturms dar; Vielmehr basiert der Bereich auf der Durchflussrate der Kühlwasserzirkulation (L in) und der Summe der Wärmelasten, die von den Wärmetauschern in der Prozesseinheit (Q) entnommen werden, und steht in keinem Zusammenhang mit der Größe oder Leistungsfähigkeit der Einheit Kühlturm. Andererseits führt eine Erhöhung der Reichweite zu einer Vergrößerung des Anflugs, wenn alle anderen Bedingungen nicht geändert werden. Der Bereich ist in Gleichung (1) dargestellt:

Kühlturmeffizienz (). Der Kühlturmwirkungsgrad ist das Verhältnis der tatsächlichen Kühlung (Reichweite) zur theoretisch möglichen maximalen Kühlung (d. h. wenn der Ansatz Null ist), wie in Gleichung (2) dargestellt:

Theoretisch bedeutet ein Ansatz von Null, dass der Turm 100 % effizient ist. Industrielle Kühltürme haben typischerweise eine Anströmtemperatur zwischen 4 °C und 8,5 °C und einen Wirkungsgrad zwischen 70 und 75 % [2]; in diesem Fall beträgt der Wirkungsgrad 75 %.

Methode 1. Der Verdunstungsverlust und der Luftstrombedarf durch den Turm können durch gleichzeitiges Lösen der Massen- und Energiebilanzgleichungen ermittelt werden.

Verwenden Sie Gleichung (3), um eine Massenbilanz für den gesamten Turmabschnitt anzuwenden. Wie in Gleichung (3) dargestellt, ist die in der herabströmenden Flüssigkeit verdampfte Wassermenge (e L) die Differenz zwischen dem Einlassflüssigkeitsstrom (L in) und der Summe aus Auslassflüssigkeitsstrom (L out) und der Drift Verlust ( d L). Sie entspricht der Differenz des Feuchtigkeitsgehalts der Luft im gesamten Turm.

Wo:

G' = die Menge des Trockenluftstroms (die am Einlass- und Auslassluftstrom gleich bleibt), kg Trockenluft

Y = absolute Luftfeuchtigkeit, kg Wasser/kg trockene Luft/h

Die Indizes in und out beziehen sich auf die Ein- und Ausstiegsorte.

Die Gesamtenergiebilanz ergibt sich aus Gleichung (4):

Wo:

h = die Flüssigkeitsenthalpie, kJ/kg Wasser

H = die Enthalpie der feuchten Luft, kJ/kg trockene Luft

Setzt man L out aus Gleichung (3) in Gleichung (4) ein, nimmt man an, dass die Enthalpie des Driftwassers hd gleich h out ist, und vereinfacht Gleichung (4), erhält man Gleichung (5):

Durch gleichzeitiges Lösen der Massen- und Wärmebilanzgleichungen [Gleichungen (3) und (5)] werden der Verdunstungsverlust (e L) und der Trockenluftbedarf (G') auf 132.000 kg/h und G' = 4.699.850 kg trocken geschätzt Luft/h bzw.

ABBILDUNG 3. In diesem psychrometrischen Diagramm ist der relevante Prozesszustand aus der Krankengeschichte als Vektor AB markiert

Methode 2. Abhängig von der Temperatur der Einlassluft (ob heiß oder kalt) kann die Luft auf ihrem Weg entlang der Höhe eines Kühlturms entweder erwärmt oder gekühlt werden. Im psychrometrischen Diagramm in Abbildung 3 wird der Eintrittszustand der Luft durch Punkt A und die Austrittsluft (die vollständig mit Wasser gesättigt ist) durch Punkt B bezeichnet. Die Enthalpiedifferenz trockener Luft beträgt (HA –HB). . Der Vektor AB ist die Summe der beiden Komponenten. Die horizontale Komponente AC stellt die fühlbare Erwärmung der Luft dar, und die vertikale Komponente CB ist die latente Erwärmung der Luft. In einem Kühlturm ist es auch möglich, die Luft zu kühlen, wenn der Zuluftzustand D[3] ist. Am Punkt D ist die Luft im Vergleich zur Luft am Punkt A heiß und trocken.

Die Komponente DE ist die sensible Luftkühlung und die Komponente EB ist die latente Erwärmung der Luft. Die von der Luft aufgenommene Nettowärme ist die Differenz zwischen der latenten Lufterwärmung und der fühlbaren Luftkühlung.

Beim AB-Verfahren erhöht sich die Trockenkugeltemperatur der Luft am Austritt, das heißt, die Austrittsluft wird im Vergleich zur Eintrittsluft heißer. Im Fall von DB wird jedoch die Trockentemperatur der Luft gesenkt und somit die Luft am Austritt gekühlt. In beiden Fällen ist die Feuchtkugeltemperatur der Austrittsluft immer höher als die der Eintrittsluft. So kann das durch den Kühlturm strömende Wasser durch ungesättigte Luft gekühlt werden, unabhängig davon, ob die Luft heiß oder kalt ist.

In dieser Fallstudie konnten aus den Feldmessungen von DBT und WBT die psychrometrischen Eigenschaften wie absolute Luftfeuchtigkeit, Sättigungsfeuchte und feuchte Luftenthalpie für die Zuluft und die Abluft ausgewertet werden. Die Einlassluft ist als Punkt A und die Auslassluft als Punkt B im psychrometrischen Diagramm markiert. Ein weiterer hypothetischer Punkt C ist so markiert, dass er eine Trockenkugeltemperatur ähnlich wie Punkt B und eine absolute Luftfeuchtigkeit ähnlich wie Punkt A aufweist. Es muss beachtet werden, dass Punkt C hypothetisch ist und keinem Ort in der Region entspricht Kühlturm; Der Punkt C ist auf dem Diagramm markiert, um die horizontale und vertikale Komponente des Vektors AB anzuzeigen. Die Enthalpie feuchter Luft für Punkt C wird berechnet.

Die gesamte von der Luft gewonnene Wärme (HB –HA) besteht aus zwei Komponenten: der latenten Wärmeübertragung (HB –HC) und der sensiblen Wärmeübertragung (HC –HA). Das Verhältnis der übertragenen latenten Wärme (e L  o) zur gesamten von der Wasserseite abgegebenen Wärme wird links in Gleichung (6) angezeigt, und dieser Ausdruck ist numerisch gleich dem Verhältnis der dem Trockenwasser zugeführten latenten Wärme Luft zur gesamten von der Luft gewonnenen Wärme, die auf der rechten Seite in der Gleichung (6) dargestellt ist:

Aus Gleichung (6) wird e L zu 132.000 kg/h berechnet. Es ist zu beachten, dass bei dieser Methode der Trockenluftstrom (G') nicht erforderlich ist. Sobald e L ausgewertet ist, wird G' aus der Massenbilanzgleichung [(Gleichung (3)] geschätzt. Die Aufteilung der latenten Wärmeübertragung und der sensiblen Lufterwärmung beträgt in diesem Fall etwa 85 % bzw. 15 %.

Dem Sumpf wird Ergänzungswasser (L m) hinzugefügt, um die Wasserverluste im Kreislauf auszugleichen. Zu den Wasserverlusten zählen Verdunstungsverluste (e L), Driftverluste (d L), Abschlämmverluste (L b) und andere Leckageverluste (OL) im System, wie z. B. Verluste aus der Pumpendichtung, Rohrleitungslecks, Spülwasser und Filter Rückspülung.

Abdriftverlust. Kleine Tröpfchen, die vom nach oben strömenden Luftstrom mitgerissen werden, werden in einem Tropfenabscheider gesammelt, wo sie sich zu größeren Tropfen ansammeln, die schließlich in die Füllung zurückgeführt werden. Im Allgemeinen wird nur sehr wenig Wasser in Form von Tröpfchen mit der Luft transportiert, aber diese Tröpfchen führen zu Wasserverlust, der als Driftverlust oder Luftwiderstandsverlust bezeichnet wird. Dieses Treibwasser enthält typischerweise gelöste Feststoffe und kann Flecken, Korrosion oder Schäden an umliegenden Gebäuden und Strukturen verursachen. Der Driftverlust beträgt normalerweise etwa 0,1–0,3 % der Zirkulationswasserrate (L in).

Um den Verdunstungs- und Driftverlust auszugleichen, wird zusätzliches Ergänzungswasser hinzugefügt. Da das Ergänzungswasser typischerweise gelöste Feststoffe enthält, bleiben diese Feststoffe typischerweise im Sumpfwasser zurück, wenn das Wasser im Kühlturm verdunstet. Da das Kühlwasser ein sehr effektiver Luftwäscher ist, werden in der aufsteigenden Luft vorhandene Staub- und Schmutzpartikel durch das nach unten strömende Wasser ausgewaschen und sammeln sich im Sumpf. Wenn sich Feststoffe im Sumpf ansammeln, erhöhen sie das Potenzial für Kalkkorrosion und biologische Verschmutzung im Kühlwasserkreislauf. Durch die kontinuierliche Entnahme geringer Wassermengen aus dem Kühlturmkreislauf (Abschlämmung) kann die Konzentration gelöster Feststoffe im Kühlwasser unter die Obergrenze des akzeptablen Bereichs gesenkt werden, um die Kühlwasserqualitätsspezifikation der Anlage zu erfüllen .

Abblasen. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Abschlämmung zu entfernen – als heiße Abschlämmung und als kalte Abschlämmung (Abbildung 2). Unter Hot Blowdown versteht man die kontinuierliche Entfernung von Wasser in der Kühlwasserrücklaufleitung zum Abwasser. Da das Wasser an dieser Stelle heiß ist, ist ein Heißabblasen aufgrund möglicher Auswirkungen auf die Umwelt bei manchen Anwendungen möglicherweise nicht akzeptabel; in anderen Fällen ist dies erwünscht, da es den Durchsatz zum Kühlturm verringert und die Gesamtkühlleistung erhöht.

ABBILDUNG 2. Dieses schematische Diagramm zeigt die Parameter des Kühlturmsystems der Fallstudie. Hinweis: Alle drei Zellen und drei Lüfter werden zusammengefasst und als eine Einheit dargestellt

Unter Kaltabblasen versteht man die kontinuierliche Entfernung von Wasser aus dem Auslass der Kühlwasserpumpe in das Abwasser [4]. Driftverluste und etwaige Leckageverluste aus dem System gelten ebenfalls als Abschlämmung, da diese Ströme gelöste Feststoffe enthalten (solche Verluste sind jedoch unbeabsichtigt).

Die Menge des Abschlämmwassers wird durch Berechnung des Konzentrationszyklus (CC) ermittelt, der als Verhältnis zwischen der Menge an gelösten Feststoffen (hauptsächlich Chloriden) im Abschlämmwasser und im Ergänzungswasser definiert ist, unter Verwendung von Gleichung (8):

Unter der Annahme, dass Abdriftverluste und Leckageverluste vernachlässigbar sind, wird die unten in Gleichung (9) gezeigte Wasserbilanz gelöst:

Die unten in Gleichung (10) dargestellte Bilanz der gelösten Feststoffe wird mit Gleichung (11) berechnet.

Darüber hinaus wird die benötigte Zusatzwassermenge einschließlich Abdrift mithilfe von Gleichung (12) geschätzt:

Das erforderliche Ergänzungswasser hängt hauptsächlich vom Verdunstungsverlust und dem oben berechneten CC ab. Aus Gleichung (11) ist zu erkennen, dass der minimal zu berücksichtigende CC-Wert 2 beträgt, was erfordert, dass beim Abblasen die gleiche Wassermenge wie bei der Verdunstung verloren geht. Jeder Versuch, den CC unter 2 zu senken, führt zu einer erheblichen Menge Zusatzwasser, wie in Abbildung 4 dargestellt.

ABBILDUNG 4. Der Zusatzwasserbedarf im Vergleich zum Konzentrationszyklus ist hier dargestellt

Höhere CC bedeuten, dass C m gegen Null tendiert (was auf eine gute Qualität des Zusatzwassers hinweist). Dies wird jedoch auf Kosten der Wasseraufbereitung des Quellwassers erreicht. Für den optimalen Bedarf wird in dieser Fallstudie ein typischer Konzentrationszyklus (CC= 5) betrachtet. Basierend auf dem Verdunstungsverlust und dem Konzentrationszyklus werden Kaltabschlämmung und Zusatzwasser mit Gleichung (11) und Gleichung (12) zu 33.000 kg/h bzw. 165.000 kg/h berechnet. Unter der Annahme eines Abdriftverlusts von 0,2 % und ohne Systemleckage muss darüber hinaus mit einer Zusatzwassermenge von 180.000 kg/h gerechnet werden. N

Herausgegeben von Suzanne Shelley

1. American Petroleum Institute, Programm zum Erlernen von Betriebstechniken – Kühltürme, 1995.

2. Huchler, L., Kühltürme, Teil 2: Betrieb, Überwachung und Wartung, Chemical Engineering Progress, Okt. 2009.

3. American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, „ASHRAE Handbook“, Kapitel 39 – HVAC System and Equipment, 2008.

4. Smith, R., „Chemical Process Design and Integration“, John Wiley & Sons Ltd., 2005.

Uthirapathi Vengateson ist leitender Prozessdesigningenieur bei National Petrochemical Co. in Yanbu, Saudi-Arabien (Telefon: +966 534878029; E-Mail: [email protected], [email protected]). Vengateson beschäftigt sich seit 17 Jahren mit der verfahrenstechnischen Gestaltung, Forschung und Entwicklung sowie der Inbetriebnahme von Chemie- und Petrochemieanlagen. Zuvor arbeitete er bei Lurgi India Company Ltd. in Neu-Delhi, Indien. Vengateson erwarb einen Bachelor-Abschluss (B.Tech.) in Chemieingenieurwesen an der Madras University, einen Master-Abschluss in Erdölraffinierung und Petrochemie an der Anna University und einen Ph.D. in Chemieingenieurwesen vom Indian Institute of Technology, Neu-Delhi, Indien.