In der Schwerindustrie, beispielsweise in der Fertigung, der chemischen Verarbeitung und der Öl- und Gasraffination, werden Kühltürme und andere Geräte zur Kühlung des für den Betrieb erforderlichen Wassers verwendet. Da Umweltauflagen und anspruchsvolle Marktbedingungen höhere Anforderungen an diese Branchen stellen, werden immer bessere Kühltechnologien entwickelt, um diese Herausforderungen zu bewältigen.
In der Öl- und Gasindustrie wurden viele der derzeit in Betrieb befindlichen Kühltürme im Rahmen des ursprünglichen Raffineriebaus gebaut und nähern sich schnell dem Ende ihrer Lebensdauer. Um den modernen Produktionsanforderungen und Branchenanforderungen gerecht zu werden, müssen diese Türme modernisiert oder durch effizientere Produkte ersetzt werden, und es müssen bessere langfristige Wartungspläne eingeführt werden.
Kühlturmbetrieb und -typen
Kühltürme sind spezielle Wärmetauscher, die die Temperatur von Wasser senken, indem sie es mit Luft in Kontakt bringen. Wasser, das in einem industriellen Prozess erhitzt wurde, wird durch Rohre in den Kühlturm gepumpt. Das Wasser wird durch Düsen auf Schichten aus Wärmeübertragungsmaterial, sogenannte Füllkörper, gesprüht, die den Wasserfluss durch den Kühlturm verlangsamen und so viel Wasseroberfläche wie möglich freigeben, um einen maximalen Luft-Wasser-Kontakt zu gewährleisten. Während das Wasser durch den Kühlturm fließt, wird es auch der Luft ausgesetzt, die von einem elektromotorbetriebenen Ventilator durch den Turm gesaugt wird.
Wenn Wasser und Luft aufeinandertreffen, verdunstet eine kleine Menge Wasser, was eine Kühlwirkung erzeugt. Das abgekühlte Wasser wird dann zurück zur Prozessanlage gepumpt, wo es Wärme aufnimmt. Anschließend wird es zurück zum Kühlturm gepumpt, um erneut gekühlt zu werden.
Verschiedene Kühlturmtypen eignen sich für unterschiedliche industrielle Kühlanforderungen. Vor Ort errichtete Türme (FEP) werden vor Ort gebaut, sind für große Wärmelasten ausgelegt und auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten.
Vor Ort errichtete Türme eignen sich gut für den Einsatz in der Energieerzeugung und Schwerindustrie und sind häufig in Raffinerien und chemischen Verarbeitungsanlagen zu finden.
Werksmontierte Türme (FAP) werden in einer Produktionsstätte in Modulen zusammengebaut und dann in möglichst wenigen Teilen zur Endmontage an die Verarbeitungsanlage geliefert. Werkseitig montierte Türme sind in vielen Kühlleistungen und Kartongrößen erhältlich und umfassen standardisierte mechanische und strukturelle Komponenten.
Für Raffinerien und chemische Verarbeitungsanlagen sind Nasskühltürme mit offenem Kreislauf – gekoppelt mit Röhrenbündel- oder Platten- und Rahmenwärmetauschern – eine kostengünstige Methode zur Wärmeableitung. Diese Türme sind auf Feuchtkugeltemperatur ausgelegt und können Wasser auf eine niedrigere Temperatur abkühlen als einige andere Technologien. Raffinerien und Verarbeitungsanlagen setzen jedoch auch andere Methoden zur Kühlung ein.
Luftgekühlte Wärmetauscher
Verdunstungskühltürme wie die oben beschriebenen verwenden Wärmeübertragungsfüllungen, um das heiße Prozesswasser effektiv zu verteilen und seine Oberfläche für eine effizientere Kühlung zu vergrößern. Der Nachteil besteht darin, dass viele Füllungsarten relativ sauberes Wasser benötigen, um effektiv zu funktionieren. Wasser von geringerer Qualität, das Partikel und Schmutz enthält, verstopft die Füllung und verringert die Leistung.
In Situationen, in denen Wasser knapp, nicht verfügbar oder teuer ist, stellen luftgekühlte Wärmetauscher eine alternative Kühltechnologie dar. Luftgekühlte Wärmetauscher sind für die hohen Wärmelasten ausgelegt, die bei Öl- und Gas- sowie chemischen Prozessen üblich sind, erfordern nur seltene Wartung und verdampfen kein Wasser zur Kühlung.
Luftgekühlte Wärmetauscher nutzen nur Luftstrom, um Kohlenwasserstoffprodukte und andere Flüssigkeiten in Rohren zu kühlen. Heiße Prozessflüssigkeit aus der Anlage fließt durch Rippenrohre, während kühlende Luft über sie strömt. Luftgekühlte Wärmetauscher eignen sich gut für Kohlenwasserstoffanwendungen mit höheren Temperaturen. Diese Wärmetauscher werden in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt, da keine Wartung des Wassers oder der Wasserchemie erforderlich ist und sie nicht die Dampffahne von Verdunstungstürmen erzeugen. Da sie jedoch für Trockentemperaturen ausgelegt sind, können sie Wasser oder Prozessflüssigkeiten nicht auf so niedrige Temperaturen abkühlen wie Nasskühltürme.
Auch andere spezielle Wärmetauscher wie Verdunstungskondensatoren und Flüssigkeitskühler mit geschlossenem Kreislauf werden zur Kühlung von Prozessen und Flüssigkeiten in Chemiewerken eingesetzt.
Herausforderungen für Öl und Gas
In Öl- und Gasraffinerien werden Industrieanlagen häufig mit fließendem Wasser ummantelt oder ummantelt, um Flüssigkeiten zu kühlen und Prozesswärme aufzunehmen. Diese Anlagen erzeugen eine große Wärmelast, die bei unsachgemäßer Handhabung den Betrieb stören kann. Kühltürme werden verwendet, um dieses Prozesswasser für die Wiederverwendung abzukühlen. Die Türme müssen in der Lage sein, die Wärmelast sowie alle branchenspezifischen Probleme zu bewältigen. Lecks im Prozess können dazu führen, dass Kohlenwasserstoffe das Kühlwasser verunreinigen und umgekehrt. Zur Kühlung der Anlagenprozesse wird häufig minderwertiges, nicht trinkbares Wasser verwendet. Die Einhaltung von Umweltschutzbestimmungen zur Begrenzung von Kohlenwasserstoffen, Wasserverbrauch und Driftraten stellt Anlagenbetreiber vor Herausforderungen. Neue Branchenvorschriften erfordern häufig, dass Kühltürme die Driftrate auf 0,0005 Prozent des zirkulierenden Wasserdurchflusses senken, was in älteren Verdunstungskühltürmen schwierig zu erreichen sein kann. Viele derzeit verwendete Kühltürme sind für diese Anforderungen nicht gerüstet.
Vor einigen Jahrzehnten wurden für vor Ort errichtete Türme üblicherweise Holzbauteile verwendet. Diese Kühltürme nähern sich dem Ende ihrer Lebensdauer, weisen mechanische Ausfälle auf und erfordern ungeplante Wartungsarbeiten, die die Produktion beeinträchtigen und die Produktivität der Anlage beeinträchtigen. Auch die Wärmeübertragungsfüllung in den Türmen zersetzt sich mit der Zeit, indem sie mit Rückständen aus schmutzigem Kühlwasser verstopft wird und durch das Gewicht der Trümmer zusammenbricht.
Ein Großteil der Branche benötigt neue Türme und bessere langfristige Wartungspläne. „Viele der bestehenden Kühltürme sind entweder veraltet oder leiden unter mangelnder Wartung“, sagt Alan Christian, Präsident von Christian Power Equipment Inc., einem Unternehmen, das sich auf Ausrüstung für Energie-, Prozess- und Schadstoffbekämpfung spezialisiert hat. „Das ist so bedeutend, dass ich es [in der Branche] als Trend bezeichnen würde.“
Ersatz für alte Türme
Der Austausch alter Kühltürme aus Holz ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Da sie integraler Bestandteil des Produktionsprozesses sind, müssen Wartung, Reparatur und Austausch innerhalb kurzer geplanter Ausfallzeiten erfolgen. Manche Austausche werden jeweils nur für eine Kühlzelle durchgeführt, damit die Anlage weiter betrieben werden kann – ein Verfahren, das als Online-Bau bezeichnet wird. Oft ist die Anmietung temporärer Kühlgeräte erforderlich.
Um den logistischen Herausforderungen und hohen Kosten beim Austausch entgegenzuwirken, bieten Kühlturmhersteller sowohl vor Ort als auch werkseitig montierte Türme an. Raffinerien und Chemiewerke können alte, verfallende Türme durch modulare, vor Ort errichtete Türme oder vormontierte Pakettürme ersetzen, die projekt- und standortspezifisch sind.
„Viele dieser Raffinerien wurden zwischen 1950 und 1970 errichtet, als die ursprünglichen Türme gebaut wurden. Sie haben die Raffinerien um [die Türme] herum gebaut“, sagt Pam McLaughlin, Vertriebsingenieurin bei Hastik-Baymont Inc., einem Unternehmen, das sich auf technische Ausrüstungslösungen für die Öl- und Gas- sowie die verarbeitende Industrie spezialisiert hat. „Die meisten Anlagen, es sei denn, es handelt sich um neue Raffinerien, haben nicht viel Lagerfläche, um Turmreparaturen oder -austausche an einem bereits errichteten Becken durchzuführen. Es gibt einfach nicht viel verfügbaren Platz.“
Vor Ort installierte Lösungen: Um mit diesen Einschränkungen umzugehen, haben einige Hersteller die Produktions- und Montageprozesse für Gegenstromtürme modularisiert. Modulare Kühltürme lassen sich oft schneller errichten und benötigen weniger Stellfläche als herkömmliche Turmbaumethoden, bieten aber die gleiche Leistung, um große Wärmelasten zu bewältigen. Modulare Komponenten können „just in time“ an die Baustelle geliefert werden, was die Bauzeit verkürzt und den Personalbedarf reduziert. Die Montageprozesse sind sicher und einheitliche, werkseitig montierte Module gewährleisten eine gleichbleibende Produktqualität.
Überlegungen zu werkseitig montierten Türmen: Fabrikmontierte Kühltürme sind eine praktikable Alternative für Öl- und Gasanwendungen. Sie bieten eine schnelle Lieferung und Installation sowie mehr Flexibilität bei der Standortwahl. Sie ermöglichen auch kürzere Ausfallzeiten und Produktionsverluste. Im Falle einer Erweiterung können zusätzliche Zellen hinzugefügt werden, um mehr Kühlleistung bereitzustellen. Fabrikmontierte Kühltürme für Prozessanwendungen sind entweder in Gegenstrom- oder Querstromausführung erhältlich und umfassen schwere, korrosionsbeständige Strukturkomponenten und mechanische Antriebsstränge, die auf Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer ausgelegt sind.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Öl- und Gasraffinerien sowie Chemieverarbeitungsanlagen aufgrund der Umwelt- und Marktanforderungen unter Druck geraten und daher Maßnahmen ergreifen müssen, um sicherzustellen, dass ihre Anlagen und Geräte modern und effizient sind. Alte, sich verschlechternde Kühlsysteme müssen durch neue Technologien ersetzt werden, die aus langlebigen Materialien und Komponenten bestehen, von namhaften Herstellern unterstützt und von erfahrenen Ingenieuren und Servicetechnikern betreut werden. Kühlsysteme müssen außerdem Teil umfassender Überwachungs- und Wartungsprogramme sein, die die rentable Nutzungsdauer der Geräte verlängern und die Anlagen auf potenzielle Probleme aufmerksam machen, bevor eine Krise entsteht.
