DE102012203120A1

DE102012203120A1 - Verfahren zur In-Situ-Reinigung

Info

Publication number: DE102012203120A1
Application number: DE201210203120
Authority: DE
Inventors: Marcus Franz; Georg Härtel; Thomas Wandke
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-08-29

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum In-Situ-Reinigen von Innenflächen von Leitungen durch gepulste Hochspannungsentladung, wobei durch Leitungen gespannte Kabelelektroden nach dem Zufallsprinzip schwimmend einen Entladungspuls liefern, der in Form einer elektrohydraulischen Unterwasserfunkenentladung an der Elektrodenspitze erfolgt.

Description

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zum In-Situ-Reinigen von Innenflächen von Leitungen durch gepulste Hochspannungsentladung.
Bei vielen verfahrenstechnischen Prozessen enthalten wärmeübertragende Fluide gewisse Mengen gelöster oder suspendierter Stoffe. Dies hat zur Folge, dass es zu der Ausbildung einer mehr oder weniger stabilen Schicht von Ablagerungen an den Wärmeübertragungsflächen kommt.
Die Ablagerungsbildung in Wärmeübertragern stellt die Betreiber vor vielfältige Probleme und wird im allgemeinen Sprachgebrauch als Scaling oder Fouling bezeichnet.
Die Wärmeleitfähigkeit einer solchen Schicht ist im allgemeinen äußerst gering, wodurch sich ein zusätzlicher Wärmedurchgangswiderstand ergibt. Durch Scaling (z.B. Schicht von Calciumcarbonat oder Calciumsulfat) und Fouling (Reste von biologischen Ablagerungen) an Wärmeübertragerflächen kommt es zu einem Anstieg des Strömungsdruckverlustes Δp aufgrund der Verengung des Querschnitts und der Zunahme der Rauhigkeit der Oberfläche, was zu erhöhten Betriebskosten bis hin zum Totalausfall von Anlagen durch „Zuwachsen“ der durchströmten Flächen führt.
Zur Vereinfachung wird Scaling im folgenden auch als Fouling bezeichnet.
Die Vorhersage des Foulingverhaltens ist äußerst schwierig. Neben physikalischen Größen wie der Strömungsgeschwindigkeit, der Wandtemperatur, der Temperaturdifferenz zwischen Wand und Fluid und dem Wärmestrom, die berücksichtigt werden müssen, beeinflussen auch eine Vielzahl von chemischen Größen wie Zusammensetzung und Konzentration des Fluides, Korrosions- und Reaktionsverhalten und der pH-Wert das Foulingverhalten. Biologische Faktoren wie das Wachstum von Mikround Makroorganismen können des weiteren auch eine wichtige Rolle spielen.
Fouling auf Wärmeübertragerflächen kann durch folgende Mechanismen verursacht werden: Kristallisation, Sedimentation, Reaktionen, Korrosion, biologisches Wachstum und Mischformen.
Der Vorgang der Kristallisation kann zwei Ursachen haben. Zum einen kann es zum Auskristallisieren und Ablagern von gelösten Salzen kommen (Precipitation Fouling), die bei den Prozessbedingungen übersättigt vorliegen. Zum Anderen kann es zur Kristallisation kommen, indem die Schmelztemperatur der Flüssigkeit unterschritten wird (Solidificaton Fouling).
Ein weiterer Foulingmechanismus ist die Sedimentation (Particulate Fouling). Dabei kommt es zur Ablagerung von Feststoffpartikeln aufgrund von Diffusion und/oder des Trägheitseinflusses.
Chemische Reaktionen können auch zur Ausbildung einer Feststoffanlagerung führen (Chemical Reaction Fouling), insbesondere durch Polymerisations- und Zersetzungsreaktionen, wobei das Wandmaterial des Wärmetauschers nicht an der Reaktion beteiligt ist.
Aufgrund von Korrosion kann es zur Bildung einer Oxidschicht an der Wärmetauscherwand kommen (Corrosion Fouling). Der Wärmedurchgang wird in der Regel durch solche Schichten wenig beeinflusst, allerdings können durch die Veränderung der Wandstruktur andere Foulingmechanismen begünstigt werden.
Biologisches Wachstum (Biological Fouling) führt zur Anreicherung von Mikroorganismen (z.B. Bakterien) und Makroorganismen (z.B. Algen). Vor allem Fouling von Mikroorganismen ist ein schwerwiegendes Problem, da diese nicht nur über das Fluid, sondern auch über die Luft, eingebracht werden können.
Neben den einzelnen Foulingmechanismen treten in der Praxis oft Mischformen auf. Dabei ist es möglich, dass das Fouling durch die unterschiedlichen Mechanismen noch verstärkt wird.
Korrosion kann die nachfolgende Ablagerungsbildung infolge zusätzlicher Rauhigkeit begünstigen. Biologische Anlagerungen wirken filtrierend, weshalb sich verstärkt suspendierte Partikel ablagern.
Die durch Fouling verursachten erheblichen zusätzlichen Kosten sind Energie- und Wartungskosten, zusätzliche Investitionskosten und vor allem Kosten infolge von Stillstandzeiten. Zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Mindestleistung sind daher regelmäßige Reinigungszyklen zwingend erforderlich. Fast alle Reinigungsverfahren basieren auf chemischen und mechanischen Reinigungsmethoden, oder auf Kombinationen derselben.
Ein erhebliches Problem stellen die bei allen chemischen Reinigungsmethoden in großen Mengen anfallenden Reinigungschemikalien (Laugen und Säuren) dar. Diese müssen entweder umweltgerecht entsorgt oder sorgfältig aufbereitet werden, bevor sie dem natürlichen Kreislauf zugeführt werden dürfen.
Eine Alternative zur chemischen Reinigung von Leitungen besten in der mechanischen Reinigung. Hierzu muss in fast allen Fällen das verschmutzte Leitungssystem aus dem Betriebskreislauf ausgebaut und geöffnet werden. Die dadurch verursachten Kosten durch Stillstand von Anlagen sind erheblich. Zwar gibt es auch gelegentlich kontinuierliche mechanische Reinigungsverfahren wie Druckstoßspülung, aus konstruktiven Gründen sind diese Verfahren jedoch wesentlich schwieriger anzuwenden und erfordern erhebliche Umbauten mit entsprechend verbundenen Investitionen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues Verfahren zur In-Situ-Reinigung zu entwickeln, das Reinigungschemikalien und Stillstandzeiten vermeidet und zuverlässig Ablagerungen in Leitungen entfernt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum In-Situ-Reinigen von Innenflächen von Leitungen durch gepulste Hochspannungsentladung, wobei durch Leitungen gespannte Kabelelektroden nach dem Zufallsprinzip schwimmend einen Entladungspuls liefern, der in Form einer elektrohydraulischen Druckstoßerzeugung (Unterwasserfunkenentladung) erfolgt. Dabei erfolgt die Funkenentladung an der Elektrodenspitze und nicht über die Rohrwand, so dass erfindungsgemäß kein Funkenüberschlag zum Rohr erfolgt. Obwohl der Entladungsprozess nicht über die Rohrwand geschieht, wird überraschend ein wesentlich besserer Reinigungseffekt erzielt als ohne die direkt auf die Rohrwand gerichteten Impulse.
Dadurch können besonders bevorzugt auch elektrisch hoch isolierende Schichten wie beispielsweise Rohre aus nicht elektrisch leitenden Materialien oder schlecht leitfähigen Materialien wie beispielsweise Kunststoffrohre gereinigt werden.
Bevorzugt sind die Leitungen oder Rohre für den Transport und/oder die Verarbeitung von organischen und anorganischen Fluiden, Feststoffen oder Gemischen derselben vorgesehen.
Fluiden, Feststoffen, Gemischen derselben oder Lösungen, die zum Auskristallisieren neigen, vorgesehen.
Die Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem Steuergerät mit Steuerpult, einem Transformator mit aufgesetztem Arbeitskommutator, einem Kondensator, einer Kabelelektrode und einer Elektrodenhalterung mit Gewindestangenantrieb.
Der Transformator mit aufgesetztem Arbeitskommutator wandelt Netzspannung in Hochspannung um. Zusätzlich ist im Transformator ein Gleichrichter eingebaut, der die Wechselspannung am Transformatorausgang in Gleichspannung umändert. Die gerichtete Hochspannung wird benötigt, um den Kondensator mit genügend hoher Energie (Potential) aufzuladen.
Der Arbeitskommutator besteht aus zwei Elektroden, deren Abstand über einen Drehschalter verändert werden kann. Durch die Vergrößerung des Elektrodenabstandes im Arbeitskommutator muss der Kondensator mehr Energie aufnehmen, um den Spalt zwischen den Elektroden durch einen elektrischen Überschlag zu überwinden. Sobald der Kondensator die benötigte Energiemenge aufgenommen hat, kommt es zum elektrischen Überschlag zwischen den Elektroden.
Bevorzugt sind die Kabelelektroden mit einer Hochspannungsenergiequelle verbunden, die eine gepulste Entladungsspannung an die Kabelelektroden liefert.
Die Hochspannungsenergiequelle besteht aus einem Schalter, einem Trigger-Eingang für den Schalter und einer mit dem Schalter verbundenen Energiespeicherungs-Einrichtung zwischen und in Verbindung mit der Energiequelle und einer Elektrode.
Die überschlagene Ladung fließt über die Kabelelektrode zur Elektrodenspitze. Zwischen der Entladeelektrodenspitze und der als Gegenpol an den Kondensator angeschlossenen Elektrodenspitze kommt es zur Unterwasserfunkenentladung, die den Druckstoß auslöst.
Vorzugsweise ist eine Zusatz-Endladungsquelle angrenzend an die Kabelelektroden angeordnet, die so ausgelegt ist, dass die aus der Hochspannungsentladung entstehende Druckwelle einstellbar ist.
Die Einstellung der Druckwelle erfolgt über die Variation des Abstandes zwischen den Elektrodenspitzen, wobei die Kabelelektrode als Zusatzentladungsquelle dienen kann.
Bevorzugt wird die Häufigkeit der Entladungen am Steuergerät über einen Drehschalter eingestellt wird.
Es ist bevorzugt, dass die Einwirkung der Druckstöße 1 bis 24 Stunden lang fortgesetzt wird und regelmäßig eine Entladung erfolgt.
In einer weiter bevorzugten Variante wird je nach Verschmutzungsart oder Neigung zur Verschmutzung eine Entladungsabfolge eingestellt, die für eine dauerhafte Reinhaltung erforderlich ist.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird über einen Turbolator mit einem Turbolenzpromotor eine Turbulenz erzeugt, die zu einer örtlich und zeitlich optimalen Verwirbelung führt.
Es ist bevorzugt, dass der Turbolenzpromotor ein vor Korrosion geschütztes Drahtgebilde ist. Der Korrosionsschutz kann vorzugsweise aus Materialien wie Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Paraformaldehyd (PFA) bestehen.
Vorzugsweise sind die Kabelelektroden mit einem Generator für ionisierbare Spezies verbunden, der so ausgelegt ist, dass er eine Niederspannungsentladung bereitstellt.
Bei den Leitungen handelt es sich vorzugsweise um beheizte Heizrohre, die bei der Kohlenwasserstoffverarbeitung oder chemischen Prozessen eingesetzt werden und die in dem Reinigungsverfahren zu entkoken sind oder von mineralischen oder salzartigen Verschmutzungen befreit werden müssen. Als Beispiel für eine typische Verschmutzung dient Calciumcarbonat.
Es ist besonders bevorzugt, dass es sich bei den Leitungen um Wärmetauscherrohre handelt.
Die Leitungen bestehen besonders bevorzugt aus Graphit und/oder sind mit Carbonfasern und/oder sind teilweise mit Carbonfasern verstärkt.
Überraschend wurde festgestellt, dass die erfindungsgemäßen Leitungen den Belastungen widerstehen, die bei der Reinigung auftreten. Beispielsweise konnten Wärmetauscherrohre aus Graphit 30 bis 40 mal von Verschmutzungen befreit werden, was eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer der Wärmetauscherrohre darstellt.
In einer bevorzugten Variante wird die Hochspannungsentladung in einem dem Wärmetauscher nachgeschalteten Ausdampfgefäß durchgeführt, dessen verkrustete Wände so von Verkrustungen befreit und gereinigt wird. In einer weiteren bevorzugten Variante wird die Hochspannungsentladung im Eintrittsbereich eines Wärmetauschers durchgeführt. Dadurch werden die Ablagerungen im Ausdampfgefäß und Eintrittsbereich stark zerkleinert, wodurch die Scalingschicht in den Wärmetauscherrohren abgetragen wird.

Claims

Verfahren zum In-Situ-Reinigen von Innenflächen von Leitungen durch gepulste Hochspannungsentladung, dadurch gekennzeichnet, dass durch Leitungen gespannte Kabelelektroden nach dem Zufallsprinzip schwimmend einen Entladungspuls liefern, der in Form einer elektrohydraulischen Unterwasserfunkenentladung an der Elektrodenspitze erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen für den Transport und/oder die Verarbeitung von organischen und anorganischen Fluiden, Feststoffen oder Gemischen derselben vorgesehen sind.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Turbolator mit einem Turbolenzpromotor eine Turbulenz erzeugt wird, die zu einer örtlich und zeitlich optimalen Verwirbelung führt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolenzpromotor ein vor Korrosion geschütztes Drahtgebilde ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrosionsschutz aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Paraformaldehyd (PFA) besteht.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelelektroden mit einer Hochspannungsenergiequelle verbunden sind, die eine gepulste Entladungsspannung an die Kabelelektroden liefert.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatz-Endladungsquelle angrenzend an die Kabelelektroden angeordnet ist, die so ausgelegt ist, dass die aus der Hochspannungsentladung entstehende Druckwelle einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Druckwelle über die Variation des Abstandes zwischen den Elektrodenspitzen erfolgt, wobei die Kabelelektrode als Zusatzentladungsquelle dienen kann.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelelektroden mit einem Generator für ionisierbare Spezies verbunden sind, der so ausgelegt ist, dass er eine Niederspannungsentladung bereitstellt.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Leitungen um beheizte Heizrohre handelt, die bei der Kohlenwasserstoffverarbeitung oder chemischen Prozessen eingesetzt werden und die in dem Reinigungsverfahren zu entkoken sind oder von mineralischen oder salzartigen Verschmutzungen befreit werden müssen.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Leitungen um Wärmetauscherrohre handelt.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Leitungen um Rohre aus elektrisch nicht oder schlecht leitfähigen Materialien handelt.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen aus Graphit bestehen und/oder mit Carbonfasern verstärkt und/oder teilweise mit Carbonfasern verstärkt sind.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkung der Druckstöße 1 bis 24 Stunden lang fortgesetzt wird und jede Minute eine Entladung erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeit der Entladungen am Steuergerät über einen Drehschalter eingestellt wird.