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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Feststoffen aus
Rohren eines Rohrbündel-Wärmetauschers,
insbesondere ein Verfahren zum Entfernen von Katalysatormaterial
aus Rohren eines Rohrbündelreaktors.
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In
der chemischen Industrie werden in verschiedensten Prozessen Wärmetauscher
eingesetzt, bei denen ein zu temperierendes, insbesondere ein zu
erwärmendes
oder zu kühlendes
Fluid, also beispielsweise Flüssigkeiten,
Gase oder Flüssigkeit/Gas-Gemische, durch zahlreiche
als Rohrbündel
bezeichnete, parallel angeordnete Rohre geleitet werden, die von
einem geeigneten Wärmetauschmedium
umspült
werden. Je nach Art des durch die Rohre des Rohrbündels geleiteten
Fluids kann es im Laufe des Betriebs zu Verschmutzungen, Anbackungen
oder Verkrustungen in den Rohren kommen, so dass eine regelmäßige Reinigung
der Rohre erforderlich ist. Üblicherweise
werden die Rohre von Wärmetauschern
mittels auf hohen Druck gebrachten und ausgesprühten Flüssigkeiten gereinigt (Hochdruckreinigung
oder Hydroblasting). Sehr feste und kompakte Verunreinigungen können durch
eine solche Hochdruckreinigung allerdings nur unzureichend beseitigt werden.
Außerdem
sind in den Rohren eines Rohrbündel-Wärmetauschers
zur Verbesserung des Wärmeübergangs
häufig
Einbauten, wie Umlenkbleche, Stromstörer, Spiralen, Gasmischer usw.
angeordent, was die Reinigung der Rohre zusätzlich erschwert.
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Eine
spezielle Variante der Rohrbündel-Wärmetauscher
stellen die sogenannten Rohrbündelreaktoren dar,
die zur Durchführung
von chemischen Reaktionen, beispielsweise zur Durchführung von
exothermen und endothermen katalytischen Gasphasenreaktionen, wie
der Herstellung von Phtalsäureanhydrid
(PSA), Acrylsäure,
Methacrylsäure
(MMA), Acrolein, Maleinsäureanhydrid
(MSA), Glyoxal, Phosgen, Blausäure
oder Vinylformamid (VFA) verwendet werden. Derartige katalytischen
Gasphasenreaktionen werden meist in Rohrbündelreaktoren an Festbettkatalysatoren
durchgeführt.
Dabei bestehen die Rohrbündelreaktoren üblicherweise aus
einem in einem Reaktormantel angeordneten, aus zahlreichen Reaktionsrohren
aufgebauten Reaktionsrohrbündel.
Die Reaktionsrohre enthalten üblicherweise
geträgerte
Katalysatoren, Schalenkatalysatoren, Vollkatalysatoren und/oder
geordnete Packungen aus Katalysatormaterial, die einem statischem
Mischer vergleichbar angeordnet sind. In den Reaktionsrohren des
Rohrbündels
finden chemische Umsetzungen statt, wobei das die Rohre umspülende Wärmetauschmedium
die Reaktionswärme
zubeziehungsweise abführt.
Die im industriellen Produktionsprozess verwendeten Rohrbündelreaktoren
können
Durchmesser bis zu mehreren Metern aufweisen und zwischen ca. 100
und 50.000 Reaktionsrohre enthalten. Dementsprechend aufwändig ist
die Reinigung der Reaktionsrohre.
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Bei
bestimmten katalytischen Gasphasenreaktionen kann sich an den Rohrbündelreaktor
auch noch ein als Rohrbündel-Wärmetaucher
ausgebildeter Reaktionsgasnachkühler
anschließen,
was den Reinigungsaufwand aufgrund der großen Zahl der Rohre weiter erhöht.
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In
der europäischen
Patentanmeldung
EP-A
1 226 865 wird ein Verfahren zum Entfernen von verbrauchtem
Katalysatormaterial aus einem Reaktionsrohr beschrieben. Bei dem
bekannten Verfahren wird ein flexibler oder starrer Absaugschlauch
in das Reaktionsrohr eingeführt
und Katalysatormaterial mittels eines durch eine Absaugvorrichtung
erzeugten Unterdrucks aus dem Reaktionsrohr abgesaugt. Bei der Variante
des bekannten Verfahrens, bei welcher der starrer Absaugschlauch
zum Einsatz kommt, kann der Schlauch zur Lockerung von leicht verbackenem
oder verklebtem Katalysatormaterial an seinem in das Rohr eingeführten freien
Ende abgeschrägte
Spitzen aufweisen.
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Mit
dem aus
EP-A 1 226 865 beschriebenen
Verfahren ist es allerdings nicht möglich, Katalysatormaterial
aus Reaktionsrohren zu entfernen, wenn das Katalysatormaterial in
größeren Bereichen
zusammengesintert oder durch Ablagerungen, die bei der in den Reaktionsrohren
durchgeführten
gewünschten
Reaktion oder bei unerwünschten
Nebenreaktionen entstanden sind, zusammengeklebt ist. Ebenso stößt das bekannte Verfahren
an seine Grenzen, wenn das Katalysatormaterial nicht mehr als Partikel,
sondern als mehr oder minder fester Block im Reaktionsrohr vorliegt,
beispielsweise durch Anbackungen, Änderungen des Formkörpers oder
durch sonstige Modifikationen der Katalysatoroberfläche im Laufe
des Betriebs, die zu einer Verbindung der einzelnen Katalysatorpartikel
miteinander führen
können.
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Der
Erfindung liegt daher das technische Problem zu Grunde, ein Verfahren
zum Entfernen von Feststoffen aus Rohren eines Rohrbündel-Wärmetauschers,
insbesondere zum Entfernen von Katalysatormaterial aus Reaktionsrohren
eines Rohrbündelreaktors
anzugeben, das auch dann eine schnelle und zuverlässige Reinigung
der Rohre erlaubt, wenn die Feststoffe nicht mehr in loser Teilchenform,
sondern als feste Blöcke vorliegen
und/oder besonders fest an den Rohrinnenwänden anhaften.
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Gelöst wird
dieses technische Problem durch das Verfahren gemäß vorliegendem
Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Der
Erfindung liegt dabei der Gedanke zu Grunde, einen vom einer Bohrmaschine
angetriebenen rotierenden Bohrer in die zu reinigenden Rohre eines
Rohrbündel-Wärmetauschers einzuführen und
die in den Rohren enthaltenen Feststoffe mit Hilfe des rotierenden
Bohrers auszuräumen,
d.h. aus dem Reaktionsrohr nach Außen zu transportieren. Anstelle
einer reinen Rotation kann die Bohrmaschine den Bohrer auch in eine Rotation
mit einer überlagerten
axialen Bewegungen versetzten. Die axiale Be wegung kann ein kontinuierlicher
Vorschub oder eine periodische, durch ein mechanisches oder hydraulische
Schlagwerk erzeugte Hin- und Herbewegung sein.
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Gemäß einer
ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Bohrer
ein Spiralbohrer und weist eine in dem Außenmantel des Bohrers ausgesparte
spiralförmige
Fördernut
auf, in der die von der Bohrerspitze beim Einführen des Bohrers in das Rohr
gelockerten und vereinzelten Feststoffpartikel aus dem Rohr abtransportiert
werden können.
Ein Spiralbohrer wird besonders bevorzugt zur Reinigung von Reaktionsrohren oder
Wärmetauscherrohren
verwendet, die mit steinartigem oder keramischem Material gefüllt sind,
wie beispielsweise mit Katalysatorformkörpern, beschichteten Katalysatorträgerkörpern oder
Formkörpern
aus keramischem Inertmaterial.
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Vorteilhaft
weist der Spiralbohrer eine stumpfe Bohrspitze auf, um die Gefahr
einer Beschädigung
der Rohrinnenwände
des Rohrbündels
zu minimieren. Besonders bevorzugt werden sogenannte Steinbohrer
anstelle von Metallbohrern eingesetzt, was die Gefahr der Beschädigung der
Rohre weiter verringert.
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Spiralbohrer
sind allerdings nicht geeignet, wenn die zu reinigenden Rohre metallische
Einbauten, beispielsweise Einbauten zur Erhöhung des Wärmeübergangs wie Umlenkbleche oder
Spiralen enthalten.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Bohrer
ein mit einer im Wesentlichen ringförmigen Bohrspitze versehener
Hohlbohrer. Ein Hohlbohrer weist eine in Längsrichtung des Bohrers entlang
der Rotationsachse verlaufenden zentrale Ausnehmung auf, die am
freien Ende des Bohrers in die Bohrspitze mündet.
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Mit
dieser besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können unterschiedlichsten
Reaktionsrohre und Wärmetauscherrohre
gereinigt werden, insbesondere auch solche Rohre, die zur Verbesserung des
Wärmeübergangs
metallische Einbauten, wie beispielsweise in die Reaktionsrohre
eingehängte
Metallspiralen aufweisen. Der erfindungsgemäß verwendete Hohlbohrer ist
aufgrund seiner zentralen Ausnehmung nämlich in der Lage, um derartige
Einbauten herum zu bohren, so dass ein Festfressen der Bohrspitze
an Metallteilen vermieden werden kann.
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Der
Außendurchmesser
des Spiral- oder Hohlbohrers beträgt vorzugsweise 10 bis 95 %
des Innendurchmessers des zu reinigenden Rohrs.
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Bei
der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Bohrer mittels der Bohrmaschine in Rotation versetzt, in
das Rohr eingeführt
und in den auszuräumenden
Feststoff, beispielsweise eine verbackene Katalysatormasse, getrieben.
Vorzugsweise ist im Bereich des mit der Bohrspindel der Bohrmaschine versehenen
Endes des Bohrers ein Auswurffenster vorgesehen, das mit der zentralen
entlang der Längsachse des Hohlbohrers
verlaufenden Ausnehmung kommuniziert, aus welchem das von der Bohrspitze
zerkleinerte Material ausgeworfen werden kann.
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In
der zentralen Ausnehmung des Hohlbohrers können auch Einbauten, wie beispielsweise
eine Wendel vorgesehen sein, die den Transport der von der Bohrspitze
gelockerten Feststoffpartikel zum Auswurffenster hin unterstützen.
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Vorzugsweise
sind an der ringförmigen
Bohrspitze zahnartige Vorsprünge
vorgesehen, die das Aufbrechen des in den Rohren enthaltenen Feststoffmaterials
erleichtern. Die zahnartigen Vorsprünge können beliebige Formen besitzen.
Bevorzugt weisen die zahnartigen Vorsprünge aber eine dreieckige und/oder
rechteckige, beispielsweise quadratische Form auf. Die dreieckigen
Vorsprünge
können
als symmetrische oder asymmetrische Dreiecke ausgebildet sein. Im
Fall von asymmetrischen Dreiecken legt die steilere Flanke des Dreiecks
vorzugsweise in Drehrichtung des Bohrers.
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Die
zahnartigen Vorsprünge
können
in einer Reihe auf der ringförmigen
Bohrspitze angeordnet sein. Gemäß einer
Variante können
die Ringe auch in mehreren konzentrischen Reihen angeordnet sein,
wobei eine Anordnung in ein bis drei Reihen bevorzugt ist.
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Bei
einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
verwendet man einen Hohlbohrer, dessen Bohrspitze sich zu ihrem
freien Ende hin im Wesentlichen konisch verjüngt. Durch eine solche sich
verjüngende
Bohrspitze werden Beschädigungen
der Rohrwände
zuverlässig
vermieden. Der zwischen der axialen Längsachse, also der Rotationsachse,
des Hohlbohrers und dem Konusmantel der Bohrspitze eingeschlossene
Winkel θ liegt
vorteilhaft im Bereich von 0° bis
20°, bevorzugt
im Bereich von 1° bis
10° und
besonders bevorzugt im Bereich von 1,5° bis 8°. Größere Konuswinkel als 20° sind weniger
bevorzugt, da dann vermehrt Feststoffpartikel zwischen dem Bohrer
und der Rohrwand eingeklemmt werden. Es versteht sich, dass ein
Konuswinkel von 0°,
der hier ausdrücklich
ebenfalls umfasst ist, einem "Konus" mit zylindrischem Mantel
entspricht, der sich zur Spitze hin nicht verjüngt.
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Die
zahnartigen Vorsprünge
können
so angeordnet sein, dass alle Zähne
auf einer gedachten konusartigen Fläche liegen, deren Erzeugende
mit der Rotationsachse des Bohrers einen bestimmten Winkel einschließt. Wenn
dieser Winkel dem Konuswinkel der sich verjüngenden Bohrspitze entspricht,
liegen die Zähne also
in der Verlängerung
der sich verjüngenden
Bohrspitze. Die gedachte Fläche
kann aber auch einen Winkel mit der Rotationsachse einschließen, der
größer oder
kleiner als der Konuswinkel der Bohrspitze ist, so dass die Zähne gegenüber dem
von der Bohrspitze gebildeten Konus nach Innen oder Außen gerichtet
sind. Es können
auch Hohlbohrer verwendet werden, die eine Gruppe von zahnartigen
Vorsprüngen
aufweisen, die auf einer ersten gedachten konusartigen Fläche liegen,
während
eine weitere Gruppe von zahnartigen Vorsprüngen vorgesehen ist, die auf
einer zweiten gedachten konusartigen Fläche liegen, wobei die Erzeugenden
der beiden konusartigen Flächen
unterschiedliche Winkel mit der Rotationsachse einschließen. Bei
einer solchen Variante können
beispielsweise aufeinanderfolgende Zähne abwechselnd parallel zur
Rotationsachse orientiert sein (d.h. der Winkel zwischen der Erzeugenden
der gedachten Fläche
und der Rotationsachse ist 0°)
bzw. mit der Rotationsachse einen Winkel von 5° nach innen einnehmen. Bei Hohlbohrern
mit mehreren Zahnreihen kann dieser Winkel auch von Zahnreihe zu
Zahnreihe verschieden sein.
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Die
bevorzugte Anzahl von zahnartigen Vorsprüngen wird vorzugsweise in Abhängigkeit
vom Außenumfang
der ringförmigen
Bohrspitze gewählt.
Vorteilhaft sind pro Zentimeter Außenumfang 1 bis 6 Zähne vorgesehen.
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Die
parallel zur Längsachse
(Rotationsachse) des Bohrers gemessene Länge des sich konisch verjüngenden
Teils der Bohrspitze entspricht vorzugsweise dem 0,1 bis 3-fachen des Außendurchmessers
des Bohrers, wobei der Außendurchmesser
in dem sich nicht verjüngenden,
im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt des Bohrers gemessen wird.
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Bevorzugt
wird der Bohrer mit einer Umdrehungszahl zwischen 0 und 400 U/min,
vorzugsweise zwischen 200 und 280 U/min betrieben.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
behandelt man die auszuräumenden
Feststoffe in den Rohren des Rohrbündel-Wärmetauschers
vor dem Einsatz der Bohrmaschine mit einem Lösungsmittel. Diese Variante
des Verfahrens eignet sich insbesondere zur Entfernung von verklebten,
zusammenhängenden
Katalysatormaterialien aus Reaktionsrohren. Hierzu wird der Reaktor
oder Wärmetauscher
an seiner Unterseite wahlweise verschlossen oder mit einer kleinen Öffnung versehen.
Der Rohrraum der Reaktors wird anschließend mit einem geeigneten Lösungsmittel
gefüllt,
das für
einen Zeitraum von typischerweise 1 bis 240 Stunden auf die Feststoffe
in den Rohren einwirken kann. Zur Verbesserung der Wirkung des Lösungsmittels
kann das Lösungsmittel
unten am Reaktor oder Wärmetauscher
abgezogen und in einem Kreislauf oben auf den Reaktor oder Wärmetauscher
wieder aufgegeben werden. Dieser Lösungsmittelkreislauf kann selbstverständlich auch
in umgekehrter Richtung betrieben werden. Die umgepumpte Flüssigkeitsmenge
wird dabei vorzugsweise so bemessen, dass sich in den Reaktionsrohren
eine Leerrohrgeschwindigkeit von 0 bis 1 m/s einstellt. Unter Leerrohrgeschwindigkeit
ist dabei die rechnerisch ermittelte Geschwindigkeit aus Durchfluss
und Rohrquerschnitt zu verstehen, die sich ergäbe, wenn die Rohre völlig ohne Füllung wären. Durch
Betrieb des Lösungsmittelkreislaufs
unter erhöhtem
Vordruck können
auch Leerrohrgeschwindigkeiten über
1 m/s erreicht werden. Als Lösungsmittel
wird vorzugsweise Wasser und besonders bevorzugt ein alkalisches
Lösungsmittel
wie verdünnte
oder konzentrierte Natronlauge beziehungsweise verdünnte oder
konzentrierte Kalilauge verwendet.
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Im
Anschluss an das erfindungsgemäße Verfahren
können
verbleibende Alkalireste durch eine Spülung mit Wasser aus den Rohren
des Rohrbündels
entfernt werden.
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Anschließend lässt man
die Rohre an der Umgebungsluft oder durch Einblasen von erwärmter Luft trocknen.
Je nach Konstruktionsmaterial der Rohre des Rohrbündels kann
es wünschenswert
sein, gegebenenfalls vorhandene Rostflecken zu entfernen, beispielsweise
durch Sandstrahlen.
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Gegenstand
der Erfindung ist schließlich
auch die Verwendung einer, vorzugsweise mit einem Spiralbohrer oder
eine Hohlbohrer versehenen Bohrmaschine zum Entfernen von Feststoffen
aus Rohren eines Rohrbündel-Wärmetauschers.
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Die
Erfindung wir im Folgenden unter Bezugnahme auf in den beigefügten Zeichnungen
schematisch dargestellte Ausführungsformen
bevorzugter Bohrerspitzen und an Hand der folgenden Beispiele näher erläutert.
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In
den Zeichnungen sind in den
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1 bis 4 schematische Teilansichten der Bohrspitzen
von bevorzugten Ausführungsformen
der im erfindungsgemäßen Verfahren
verwendeten Bohrer dargestellt.
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Dabei
zeigt 1 einen im Wesentlichen
zylindrischen Hohlbohrer 10, der eine im wesentlichen kreisringförmige Bohrspitze 11 aufweist.
Die Bohrspitze 11 ist mit zahnartigen Vorsprüngen 12 versehen.
Die zahnartigen Vorsprünge 12 sind
bei dem Bohrer der 1 als
im Wesentlichen symmetrische Dreiecke ausgebildet.
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Dem
gegenüber
zeigt 2 eine Variante
des Bohrers der 1, wobei
der ebenfalls im Wesentlichen zylindrische Hohlbohrer 20 an
der Bohrspitze 21 mit asymmetrischen dreieckigen Vorsprüngen 22 versehen
ist. Die steilere Flanke 23 der Dreiecke 22 zeigt
dabei in die durch einen Pfeil symbolisierte Drehrichtung des Bohrers.
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3 zeigt einen zylindrischen
Hohlbohrer 30, dessen Bohrspitze 31 mit rechteckigen
Vorsprüngen 32 versehen
ist.
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4 zeigt eine besonders bevorzugte
Variante eines im Wesentlichen zylindrischen Hohlbohrers 40, dessen
Bohrspitze 41 einen sich zum freien Ende hin verjüngenden
konusförmigen
Abschnitt 44 aufweist. Zwischen der Mantellinie (Erzeugenden) 45 und
der zentralen Längsachse 46 des
Bohrers 40 wird ein Konuswinkel θ eingeschlossen. Zur besseren Übersicht
sind in 4 die auf der
Bohrspitze erfindungsgemäß vorgesehenen
zahnartigen Vorsprünge
nicht dargestellt.
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Vergleichsbeispiel 1:
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Ein
Reaktor mit Rohren mit 25 mm Durchmesser war am oberen Ende mit
zylindrischen Formkörpern (Inerte)
der Größe 7 mm × 7 mm × 4 mm (Außendurchmesser × Höhe × Innendurchmesser)
gefüllt.
Durch Ablagerungen, die aus MoO3 und koksartigen
Bestandteilen bestanden, waren die Formkörper miteinander verbacken.
Der Versuch diese Rohre mittels eines Absaugrohres abzusaugen, das
aus einem Kunststoffschlauch mit einem an der Spitze montierten
80 cm langen, schräg
angeschnittenen Metallrohr mit 85% Reaktionsrohrdurchmesser bestand,
blieb ohne Erfolg.
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Beispiel 2:
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Der
Reaktor aus Vergleichsbeispiel 1 wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gereinigt.
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Dazu
wurde eine Bohrmaschine mit einem Hohlbohrer bestückt. Der
Hohlbohrer hatte folgende geometrische Daten: Stahlschaft mit einer
Länge von
400 mm, einem Durchmesser von 23 mm und einem Konuswinkel von 5°. Die Länge des
Konus betrug 30 mm. Die Bezahnung des Bohrers bestand aus 15 auf
dem Umfang der Bohrspitze angeschweißten und eingeschliffenen Zähnen aus
Stellit, die als symmetrische Dreiecke mit einer Höhe von 3
mm ausgebildet waren. Der Bohrer wurde mit einer Rotationsgeschwindigkeit
von 220 bis 280 U/min betrieben.
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Die
verbackene Schicht konnte entfernt problemlos werden. Die Zeit [Minuten:Sekunden]
für das Durchbohren
verbackenen Schicht betrug pro Rohr, je nach Verbackungsgrad, zwischen
26 sec und 39 sec. Die verbackene Schicht hatte eine Dicke von ca.
200 mm. Die darunter liegenden Inerte und die folgenden Katalysatorformkörper konnten
anschließend
abgesaugt werden.
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Beispiele 3 – 13:
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Wie
Beispiel 2, jedoch mit jeweils unterschiedlichen Bohrergeometrien.
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Die
Beispiele 2 bis 13 sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengefasst.
Die Reinigung der Rohre war in allen Fällen möglich. Man erkennt jedoch,
dass die Verwendung von Bohrern mit Konuswinkeln von weniger als
20° und
Zahnhöhen
von weniger als 7 mm bevorzugt sind.
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Tabelle
1: Zusammenfassung der Beispiele 3 – 13
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Beispiel 15
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Ein
Reaktionsgasnachkühler
erwies sich nach dem Ausbau als völlig verdreckt mit hartem Material, welches
auch bis in die Rohre eingedrungen war. Der schwarze Dreck enthielt
Molybdän
und verlor beim Erhitzen auf 800 °C
an Luft 26,8 % seiner Masse, was als Kohlenstoff interpretiert wurde
(Bestimmt mit der Methode der Thermogravimetrie).
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Mechanische
Methoden der Reinigung erwiesen sich als erfolglos oder sehr zeitaufwendig.
So war zwar durch das Ausbohren der einzelnen Rohre mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine Reinigung möglich,
jedoch nahm diese sehr viel Zeit in Anspruch. Gemäß einer
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde
der Reaktionsgasnachkühler
daher unten verschlossen und mit einer 10%igen Natronlaugen-Lösung gefüllt. Das Bauteil blieb für 36 Stunden
so stehen. Nach dem Ablassen der Natronlauge und folgender Neutralwäsche mit
Wasser konnten 87% der verdreckten Rohre mit einer Drahtbürste gereinigt
werden. Die verbleibenden 13% konnten durch Ausbohren mit einem
erfindungsgemäßen Bohrer
wie in Beispiel 2 beschrieben schnell und problemlos aus den Rohren
entfernt werden.
