Compacte condensors voor leverancier van additieven
Voor een nieuwe productiefaciliteit van een leverancier van additieven stond een praktische vraag centraal: hoe condenseren we oplosmiddeldampen op een betrouwbare manier, terwijl de beschikbare ruimte beperkt is?
Compacte oplossing gezocht
Kapp werd gevraagd om mee te denken over de uitvoering van de condensors. Thermisch moest de oplossing uiteraard voldoen aan de eisen van het proces. Tegelijkertijd was er maar beperkt ruimte beschikbaar boven de tanks, waar de wisselaars fysiek geplaatst moesten worden.
De eerste berekeningen maakten de uitdaging duidelijk. Een buizenwarmtewisselaar met een lengte van ongeveer drie meter zou thermisch goed passen, maar zou door zijn afmetingen te veel hoogte innemen boven de tanks. Er moest dus gezocht worden naar een manier om dezelfde warmteoverdracht te realiseren in een aanzienlijk compactere uitvoering.
Van damp naar condensaat
De condensors worden gebruikt in een productieproces waarbij tijdens het vullen van de tanks stikstof, oplosmiddeldampen en andere VOS (Vluchtige Organische Stoffen) vrijkomen. Bij het vullen wordt lucht uit de tanks verdrongen. Die lucht bevat dampen die we zoveel mogelijk willen ontdoen van VOS voordat ze naar de omgeving worden afgevoerd.
Daar ligt de rol van de condensors: door de dampstroom te koelen, condenseren de aanwezige oplosmiddeldampen en kunnen deze als vloeistof worden teruggewonnen. De condensor werkt daarmee als onderdeel van het emissiebeheersingssysteem.
Voor deze toepassing is gekozen voor een Shell & Tube warmtewisselaar. Een belangrijk voordeel daarvan is het grote doorstroomde oppervlak in de buizen. Dat maakt het mogelijk om de gecondenseerde vloeistof in tegengestelde richting van de gasstroom naar beneden te laten stromen. Dit is het reflux-effect: terwijl de dampen door de buizen bewegen, condenseert een deel ervan en stroomt het condensaat terug naar beneden.
De uitdaging zat vervolgens niet alleen in het condenseren van de VOS, maar ook in het realiseren van voldoende warmteoverdracht binnen de beperkte beschikbare hoogte boven de tanks.
Turbulators als sleutel tot een compacter ontwerp
Kapp onderzocht verschillende mogelijkheden om de warmteoverdracht te verhogen zonder simpelweg meer warmtewisselend oppervlak toe te voegen. De oplossing werd gevonden in een HRS buizenwarmtewisselaar met Calgavin wire mesh turbulators in de buizen. Deze wire mesh heeft in deze toepassing twee functies.
1. Meer contact en agglomeratie van mistdruppels
De wire mesh creëert extra contactmogelijkheden voor de aanwezige mistdruppels. Hierdoor kunnen kleinere druppeltjes met elkaar in contact komen en agglomereren. De werking is hierbij niet vergelijkbaar met die van een volwaardige demister, maar de turbulators ondersteunen wel het samenkomen van condensaat in de buis.
2. Meer turbulentie, betere warmteoverdracht
Daarnaast zorgen de turbulators voor meer beweging in de vloeistof. Door de turbulentie en wervelingen wordt de thermische grenslaag langs de buiswand steeds opnieuw doorbroken. Hierdoor komt de vloeistof beter in contact met de wand en kan er meer warmte worden overgedragen. Juist die extra warmteoverdracht maakte het mogelijk om de warmtewisselaar een stuk korter uit te voeren, zonder capaciteit te verliezen.
Van drie meter naar 70 centimeter
Met de aangepaste buisconfiguratie en de wire mesh turbulators kon het ontwerp aanzienlijk worden verkort. Waar het eerste ontwerp uitkwam op een buislengte van ongeveer drie meter, werd uiteindelijk een warmtewisselaar van slechts 70 centimeter gerealiseerd. Daarmee ontstond een oplossing die voldoende warmteoverdracht bood om de VOS in de verdrongen lucht te condenseren én paste binnen de beperkte beschikbare hoogte boven de tanks. Zo konden de condensors hun rol in de emissiebeheersing vervullen, zonder onnodig veel ruimte in de nieuwe productiefaciliteit in te nemen.
Slimme engineering
Deze case laat zien dat compacter niet altijd betekent dat je moet inleveren op warmteoverdracht. Soms zit de oplossing juist in het beter benutten van het bestaande warmtewisselende oppervlak. Door de stroming en condensatie in de buizen gericht te beïnvloeden met wire mesh turbulators, kon Kapp de benodigde prestaties realiseren in een aanzienlijk kortere uitvoering. De uiteindelijke wisselaars waren ongeveer drie keer lichter dan het oorspronkelijke ontwerp. Dat maakt ze niet alleen eenvoudiger te hanteren en te transporteren, maar betekent ook dat er minder metaal nodig is voor dezelfde functie.