Wie verhindert ein PTFE-Wärmetauscher die Paraffinablagerung bei der Beheizung von Rohölpipelines?

Das Problem der Wachsablagerung

Rohöl enthält gelöste Paraffinwachse-langkettige-Kohlenwasserstoffe (C18–C60), die ausfallen, wenn die Öltemperatur unter die Wachsaustrittstemperatur fällt. Wärmetauscher, die zum Erhitzen von Rohöl für den Pipeline-Transport oder die Verarbeitung verwendet werden, stehen vor einer anhaltenden Herausforderung: Die Rohroberfläche, die während der anfänglichen Erhitzungsphase kühler als die Masse des Öls ist, bietet einen Ort, an dem Wachskristalle entstehen und wachsen. Die Wachsablagerung isoliert die Rohre, verringert die Wärmeübertragung und schränkt schließlich den Durchfluss ein.

Metallische Wärmetauscheroberflächen sind besonders anfällig für Wachsablagerungen. Die hochenergetische Metalloxidoberfläche bietet zahlreiche Keimbildungsstellen. Wachskristalle verbinden sich durch Van-der-Waals-Kräfte und mechanische Verzahnung mit der Oberflächenrauheit mit der Oberfläche. Die Wachsschicht wächst mit jedem Erhitzungszyklus zunehmend. Die Entfernung erfordert ein mechanisches Molchen, eine chemische Lösungsmittelbehandlung oder eine vollständige Demontage des Wärmetauschers-alles ist kostspielig und zeitaufwändig-.

Ein PTFE-Wärmetauscher widersteht Wachsablagerungen durch seine niederenergetische Oberfläche. Das Fluorpolymer bietet wenige Keimbildungsstellen und minimale Haftung. Wachskristalle, die sich in der Ölmasse bilden, haften nicht an der Oberfläche. Das Wachs bleibt im Öl suspendiert und wird stromabwärts transportiert, anstatt sich am Wärmetauscher abzulagern.

Der Wachskeimbildungs- und -ablagerungsmechanismus

Die Paraffinwachsabscheidung erfolgt durch drei aufeinanderfolgende Prozesse: Kristallkeimbildung an der kalten Oberfläche, Kristallwachstum und Adhäsion wachsender Kristalle zu einer kontinuierlichen Schicht. Jeder Prozess wird von den Oberflächeneigenschaften beeinflusst.

Auf einer metallischen Oberfläche kommt es leicht zur Keimbildung. Die hohe Oberflächenenergie (40-50 mN/m) und das Vorhandensein von Oberflächendefekten-Kratzern, Korngrenzen und Korrosionsgruben sorgen für Orte, an denen Wachsmoleküle aggregieren und stabile Kerne bilden. Die Kerne wachsen durch den Einbau zusätzlicher Wachsmoleküle aus dem Öl. Die wachsenden Kristalle verzahnen sich mit der Oberflächenrauheit und verankern so die Ablagerung. Mit der Zeit verschmelzen die Kristalle zu einer durchgehenden Wachsschicht.

Auf PTFE wird die Keimbildung unterdrückt. Die niedrige Oberflächenenergie (18–20 mN/m) bedeutet, dass die Wachsmoleküle eine geringere Affinität zur Oberfläche haben als zum Hauptöl. Die glatte Oberfläche (Ra 0,1–0,3 μm) bietet keine mechanischen Verzahnungsstellen. Kristalle, die Keime bilden, haften nur schwach und können durch das fließende Öl leicht abgelöst werden.

Bei Öltemperaturen nahe der Wachsaustrittstemperatur, die bei vielen Rohölen im Allgemeinen zwischen 30 und 50 Grad liegt, ist die Wachsablagerung am stärksten. In der ersten Heizperiode ist die Rohrwand kühler als das Hauptöl und die Wandtemperatur kann im Bereich der Wachsablagerung liegen. Das Wachs lagert sich gerne auf den kältesten Oberflächen ab.

Die verringerte Wärmeleitfähigkeit von PTFE erzeugt ein anderes Temperaturprofil als ein Metallrohr. Die Dampftemperatur im Inneren ist hoch, aber die Außentemperatur der PTFE-Oberfläche sinkt über die Rohrwand erheblich. Das PTFE bietet eine kühlere Oberfläche als eine Metalloberfläche bei gleichem Dampfdruck. Man kann davon ausgehen, dass diese kühlere Oberfläche die Wachsablagerung verstärkt. Der Effekt wird jedoch durch die Antihaft-Oberflächeneigenschaften ausgeglichen. Die Temperatur spielt keine Rolle, das Wachs, das die PTFE-Oberfläche berührt, klebt nicht.

In der Praxis berichten die Anlagen von einer gleichmäßigen Wärmeübertragung für PTFE-Wärmetauscher während des monatelangen Rohölheizbetriebs, während Metallwärmetauscher alle 4–8 Wochen gereinigt werden müssen.

Der Betriebs- und Wartungsvorteil
Durch die Entfernung von Wachsablagerungen entfällt die Notwendigkeit einer regelmäßigen mechanischen Reinigung. Der PTFE-Wärmetauscher ist in Betrieb, während ein metallischer Wärmetauscher zum Molchen oder zur Lösungsmittelreinigung angehalten würde. Die Betriebszeit der Produktion steigt. Reduzierte Kosten für Wartungspersonal und Reinigungschemikalien.

Schließlich gibt es keine Wachsablagerungen, was bedeutet, dass der Wärmedurchgangskoeffizient stabiler ist. Das Prozessleitsystem muss der zunehmenden Verschmutzung nicht durch Erhöhung des Dampfdrucks entgegenwirken. Der Energieverbrauch ist vorhersehbar und konstant.

Zusammenfassung
PTFE-Wärmetauscher verhindern die Ablagerung von Paraffin bei der Rohölerhitzung durch eine glatte Oberfläche mit niedriger -Energie, die Kristallkeimbildung und -adhäsion verhindert. Das Wachs bleibt im Ölstrom und sammelt sich nicht auf der Rohroberfläche. Durch die Entfernung von Wachsverschmutzungen entfällt die häufige mechanische Reinigung, sorgt für eine gleichmäßige Wärmeübertragung und erhöht die Produktionsverfügbarkeit. Erhebliche Einsparungen bei den Wartungskosten über die Nutzungsdauer von 15+ Jahren.

Nach Erhalt von Informationen über die Zusammensetzung des Rohöls, die Temperatur des Wachsaussehens, den Betriebstemperaturbereich und die aktuelle Verschmutzungshistorie können wir technische Hilfe bei der Spezifikation von PTFE-Wärmetauschern für erdöl- und wachshaltige Anwendungen leisten.