Technisches Email verfügt über relativ geringe Wärmeleitungseigenschaften, sodass dessen Schichtstärke einen großen Einfluss auf den Wärmestrom (Q) hat. Umso wichtiger ist die richtige Einstellung der Einflussparameter auf den Wärmedurchgang.

Klassischerweise werden emaillierte Rührwerksapparate über einen Doppelmantel oder eine Halbrohrschlange temperiert. Die Wärmeaustauschfläche ist somit durch die Baugröße des Reaktors vorgegeben und begrenzt (A). Die Temperaturdifferenz (Δ_tm,log) zwischen Produkt und Servicemedium beeinflusst den resultierenden Wärmestrom maßgeblich, sollte jedoch auf einem geringen Temperaturniveau gehalten werden, um die Wärmeverluste an die Umgebung zu minimieren.

Zur Steigerung des Wärmedurchgangskoeffizienten (k) bestehen mehrere Möglichkeiten. Der Wärmeübergang (α_a) zwischen der Außenwand des innenseitig emaillierten Innenkessels und dem Serviceraum des Doppelmantels/der Halbrohrschlange wird durch die Stoffparameter des Servicemediums sowie der vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst. Um einen günstigen Wärmeübergang zu erzeugen, sollte das Servicemedium folgende Stoffeigenschaften aufweisen:

1. Hohe Wärmeleitfähigkeit
2. Niedrige Viskosität
3. Hohe Dichte
4. Hohe spezifische Wärmekapazität

Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, bedingt durch den anliegenden Volumenstrom, erhöht ebenso den Wärmeübergang (α_a). Diese Einflussgröße ist jedoch begrenzt und folgt einer Wurzelfunktion und nähert sich somit einem Grenzwert (Abbildung 1). Folglich erhöht eine Volumenstromsteigerung den übertragbaren Wärmestrom ab einem gewissen Bereich nur noch geringfügig und ist nicht sinnvoll.

Der Wärmeübergang (α_i) an der emaillierten Innenwand des Innenkessels und dem Produkt ist ebenfalls abhängig von den Stoffeigenschaften und den vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeiten. Die stofflichen Einflussgrößen sind vom chemischen Prozess vorgegeben und können daher nur bedingt geändert werden.

Die Strömungsgeschwindigkeit im Produktraum wird von der Ausführung des Rührorgans (Turbinenart, Turbinenanzahl) sowie der Drehzahl bestimmt. Die Konfiguration des Rührorgans und die Drehzahl können unter Umständen prozessbedingt nicht beliebig gesteigert werden (z. B. Kristallisation, Polymerisation). Ebenso folgt der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit wieder einer Wurzelfunktion und ist somit begrenzt. Darüber hinaus induziert die mechanische Leistung des Rührwerks einen Wärmestrom, welcher bei einem Kühlprozess kontraproduktiv ist (Abbildung 2).

Der Werkstoff Stahl ist ein guter Wärmeleiter und bildet in Verbindung mit dem Grundemail (dieses sorgt für die Haftung der Emaillierung auf dem Stahl) sowie den folgenden Deckemailschichten einen hochkorrosionsbeständigen Verbundwerkstoff.

Insbesondere die Emailschichtdicke hat einen entscheidenden Einfluss auf den Wärmedurchgangskoeffizienten und somit auf den resultierenden Wärmestrom. Abbildung 3 verdeutlicht diesen Sachverhalt, indem der Einfluss der Stahlwandstärke und der Emailschichtdicke auf den Wärmedurchgangskoeffizienten gegenübergestellt werden. Man erkennt, dass minimale Änderungen der Emailschichtdicke einen großen Einfluss auf den k-Wert haben. Dies ist bei der Stahlwandstärke weniger kritisch.

Die Stahlwandstärke selbst wird durch Regelwerke, wie PED oder ASME, vorgegeben, um dem geforderten Innendruck im Behälter standzuhalten. Die Emailschichtdicke wird in der DIN-EN-ISO 28721-1 geregelt und darf zwischen 1,0 bis 2,2 mm betragen.

Diese Spannbreite der Emailschichtdicke hat einen großen Einfluss auf den Wärmedurchgangskoeffizienten! THALETEC bietet ebenso die Möglichkeit eine möglichst geringe, aber normgerechte, und gleichmäßige Emailschichtdicke an, um einen höheren Wärmedurchgangskoeffizienten und Wärmestrom zu realisieren.

Wird beispielweise die Schichtstärke von 1,4 mm auf kontrollierte 1,1 mm für einen BE16000 reduziert, erhöht sich der maximale Wärmestrom um 12,5 %! Für einen angenommen Kühlprozess eines BE16000 bedeutet dies eine Verkürzung der Kühlzeit um 11,3 %. Eine Reduzierung der Emailschichtdicke kann bspw. über eine dünnere Grundemailschicht erzielt werden, sodass nach wie vor eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegeben ist.

Zusammenfassung

Die aufgeführten Aspekte verdeutlichen, dass hinsichtlich der Wärmetechnik verschiedene Grenzen und Einflussgrößen zu berücksichtigen sind. Neben einer reduzierten Emailschichtdicke bietet THALETEC weltweit als einziger Hersteller das PowerBaffle K014 an, welcher signifikant die Wärmeaustauschfläche und damit den Wärmestrom steigert und gleichzeitig als Stromstörer sowie Temperatursensor fungiert. Sprechen Sie uns einfach an, wenn Sie Fragen zur Wärmetechnik emaillierter Reaktoren haben. THALETEC bietet Ihnen die Beurteilung und Berechnung der verschiedenen wärmetechnischen Fragestellungen an (process@thaletec.com).