Emaillierte Apparate und deren Komponenten sind seit vielen Jahrzehnten in technischen Normen (vorwiegend DIN und DIN EN Normen) geometrisch definiert. So sind beispielsweise Hauptabmessungen emaillierter Apparate im Volumenbereich ab 63 bis zu 40.000 l in DIN 28136 1 definiert. Die Stutzenbilder zu den entsprechenden Apparate Baugrößen finden sich in DIN 28136 3. Weitere Normen, die die Geometrie emaillierter Bauteile definieren, sind in nachfolgender Abbildung 1 aufgeführt.

Eine herstellerübergreifende Normung wurde in der 80’er Jahren des letzten Jahrhunderts in der damaligen Bundesrepublik Deutschland insbesondere durch die damalige Großchemie vorangetrieben, um die Austauschbarkeit und die herstellerübergreifende Vergleichbarkeit verschiedener Angebote herzustellen.

Außerdem wurden eine Vielzahl von Qualitäts  und Toleranznormen entwickelt, die es ermöglichen, Qualitätsanforderungen effektiv und unmissverständlich zwischen Kunde und Hersteller zu vereinbaren.

Mittlerweile wurden die Grundzüge vieler deutschen Normen auch in Normenwerk anderer Länder übernommen oder auf europäischer Ebene genormt. In anderen Staaten wiederum hat sich die direkte Verwendung der DIN Normen etabliert.

THALETEC arbeitet bereits seit vielen Jahren in den Normungsgremien des DIN mit, um eigenes Know How und Expertise in die Normarbeit einfließen zu lassen.

Standards und herstellerübergreifende Normen stellen im Bereich emaillierter Apparate die langfristige Austauschbarkeit von vorhandenen gegen neue Apparate sicher. Weiterhin kann durch eine herstellerneutrale Normung sichergestellt werden, dass neue Ersatzteile für vorhandene Apparate garantiert „passen“.

Andererseits ergeben sich aus der strikten Einhaltung von Normvorgaben auch Nachteile:

• Genormte Bauteile und Apparate erfüllen nicht immer die Anforderungen spezieller Anwendungsgebiete, wie zum Beispiel der Herstellung von pharmazeutischen Wirkstoffen. GMP  und Reinigungsanforderungen sind mit DIN Behältern schwer bis gar nicht zu erreichen
• Die „Umgebung“, d.h. die Einbausituation sowie die Anschlusspunkte an genormte emaillierte Apparate müssen angepasst werden, was oft zu suboptimalen Lösungen, aufwändigen Rohrleitungsführungen, Reinigungsproblemen usw. führen kann
• Oftmals ist die Einbausituation in der verfahrenstechnischen Anlage gegeben, so dass eine Anpassung des Apparates und damit ein Abweichen von den Normvorgaben erforderlich ist
• Eine Optimierung des verfahrenstechnischen Prozesses ist nur in engen Grenzen möglich

Analysiert man die Kundenaufträge der THALETEC der vergangenen Jahre, so kann man bezüglich der „Einhaltung von Normen“ feststellen, dass die  häufigsten Modifikationen an emaillierten Rührbehäl­tern folgende Bereiche betreffen:

• Auslegungsdruck im emaillierten Innenkessel und/oder im Mantelraum
• Auslegungstemperatur
• das Stutzenbild des emaillierten Innenkessels: Größe, Anzahl und Lage der Stutzen am obe­ren Boden, einschließlich der Größe der Mannlochöffnung
• die Hauptabmessungen und hierbei insbesondere die Länge des Apparates
• zusätzliche (außermittige) Stutzen am unteren Boden
• zusätzliche Stutzen im Mantelbereich des Rührbehälters
• die Lage und Anzahl der Mantelstutzen
• die Tragkonstruktion

Auslegungsdruck und/oder ‑temperatur

Übliche „genormte“ emaillierte Rührbehälter sind für Drücke von -1/+6 bar im Innenkessel und im Au­ßenmantelraum für einen Temperaturbereich von -60°C bis +200°C ausgelegt und die Wandstärken ent­sprechend dimensioniert und standardisiert.

In einigen Fällen weichen Kunden bewusst von den „üblichen“ Auslegungsbedingungen ab, wobei die Abweichungen bezüglich der Auslegungstemperaturen häufiger auftreten als die des Druckbereichs.
 

Erhöhen des Auslegungsdruckes

Das Erhöhen des Auslegungsdruckes des Apparates (Innenkessel und Außenmantel) hat eine Vergrößerung der Wandstärken der drucktragenden Bauteile zur Folge. Exemplarisch sei eine Berechnung für einen Behälter BE 6300 nach DIN 28136 betrachtet. Erhöht man den zulässigen Betriebsdruck des Apparates auf Werte über 6 bar, so ergeben sich die in Abbildung 4 dargestellten Erhöhungen der Wandstärken von Innenkessel (IK) und Außenmantel (AM):
 

Abbildung 5 zeigt, exemplarisch für einen Rührbehälter BE 6300 nach DIN 28136 die Zunahme der Wandstärken von Innenkessel und Außenmantel bei Erhöhung der Berechnungstemperatur von 200°C auf bis zu 300°C. Da die Streckgrenze des Apparatebauwerkstoffes bei zunehmenden Temperaturen abnimmt, nimmt die Wandstärke des Apparates (Außenmantel) um bis zu 15% zu (bei einer Berechnungstemperatur von 300° im Vergleich zu 200°C).

Soll nicht nur die Berechnungstemperatur, sondern auch die tatsächliche Betriebstemperatur höher als 200°C sein, so sind weitere Maßnahmen erforderlich.

Auswirkung auf Tragkonstruktion und Kosten

Alle genannten modifizierenden Maßnahmen wie Druckerhöhung, Verlängerung des Apparates und Erhöhung der Berechnungstemperatur führen zu einer Zunahme der Wandstärke und damit zu einer Erhöhung des Gewichts des Apparates. Eine Verlängerung des Apparates führt zudem zu einer größeren möglichen Füllmenge und damit ebenfalls zu einer Zunahme des Gewichts. Die Gewichtszunahme verhält sich im Wesentlichen linear mit den Wandstärken und ebenfalls linear zum Apparatevolumen. Das höhere Gewicht muss bei der Dimensionierung der Tragkonstruktion berücksichtigt werden und führt hier gegebenenfalls auch zu verstärkten Ausführungen.

Ebenso haben die genannten modifizierenden Maßnahmen einen Einfluss auf die Kosten des Apparates. Die Kosten steigen im Wesentlichen linear mit der Wandstärke des Behälters (Materialeinsatz). Weitere nicht lineare Einflüsse ergeben sich aus dem zusätzlichen Engineering Aufwand, Anpassung der Tragkonstruktion sowie gegebenenfalls erforderlicher Modifikationen und Anpassung der Einbauteile (Rührer, Stromstörer etc.)

Seitliche Stutzen werden äußerst selten ausgeführt. Der Grund dafür ist, dass solche Stutzen, sofern sie im ummantelten Bereich des emaillierten Behälters liegen, mit großem Aufwand durch den Mantelraum geführt werden müssen. Entsprechende ausgesparte Bereiche reduzieren die Heiz /Kühlfläche des Apparates. Letztendlich beeinflussen seitliche Stutzen im emaillierten Innenkessel auch das Strömungsprofil der Heiz /Kühlmedien im Mantelraum und verändern das Strömungsbild, trotz des Einsatzes von Strömungsdüsen (Flyer K062).

Seitliche Stutzen im Bereich der Krempe des oberen Bodens können jedoch sinnvoll sein, wenn Rührbehälter in Kaskaden eingesetzt werden und der seitliche Stutzen als „Überlauf“ dient.

Die Norm DIN 28136 schreibt für Rührbehälter die Hauptabmessungen (Durchmesser sowie Länge des emaillierten Apparates) vor. In einigen Fällen wünscht der Kunde, von diesen Vorgaben abzuweichen. Dabei wird der Durchmesser des Behälters üblicherweise nicht verändert, jedoch in vielen Fällen die Länge des Apparates. Durch eine größere/kleinere Länge kann das Nutzvolumen des Apparates in bestimmten Grenzen angepasst werden, ohne dass es größerer Änderungen in der Anlage beziehungsweise Infrastruktur bedarf.

Soll ein Rührbehälter gegenüber den Vorgaben der Norm verlängert werden, führt dies üblicherweise zu einer neuen Berechnung der Wandstärken der Behälterzarge (das ist der zylindrische Bereich des Rührbehälters) und der Wandstärke des Mantels bei Doppelmantelbehältern.

Weiterhin müssen das Rührwerk und die Einbauteile wie zum Beispiel die Stromstörer bezüglich der mechanischen Festigkeit und des Schwingungsverhaltens überprüft werden: Das Verlängern einer Rührwelle reduziert die kritische Drehzahl des Rührers, bei der es zu potenziell gefährlichen Schwingungen der Rührwelle kommen kann. Beim Stromstörer nehmen die angreifenden Lasten proportional zur Länge zu und bewirken ein höheres Biegemoment am Stutzenflansch. Darüber hinaus müssen auch beim Stromstörer die kritischen Anregungsfrequenzen infolge Wirbelbildung betrachtet werden.

Weitere Modifikationen

Die bisher beschriebenen Modifikationen betreffen im Wesentlichen den  so genannten „Innenkessel“ des emaillierten Rührbehälters. Sind solcherlei Änderungen bzw. Anpassungen erforderlich, müssen diese sehr frühzeitig bei der Auftragsabwicklung, idealerweise schon bei der Bestellung, festgelegt werden, da der emaillierte Innenkessel die lieferzeitbestimmende Komponente darstellt. Anpassungen in den Bereichen

• Tragkonstruktion
• Mantelstutzen

Können oftmals noch später im Herstellungsprozess definiert beziehungsweise angepasst werden.

Tragkonstruktion

Tragkonstruktionen sind, je nach Ausführung, in mehreren Normen definiert:

• Tragpratzen in DIN 28145-7
• Tragringe in DIN 28145-4
• Füße in DIN 28145-4

In der Praxis ist es jedoch so, dass der oder die Apparate in bereits vorhandene Anlagen integriert werden müssen. Um bauliche Maßnahmen in der Anlage zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die Tragkonstruktion des Behälters der Umgebung anzupassen.

Wie oben beschrieben, muss die Tragkonstruktion auch dann angepasst werden, wenn es das Gewicht des Apparates infolge von Änderungen an Betriebsdruck, Berechnungs  oder Betriebstemperatur oder der Länge des Apparates zunimmt.

Mantelstutzen

Die Art, Anzahl und Lage der Mantelstutzen emaillierter Apparate ist in DIN 28151 festgelegt und unter anderem abhängig von der Apparategröße und der Tragkonstruktion. Auch hier kann man im Rahmen der Auftragsbearbeitung problemlos Anpassungen durchführen beziehungsweise abweichende Vorgaben machen, die dann bei der Herstellung der Apparate berücksichtigt werden.

Schlussfolgerungen

Das Modifizieren, d.h. das gezielte Abweichen von Vorgaben der Standard Bauformen von emaillierten Rührbehältern, kann in vielen Fällen sinnvoll sein. Bei Modifikationen ist jedoch einiges zu beachten, was eine kompetente Beratung durch eine Fachfirma wie THALETEC sehr empfehlenswert macht. Werden allerdings alle Aspekte systematisch analysiert und entsprechend konstruktiv umgesetzt, so erhält der Kunde einen Rührbehälter, der „passt wie ein Maßanzug“.