Einführung

Steigende Energiepreise sowie politische Richtlinien und Verordnungen halten berechtigterweise Unternehmen zur Übernahme einer gesellschaftlichen Verantwortung an.

Neben der deutschen Energiewende oder der Wasserstoffstrategie treibt auch die EU über den Green Deal [1] die wirtschaftliche Transformation massiv voran. Insbesondere energieintensive Branchen, wie u. a. die Chemie- und Energiebranche, stellen dabei entscheidende Stellschrauben zur Senkung des Energieverbrauches dar. Kleine Wirkungsgrad- bzw. Effizienzverbesserungen sparen große Energiemengen ein. Wie in weiteren Newslettern dargelegt, bedürfen Rührwerksapparate sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb großer Energiemengen.

Hohe Betriebskosten und ökologische Auswirkungen über Emissionen bei der Stromerzeugung sind die Folgen. Um dem entgegenzuwirken, bietet THALETEC Berechnungsmöglichkeiten zur Identifizierung und Quantifizierung von Einsparpotenzialen bei den Betriebskosten an.

Emaillierte Rührwerksapparate werden u. a. in der Chemie- und Pharmaindustrie zur Realisierung komplexer Prozesse mit aggressiven Medien eingesetzt. Eine entscheidende Einflussgröße stellt dabei die Produkttemperatur dar, die gezielt über verschiedene Wärmeströme eingestellt werden kann. Auftretende Reaktionswärme gilt es mit ausreichender Sicherheit abzuführen oder das Produkt ist zu temperieren (Kühlen/Heizen), um chemische Prozesse zu aktivieren oder zu unterstützen. Emaillierte Rührwerksapparate der THALETEC GmbH weisen hierzu vielfältige Möglichkeiten zur Bereitstellung der notwendigen Wärmeströme auf. Neben einem Doppelmantel oder einer Halbrohrschlange, die jeweils zusätzlich in verschiedene Heiz- bzw. Kühlzonen geteilt werden können, bietet THALETEC weltweit als einziger Hersteller die Möglichkeit emaillierte Rohrbündelwärmetauscher (PowerBaffle K014) zur deutlichen Steigerung der Wärmaustauchfläche innerhalb eines Reaktors an. Ein PowerBaffle inkludiert dabei die Funktionen eines Wärmetauschers, Stromstörers und Temperatursensors

PowerBaffle - mehr Leistung und kürzere Prozesszeiten

Klassischerweise werden emaillierte Rührwerksapparate über einen Doppelmantel oder einer Halbrohrschlange temperiert. Die Wärmeaustauschfläche ist somit durch die Baugröße des Reaktors vorgegeben und begrenzt. Sollen Kühl- oder Heizprozesse schneller oder mit größerer Sicherheit erfolgen, ist die übertragbare Wärmeleistung zu erhöhen. Werden die Produkteigenschaften im Reaktor als nicht veränderbar angenommen, ist eine Variation des Wärmestroms nur über die Einflussgrößen der Serviceseite möglich. Wesentliche Kenngrößen stellen dabei die Eingangstemperatur, die Stoffdaten und der Volumenstrom des Servicemediums, aber auch die Drehzahl des Rührsystems, dar. Dabei folgt der erzielbare Wärmestrom jedoch einer Wurzelfunktion, sodass eine Erhöhung der Parameter nur eine geringe Verbesserung der Wärmeleistung mit sich bringt (Abbildung 1). Eine deutliche Steigerung der Wärmeleistung kann über die Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche erfolgen. Emaillierte Rohrbündelwärmetauscher – PowerBaffle K014 – stellen dabei ein einzigartiges System zur signifikanten Steigerung der Wärmeaustauschfläche dar. Diese erhöhen nicht nur deutlich die Wärmeaustauschfläche und damit die Wärmeleistung, sondern stellen diese auch mit geringen Betriebskosten zur Verfügung!

Neben einer etwaigen Temperierung des Servicemediums ist dieses, je nach Ausstattung des Reaktors, durch einen Doppelmantel oder einer Halbrohrschlange oder einen PowerBaffle zu pumpen. Dabei resultieren verschiedene Druckverluste und einhergehende Pumpleistungen, die sich in den Betriebskosten widerspiegeln (Abbildung 2).

Es wird deutlich, dass der Betrieb eines PowerBaffle sich am kostengünstigsten gestaltet, da dieser nur einen geringen Druckverlust generiert. Dies ist logisch nachvollziehbar, da das Servicemedium lediglich durch zwei Stutzen und mehrerer parallelgeschalteter Rohre gepumpt wird. Dagegen entstehen bei einem Doppelmantel größere Druckverluste an den Strömungsdüsen. Druckverluste bei einer Halbrohrschlange sind durch den spiralförmigen Aufbau bedingt, welcher in Folge der Zentrifugalkräfte eine Sekundärströmung in Form eines Doppelwirbels erzeugt. Die notwendige Pumpleistung geht in Abhängigkeit der Betriebsstunden mit den Betriebskosten und den CO2-Emissionen einher. Ein PowerBaffle stellt die Wärmeleistung somit in besonders ökonomischer und ökologischer Weise zur Verfügung!

Darüber hinaus weist ein PowerBaffle in Abhängigkeit der Randbedingungen einen 2,5- bis 3-mal höheren Wärmedurchgangskoeffizienten gegenüber einen emaillierten Behälter auf. Folglich stellt die Oberfläche eines PowerBaffle hinsichtlich der Wärmetechnik eine besonders hochwertige Wärmeaustauschfläche dar! Dies liegt in der angewendeten Emaillierungstechnik mit Hilfe des PUESTA-Verfahrens (Pulver-Elektrostatisches-Verfahren) begründet, welche eine gleiche Korrosionsbeständigkeit gegenüber der Standardemaillierung (Kessel, Turbinen, Stromstörer) aufweist – jedoch ist eine kleinere Schichtdicke der Emaillierung ausreichend. Folglich ist die Wärmeleitung durch die kleinere Schichtdickte der emaillierten Rohre gegenüber den emaillierten Kessel signifikant gesteigert. Bedingt durch die Flächenverhältnisse zwischen Reaktorwand und PowerBaffle ist ab einer gewissen Reaktorbaugröße (abh. von Randbedingungen ab ca. BE25000 bzw. BE32000) sogar ein größerer Wärmestrom über einen PowerBaffle als über den Doppelmantel/Halbrohrschlange übertragbar (Abbildung 3)!

Neben der Integration von einem oder mehreren PowerBaffle in einem Reaktor bieten allgemein emaillierte Rohrbündelwärmetauscher (wahlweise auch mit SiC-Rohrbündeln) als separater Apparat in einer Chemieanlage weitere Möglichkeiten, um Wärmeströme in einer Anlage zu- oder abzuführen. Diese können zum Heizen, Kühlen, Verdampfen, Kondensieren oder als Kondensatkühlung eingesetzt werden (K014). Darüber hinaus werden die emaillierten Rohre selbst als eigenständiges Produkt (PowerTubes K119) angeboten, welche unter anderem in Wärmetauschern von Kraftwerken oder allgemein als thermische Abgasreinigung eingesetzt werden (bspw. Rauchgasentschwefelung, Abscheidung/Kondensation von aggressiven Medien).

THALETEC bietet Ihnen die Berechnung und Beurteilung der aufgeführten Aspekte zu einem PowerBaffle an (process(at)thaletec.com).

Literatur

[1]    E. Kommission, „Der europäische Grüne Deal,“ Amtsblatt der Europäischen Union, Brüssel, 12/2019.