Blaues Wunder gegen Korrosion

Elektrisch ableitfähiges Email für verfahrenstechnische Apparate

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25.07.2017 Robust, aber trotzdem mit Vorsicht zu behandeln: Konventionelle Chemie-Emails sind elektrisch isolierend. Wenn sich beim Rühren, Befüllen oder Entleeren des Apparates elektrische Ladungen bilden können, muss der Betreiber durch geeignete Maßnahmen sicherstellen, dass diese Ladungen kein Risiko für den Apparat und die Umgebung bedeuten. Denn elektrische Ladungen im kV-Bereich können die berüchtigten „elektrostatischen Durchschläge“ verursachen.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Bei dem vorgestellten System handelt es sich um ein auf die Belange der chemischen und pharmazeutischen Industrie abgestimmtes, elektrisch ableitfähiges Email.
  • Dies kommt dem Sicherheitsbedürfnis der Betreiber verfahrenstechnischer Anlagen entgegen, weil diese damit auch kritische, zu Aufladung und damit zu Zündgefahren neigende Verfahren sicher beherrschen können.
  • Die Unversehrtheit seiner Emaillierung kann der Betreiber mittels Hochspannungsprüfgerät regelmäßig vor Ort untersuchen.

Je nach Grad der Korrosivität kann im Bereich der geschädigten Stellen intensive Korrosion des freiliegenden Stahls einsetzen; mit der Folge großflächiger Emailschädigungen bis hin zu Durchbrüchen. Bild: Thaletec + Lars Tuchel – Fotolia

Je nach Grad der Korrosivität kann im Bereich der geschädigten Stellen intensive Korrosion des freiliegenden Stahls einsetzen; mit der Folge großflächiger Emailschädigungen bis hin zu Durchbrüchen. Bild: Thaletec + Lars Tuchel – Fotolia

Bereiche im emaillierten Apparat, in denen es bevorzugt zu elektrostatischen Entladungen kommen kann. Bild: Thaletec

Bereiche im emaillierten Apparat, in denen es bevorzugt zu elektrostatischen Entladungen kommen kann. Bild: Thaletec

Aufbau der Messvorrichtung zum Funktionsnachweis. Bild: Thaletec

Aufbau der Messvorrichtung zum Funktionsnachweis. Bild: Thaletec

Bereiche im emaillierten Apparat, in denen es bevorzugt zu elektrostatischen Entladungen kommen kann. Bild: Thaletec, Redaktion

Bereiche im emaillierten Apparat, in denen es bevorzugt zu elektrostatischen Entladungen kommen kann. Bild: Thaletec, Redaktion

Dabei durchschlägt ein Funke die gesamte Emailschicht, und es entsteht ein Kanal mit einem Durchmesser von wenigen Zehntel Millimeter, welcher bis zum Stahlkörper des Apparates reicht. Durch diesen Kanal kann korrosives Medium eindringen und den Stahl korrodieren, was dann letztendlich zu großen Schäden führt. Je nach Grad der Korrosivität des Mediums im Behälter setzt dann im Bereich der geschädigten Stellen intensive Korrosion des freiliegenden Stahls ein; mit der Folge großflächiger Emailschädigungen bis hin zu Durchbrüchen.

Schadensorte

Schäden durch elektrostatische Entladung entstehen vorzugsweise an Stellen mit hoher Relativgeschwindigkeit zwischen Medium und emailliertem Bauteil (beispielsweise an Rührflügelspitzen oder im Bereich des Behälterbodens und Auslaufstutzens) sowie an der Phasengrenze zwischen Flüssigkeit und Gasraum. Weiterhin sind Behälterstutzen am oberen Boden gefährdet, wenn der Anwender diese zum Befüllen des Apparates mit Feststoffen oder mit nichtleitenden Flüssigkeiten oder Suspensionen nutzt und sonst keine weiteren Vorkehrungen trifft. Daher ist es wichtig, bei Verfahren, bei denen es zu elektrostatischen Aufladungen beziehungsweise Entladungen kommen kann, besonderes Augenmerk auf folgende Aspekte zu legen:

  • Vermeiden elektrostatischer Aufladungen durch Anpassen des Verfahrens,
  • Art der Emaillierung: elektrisch ableitfähiges Email,
  • Werkstoffe der Einbauteile,
  • elektrisch ableitfähige Welle-Nabe-Verbindungen der geteilten Rührorgane,
  • elektrisch ableitfähige Flanschdichtungen.

Anpassen des Verfahrens

Das Anpassen und Verändern der verfahrenstechnischen Randbedingungen ist der wirkungsvollste Schritt, wenn auch sicherlich einer der schwierigsten. Schwierig deshalb, weil in der Regel die Anpassungen dazu führen, dass die Ausbringung des Prozesses nicht optimal ist, sich die Verfahrensdauer verlängert, unerwünschte Nebenprodukte entstehen oder im kritischsten Fall die Änderungen zu neuen Schwierigkeiten in vorgelagerten oder nachfolgenden Prozessschritten führen. Dennoch ist es zunächst sinnvoll, in einer systematischen Vorgehensweise zu prüfen, inwieweit es möglich ist, Verfahrensparameter zu ändern, um das Risiko von elektrostatischen Schädigungen der Emaillierung von vornherein zu vermeiden. Zu den möglichen Maßnahmen gehören:

  • das Anheben des Temperaturniveaus des Verfahrens,
  • das Reduzieren des Turbulenzgrades und der Geschwindigkeiten im Behälter,
  • auf eine ausreichend hohe Leitfähigkeit des Mediums achten,
  • das Betrachten der Reinigungsprozesse.

Weitere Hinweise auf mögliche Maßnahmen, die Betreiber beim Vorliegen eines Risikos elektrostatischer Aufladungen ergreifen müssen, sind den Technischen Regeln für Betriebssicherheit TBRS 2153 – Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen – zu entnehmen.

Elektrisch ableitfähiges Email

Wie zuvor erwähnt, ist das Anpassen des chemischen Verfahrens, mit dem es möglich ist, das Risiko elektrostatischer Aufladungen zu vermeiden, methodisch gesehen am effektivsten. Wenn allerdings alle Ansätze in diese Richtung keine Option sind, bleibt nur der Weg, das Risiko der Schädigung der Emaillierung durch eine für das Verfahren geeignete, elektrisch ableitfähige Emaillierung zu beherrschen.

Eine optimale Möglichkeit, elektrisch ableitfähige Emaillierungen zu realisieren, verfolgt Thaletec mit seinem Emailsystem: Das patentierte und in der Praxis bereits bewährte Email Thaletec Condusist leitet kontinuierlich elektrostatische Aufladungen aus dem emaillierten Reaktor ab und verhindert somit Beschädigungen der Emailschicht. Weiterhin verringert das System das Risiko von Zündfunkenbildung und erweitert gleichzeitig den Anwendungsbereich emaillierter Apparate. Das System beruht auf einem Konzept, das von dem japanischen Hersteller verfahrenstechnischer Apparate, der Firma Hakko Sangyo bereits im Jahr 2005 in Japan entwickelt, patentiert und auf dem japanischen Markt eingeführt wurde. Seit 2013 besitzt nun das in Thale ansässige Unternehmen die exklusive Lizenz, dieses Emailsystem zu verarbeiten und die Produkte weltweit zu vermarkten. Die Beschichtung leitet die elektrische Ladung von der produktberührten Oberfläche der Emaillierung ab; die verbleibende Restladung liegt bei etwa 1 % der elektrischen Ladung einer konventionellen technischen Emaillierung.

Zukunftssichere Emaillierung

Die Emaillierung besteht aus einer elektrisch ableitfähigen Grundemaillierung sowie mehreren Deckemailschichten, die ebenfalls elektrisch ableitfähig sind. Um die Ableitfähigkeit zu realisieren, enthalten Grund- und Deckemail netzwerkartig angeordnete keramische Partikel (nicht katalytisch wirkend!), die die elektrische Ladung an den Stahlkörper des emaillierten Apparates ableiten. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Konzepten haben die Halbleiterkeramiken keine bekannten katalytischen Wirkungen mit den in emaillierten Apparaten verarbeiteten Medien. Wesentliche Vorteile des Systems sind daher:

  • Die Emaillierung erfolgt nach den Kriterien der DIN EN ISO 28721-1.
  • Die gesamte Emailschicht ist elektrisch ableitfähig; dadurch bleibt die Ableitfähigkeit auch nach korrosivem Angriff des Emails bis zu dessen Nutzgrenze bestehen.
  • Die chemische Beständigkeit entspricht der des bekannten RAS Glass.
  • Betreiber können die Wirksamkeit mittels Hochspannungsprüfung (5 kV, Wechselspannung oder gepulste Gleichspannung) testen.
  • Es liegt keine bekannte katalytische Wirkung vor.
  • Das System eignet sich sowohl für die Erstemaillierung im Rahmen der Neuanfertigung emaillierter Apparate und Bauteile als auch für Reemaillierungen.

Der Einsatz des Systems ergibt besonders auch in Mehrzweckanlagen (Multi-Purpose-Anlagen) Sinn. Also immer dann, wenn die verfahrenstechnische Anlage auch auf wechselnde und nicht immer vorhersehbare Anforderungen in der Zukunft „reagieren“ muss.

Funktionsnachweis und Prüfung

Zum Nachweis der Funktion (Ableitung elektrischer Ladungen) hat der Anbieter eine Prüfvorrichtung entwickelt: Auf einem drehbar gelagerten, geerdeten Drehteller aus einem hoch leitfähigen Kupferwerkstoff positioniert der Prüfer bis zu zwei emaillierte Probeplatten gegenüberliegend. Und zwar so, dass sich über der Probeplatte eine Ionenquelle befindet, welche in der Lage ist, eine elektrische Ladung bis in eine Größenordnung von 30 kV auf die Probeplatte aufzubringen. Nach einer definierten Zeit dreht sich der Drehteller programmgesteuert um 180° im Uhrzeigersinn. Dabei bewegt sich die Probeplatte unter einen Ladungssensor, der berührungslos nach dem Prinzip einer „Feldmühle“ arbeitet. Die veränderte Kapazität bewirkt eine veränderte Ladung, und die Ladungsdifferenz zum vorherigen Zustand veranlasst einen Wechselstrom durch den an die Messkapazität angeschlossenen Messverstärker. Dieser Messstrom ist der Kapazitätsänderung und der Kondensatorspannung proportional. Da die Kapazitätsänderung konstruktiv konstant bleibt, ist der Messstrom ein Maß für die angelegte Spannung.

Emailprüfung beim Kunden

Betreiber emaillierter verfahrenstechnischer Anlagen legen großen Wert darauf, dass die Apparate regelmäßig in Bezug auf die Unversehrtheit der Emaillierung geprüft werden. Bisherige ableitfähige Emailsysteme sind nur visuell zu prüfen. Das im Beitrag vorgestellte System jedoch kann der Anwender mithilfe von Hochspannungsprüfgeräten mit bis zu 5 kV prüfen – und somit Poren sowie andere Schädigungen der Emaillierung sicher erkennen.

Literatur:

Petzold, A., Pöschmann, H.: Email und Emailliertechnik, Wiley-VCH; Auflage: 2., überarb. Aufl. (1992)

 http://www.rapp-instruments.de/static-machines/measuring/feldmuehle/feldmuehle.htm

Link zum Anbieter.

 

Heftausgabe: Juli 2017

Über den Autor

Dr. Jürgen Reinemuth, Geschäftsführender Gesellschafter, Thaletec
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