Vor Korrosion geschützt

PTFE-Imprägnierung schützt Grafit-Wärmeübertrager

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12.05.2017 Thermische Prozesse mit Fluorwasserstoff sind korrosionstechnisch immer eine harte Nuss: Grafit ist hier bei Wärmeübertragern meist die erste Wahl. Doch auch hier sind die Standzeiten stark limitiert. Ein PTFE-imprägniertes Material hilft dabei, die Lebensdauer deutlich zu verlängern.

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Entscheider-Facts für Planer und Betreiber

  • Fluorwasserstoff in Kombination mit konzentrierter Schwefelsäure führte in Grafitwärmeübertragern eines Chemieunternehmens zu hohen Wartungskosten.
  • Durch den Einsatz eines PTFE-imprägnierten Grafits konnte die Standzeit verlängert werden.
  • Zusätzlich war es durch eine Analyse der Prozessbedingungen möglich, Schwankungen bei Temperatur und Medienzusammensetzung zu identifizieren und dadurch Probleme zu vermeiden.

1: Dieser Röhren-Filmverdampfer aus PTFE-beschichtetem Grafit wird zur Abtrennung von HF aus einem HF-Schwefelsäure-Gemisch eingesetzt. Bild: API Heat Transfer

Dieser Röhren-Filmverdampfer aus PTFE-beschichtetem Grafit wird zur Abtrennung von HF aus einem HF-Schwefelsäure-Gemisch eingesetzt. Bild: API Heat Transfer

Erst die Aufzeichnung von Temperaturen und Vibrationen ermöglichte es, den Prozessverlauf zu analysieren und Probleme durch eine geänderte Prozessführung zu beseitigen. Bild: API Heat Transfer

Erst die Aufzeichnung von Temperaturen und Vibrationen ermöglichte es, den Prozessverlauf zu analysieren und Probleme durch eine geänderte Prozessführung zu beseitigen. Bild: API Heat Transfer

Schematisches Fließbild des Trennverfahrens. Bild: API Heat Transfer

Schematisches Fließbild des Trennverfahrens. Bild: API Heat Transfer

Ein Chemieunternehmen produziert sowohl in den USA als auch in der Nähe von Shanghai ein fluoriertes Gas für den Einsatz in Klimaanlagen. In beiden Anlagen werden ähnliche Produktionsprozesse verwendet, und auch die Korrosionsprobleme sind ähnlich: Selbst bei Einsatz von Grafitapparaten und -komponenten erreichen diese nur eine relativ kurze Lebensdauer.
Der kritische Verfahrensschritt ist die Abtrennung von Fluorwasserstoff (HF) aus dem Schwefelsäurestrom (H2SO4 + H2O). Dies geschieht aus einem aufsteigenden Strom in einem Fallfilmverdampfer, der aus Grafitrohren besteht, die mit 140 bis 170 °C heißem Dampf beheizt werden. Der Verdampfer ist mit einem Flash-Tank verbunden, von dem aus das Gas zu einer Kolonne gedrückt wird un

d schließlich zu einem Kondensator. Das Medium enthält 72 % Schwefelsäure, 15 % Fluorwasserstoff und 13 % Wasser und hat eine Temperatur von 60 °C. Am Auslass aus dem Fallfilmverdampfer besteht das Medium aus 80 bis 85 % Schwefelsäure, 5 % Fluorwasserstoff und 10 bis 15 % Wasser bei 102 bis 105 ºC.

Klassische Grafit-Apparate hielten dem oxidativen Angriff nur neun Monate stand

Die von führenden Anbietern gelieferten Grafit-Apparate erreichten eine durchschnittliche Lebensdauer von acht bis neun Monaten – hohe Wartungskosten und die Notwendigkeit einer redundanten Ausführung erzeugten hohe Kosten. Die Korrosion des Grafit-Materials führte außerdem dazu, dass die Prozessmedien mit Kohlenstoff-Pulver verunreinigt wurden, was in anderen Wärmeübertragern im Prozess zu Verstopfungen führte. In der Anlage in den USA wird dies seit Jahren mehr oder weniger toleriert, da für das Problem keine erfolgreiche technische Lösung gefunden wurde.

Um eine solche wurde API Heat Transfer gebeten. Der Apparatehersteller analysierte daraufhin die vorhandene Ausrüstung und stellte fest, dass alle Grafitrohre bereits nach nur fünf Monaten Betrieb auf 30 % ihrer ursprünglichen Stärke reduziert waren. Aufgrund der starken oxidativen Wirkung des Mediums korrodierte das im Grafit enthaltene Phenolharz – Grafitmaterial mit Phenolharz als Bindemittel wurde deshalb in dieser Anwendung als ungeeignet identifiziert.

Daraufhin wurde der Röhren-Filmverdampfer durch einen Sigma-G-Bloc-Verdampfer mit GT-Toyo-Oxyflon-Grafitblöcken ersetzt. Sein feinkörniger Grafit besitzt eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber oxidativen Medien und wird von Toyo Tanso in Japan hergestellt. Das Material wird vom Apparatehersteller mit einer speziellen Technologie mit PTFE-Harz imprägniert, wodurch die Poren des Grafits ohne Lösungsmittel abgedichtet werden.

Der Apparat hat eine Leistung von 1.000 kg Dampf pro Stunde und kann eine 72%ige HF-Lösung verdampfen. Die Fläche zur Wärmeübertragung beträgt 47 m2. Für den Apparat kommt eine neue Technologie des Herstellers zum Einsatz: Stable Load vermeidet bei Heiz- und Kühlzyklen Spannungen im Grafit. Gegenüber den üblicher Weise verwendeten Federpaketen werden Spannungsschwankungen auf Grafit und Dichtungen um 94 % reduziert.  Dies ist besonders wichtig für Apparate, die mit Dampf betrieben werden, und bei langer Bauform (in diesem Fall 5,1 m Länge).

Prozessdaten zeigen ungünstige Prozessbedingungen

Um mögliche Belastungsquellen vom Prozess zu identifizieren, wurde der Kessel des Chemiebetriebs zusätzlich mit Geräten zur Temperatur- und Vibrationsmessung und -aufzeichnung (Logdatas) ausgestattet. Zwei Temperatursensoren wurden im Ein- und Auslasskopf installiert, der Vibrationssensor an der Dampfeinlasskammer. Die Daten werden in einem Datenlogger erfasst und  monatlich analysiert. Nach nur einem Monat der Datensammlung zeigte die Analyse, dass die Strömung aus der Kolonne in den Kessel unregelmäßig war. Dies führte zu thermischen Schocks und Schwankungen in der Medienzusammensetzung. Im Austausch mit allen Prozessbeteiligten war es schließlich möglich, Maßnahmen zu treffen, um diese Schwankungen zu vermeiden. Dadurch konnten die Belastungen auf den Grafit-Wärmetauscher nochmals reduziert werden.

Fazit: Kern der Problemlösung war der Einsatz des Grafitmaterials GT Oxyflon. Phenolharzhaltiges Grafit wird von dem stark oxidierend wirkenden Prozessmedium zersetzt und erreicht dadurch nur eine sehr begrenzte Lebensdauer. In Kombination mit weiteren Verbesserungen am Prozess ist es möglich, das Material vor frühem Versagen durch mechanische und thermische Belastung zu schützen. Auch im amerikanischen Werk des Unternehmens soll die in Shanghai bewährte  Konfiguration eingesetzt werden mit dem Ziel, die hohen Wartungskosten zu senken.

Mehr auf den Websites des Anbieters.

Heftausgabe: Mai 2017

Über den Autor

Christian Hug und Sebastian Schill, API Heat Transfer
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