Schutz für die Dichtung

Abdichtung von Polymerisations-Reaktoren

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14.09.2009 Die Abdichtung von Polymerisationsreaktoren stellt sehr unterschiedliche Anforderungen an das Dichtungssystem, angefangen von der Einbaulage bis hin zu den verschiedensten Betriebsbedingungen. Je nach Reaktions- und Verfahrensbedingungen kommen unterschiedliche Dichtungskonzepte zum Einsatz.

Entscheider-Facts Für Anwender



  • Für die Wahl der Dichtung an Polymerisations-Reaktoren sind zum einen die Eigenschaften des Prozessmediums vor und nach der Reaktion und zum anderen die verfahrenstechnischen Bedingungen wichtige Kriterien.
  • Bei sehr kriechfreudigen Medien können Mehrfachdichtungen zum Einsatz kommen; die Dichtungen durch kontinuierliches Spülen mit einem sauberen Fremdmedium oder durch eine Polymerisationssperre geschützt werden.
  • Außerdem hängt die Dichtungsauswahl vom eingesetzten Reaktortyp und dem Antriebskonzept ab.

Polymere entstehen in Polyreaktionen. Dabei werden reaktive niedermolekulare Verbindungen (Monomere) zu Makromolekülen durch Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition verknüpft. Meist verlaufen die Reaktionen stark exotherm. Vom verfahrenstechnischen Standpunkt lassen sich die Herstellungsverfahren in drei Gruppen einteilen:

  • Polyreaktionen in Substanz (Masseverfahren)
  • Polyreaktionen in Lösung
  • Polyreaktionen in Dispersion

Die Wahl der Synthesemethode beeinflusst ganz entscheidend die Eigenschaften der Polymere. Wie bei allen anderen chemischen Produktionsverfahren unterscheidet man auch in der Polymerisationstechnologie zwischen drei grundsätzlich verschiedenen Reaktorfahrweisen: Batch-, halbkontinuierliche (Semibatch-) Fahrweise und kontinuierliche Verfahren. Die Batch- und Semibatch-Variante zeichnet sich vor allem durch ihre Vielseitigkeit aus und ist deshalb weit verbreitet bei Spezialpolymeren mit relativ niedrigen Produktionskapazitäten. Kontinuierlich betriebene Reaktoren werden dagegen bei hohen Produktionskapazitäten bevorzugt, da hier die zeitaufwändigen Beschickungs- und Entleerungsvorgänge entfallen.

Der Rührkesselreaktor, der entweder einzeln oder in Kombination mit anderen Reaktortypen als Kaskade eingesetzt wird, spielt nach wie vor die Hauptrolle in der Polymerisationstechnologie. Dabei unterscheidet man zwischen oben, unten oder seitlich angetriebenen Rührreaktoren, was einen entscheidenden Einfluss auf die Art und Betriebsweise der Dichtung hat. Bei oben angetriebenen Rührreaktoren ist die Dichtung nicht in direktem Kontakt mit dem flüssigen Medium, aber die Dichtung kann durch Spritzer oder Schaum potenziell verunreinigt werden. Die Bewegungen der Welle, wie radiale Auslenkungen, Winkelabweichungen oder Taumelbewegungen müssen von der Dichtung aufgenommen und beherrscht werden. In vielen Fällen, wird deshalb die Dichtung mit einem eigenen Lager ausgerüstet.
Bei unten angetriebenen Rührreaktoren dagegen ist die Dichtung in direktem Kontakt mit dem flüssigen Prozessmedium. In diesen Fällen besteht die latente Gefahr von Ablagerungen im Bereich der Dichtung und damit eine Beeinträchtigung der Funktionsweise. Beim Seitenantrieb muss die Dichtung häufig noch axiale Bewegungen durch Wärmedehnungen der Welle aufgrund von wechselnden Temperaturen aufnehmen, zum Beispiel mit einem Balg.

Kritische Punkte bei der Dichtungsauswahl

Bei der Auswahl der geeigneten Wellenabdichtung sollte der Anwender verschiedene Punkte beachten. Das sind zum einen die Eigenschaften des Prozessmediums und zwar vor und nach der Reaktion, da sich diese sehr stark ändern können. Zum anderen spielt der Herstellungsprozess mit den jeweiligen Betriebsbedingungen und den eingesetzten Reaktortypen eine wichtige Rolle.

Vor der Reaktion besteht das Prozessmedium meist aus einer Mischung von verschiedenen Stoffen wie Monomeren und diversen Hilfsstoffen wie Lösemitteln, Initiatoren, Katalysatoren oder Emulgatoren. Im Laufe der Reaktion wird die Konzentration an den Reaktionsprodukten, den Polymeren, immer größer, wodurch in vielen Fällen die Viskosität steigt. Dringt das Prozessmedium in die Dichtung ein, kann es zu Ablagerungen und zum Verkleben der Dichtung kommen. Die Dichtung kann dadurch in ihrer Funktion beeinträchtigt werden oder sogar ausfallen. Um das zu verhindern, gibt es grundsätzlich die Möglichkeit, eine Mehrfachdichtung einzusetzen und diese zu sperren. Reicht diese Maßnahme jedoch alleine nicht aus, zum Beispiel weil es sich um ein sehr kriechfreudiges Medium handelt, dann gibt es weitere konstruktive Möglichkeiten, die Dichtung zu schützen:

  • das kontinuierliche Spülen mit einem sauberen Fremdmedium gemäß API Plan 32,
  • mit einer Polymerisationssperre, die vor einer Gleitringdichtung angeordnet ist.

Beim Spülen wird ein sauberes Fremdmedium im Bereich der zu schützenden Wellenabdichtung in den Dichtungsraum eingespeist und über eine Durchflussmengenbegrenzung in das abzudichtende Medium geleitet. Als Spülmedien kommen dazu Flüssigkeiten, Gas oder Stickstoff infrage. Eine Spülung kann in allen Einbaulagen wie Oben-, Unten- und Seitenantrieb eingesetzt werden. Die konstruktive Ausführung erfolgt standardmäßig als schwimmende Drossel, in Einzelfällen können aber auch andere Ausführungen wie Lippendichtungen, U-Caps oder Spülbohrungen im Dichtungsgehäuse sinnvoll sein.

Bei einer Polymerisationssperre dient die Flüssigkeitsvorlage als Barriere für das Prozessmedium und verhindert dadurch Ablagerungen an der Wellenabdichtung. Sie wird vor allem für Obenantriebe empfohlen, wo das Prozessmedium nicht immer in direktem Kontakt mit der Dichtung ist. Hier hat sie sich in der Praxis bewährt. Die konstruktive Ausführung erfolgt in den meisten Fällen als konzentrisches Labyrinth.
Die Dichtungsauswahl hängt darüber hinaus von dem eingesetzten Reaktortyp ab. Die unterschiedlichen Antriebskonzepte der Reaktoren stellen verschiedene Anforderungen an die Dichtungstechnik. Eine weitere Herausforderung sind die oftmals sehr großen Wellendurchmesser bis zu 450mm. Genauso wie die Betriebsbedingungen, die sehr unterschiedlich sein können – von Vakuum bis zu Drücken von mehreren Hundert bar und Temperaturen von 0°C bis zu 350°C. Bei hohen Temperaturen größer 200 °C wird der Dichtung normalerweise ein Kühlflansch vorgeschaltet, um den Eintrag von Prozesswärme in die Dichtung zu minimieren und damit die Werkstoffe, vor allem die Elastomere, vor zu hohen Temperaturen zu schützen.

Beispiele für Dichtungen in Polymerisations-Reaktoren

Lanxess Deutschland setzt in der Herstellung von Synthesekautschuken Dichtungen vom Typ HSMR5L-D in einer Rührreaktorkaskade mit Obenantrieb ein. Als Rohstoffe werden Chloropren, Wasser und diverse Additive eingesetzt. Diese reagieren zu Polymeren, die am Ende der Reaktion in wässriger Lösung als kolloidale Dispersion vorliegen. Die Außenwände der Rührreaktoren werden kontinuierlich auf -20°C gekühlt. Die Betriebstemperatur liegt bei etwa 0°C und der Betriebsdruck variiert zwischen Vakuum und 10bar. Ein Beispiel für eine Dichtung, die in mehreren Reaktoren mit Untenantrieb in der PVC-Herstellung erfolgreich im Einsatz ist, ist die HS-D. Die Dichtung wird bei 80°C und bei Drücken zwischen Vakuum und 20bar betrieben.

Bei beiden Dichtungen handelt es sich um gesperrte Mehrfachgleitringdichtungen in Cartridge-Bauweise mit integriertem Lager. Zusätzlich wird eine Spülung vor der Dichtung eingesetzt, um die Betriebssicherheit zu erhöhen, indem Produktablagerungen an der Dichtung vermieden werden. Das ist bei der HSMR5L-D notwendig, da die Reaktoren häufig mit einem hohen Füllstand betrieben werden. Zudem ist das Medium sehr kriechfreudig, wodurch eine Verschmutzung der Dichtung nicht ausgeschlossen werden kann. Bei den Reaktoren mit Untenantrieb liegt die Dichtung vollständig im Produkt, wodurch die Gefahr von Ablagerungen noch verstärkt wird. Wichtig ist hier, die produktberührten Oberflächen so auszuführen, dass ein Anhaften des Prozessmediums erschwert wird und den Dichtungsraum strömungstechnisch so günstig zu gestalten, dass keine Totzonen entstehen. Darüber hinaus ist die HS-D doppeldruckentlastet, so dass die Dichtung auch bei einem Ausfall des Sperrdruckes geschlossen und damit voll funktionsfähig bleibt. Beide Dichtungen sind mit hydrodynamischen Schmiernuten (HS-Nuten) ausgerüstet, um die Schmierung zu optimieren und damit die Lebensdauer zu erhöhen.

Heftausgabe: September 2009
Kerstin Bechtel,  Burgmann Industries

Über den Autor

Kerstin Bechtel, Burgmann Industries

Kerstin Bechtel, Burgmann Industries

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