Mehr Fläche, weniger Gewicht

Carbonfaser-Verbundwerkstoff für die Destillation

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16.04.2019 Mehr Kapazität und niedrigere Kosten – im Apparatebau war dieser Zusammenhang bislang eher umgekehrt. Bei den Einbauten von Trennkolonnen wird dieser Widerspruch inzwischen aufgelöst: Möglich machen das moderne Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe.

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Entscheider-Facts für Planer

  • Durch den Einsatz von Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen ist es möglich, die Kapazität von Destillations- bzw. Trennkolonnen bei gleichzeitig niedrigerem Gewicht zu steigern.
  • Kolonneneinbauten aus dem Material zeichnen sich durch eine sehr gute Benetzbarkeit, auch in wässrigen Systemen aus. Gleichzeitig sind die Einbauten hitzebeständig und haben einen geringen Druckverlust.
  • Das Material hat zudem eine hohe Beständigkeit gegenüber aggressiven Flüssigkeiten.

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Strömungsmessung an einem Flüssigkeitsverteiler zu Testzwecken. Bild: SGL Carbon

Bei Destillations- bzw. Trennkolonnen bestehen die Kolonneneinbauten oder „Packungen“ normalerweise aus Metall, Kunststoff oder Grafit. Eine neue Baureihe von Einbauten wird nun aus korrosionsbeständigen Kohlenstofffaser­-Verbundwerkstoffen (CFC) gefertigt. Die im Jahr 2017 unter dem bestehenden Markennamen Mellacarbon eingeführten Einbauten sind genauso beständig wie die bekannten Grafiteinbauten, aber leichter, fester und steifer. Sie sind in der Lage, höheren Temperaturen standzuhalten als Kunststoffe, und kosten weniger als Sondermetalle. Ein innovatives Stecksystem ermöglicht es, größere Durchmesser zu realisieren, sodass größere Kolonnen mit deutlich höherer Kapazität gebaut werden können.

Entwicklungskooperation führte zu neuer Konstruktion

Die Elemente auf CFC-Basis wurden gemeinsam mit der SGL Group entwickelt. Das Entwicklungsteam baute dazu auf einem bekannten Sulzer-Produkt auf verbesserte dieses. Der Schweizer Apparatebauer stellte das Wissen in den Bereichen Design, Prüfung und Installation zur Verfügung, während der Werkstoffspezialist das Know-how für die Fertigung mit dem CFC-Werkstoff und Kunden für die ersten Prototypen beisteuerte. So entstanden in drei Jahren Entwicklungszeit die ersten einsatzfähigen Produkte aus dem neuen Material. Dazu gehörten auch umfangreiche Tests im Labor und auf dem Prüfstand, um das Verhalten des Werkstoffs genau nachvollziehen zu können.

Der CFC-Werkstoff mit dem Namen Sigrabond ermöglicht es, in Verbindung mit einem neuen Design das Gewicht der Roste um 90 % zu reduzieren, während die offene Fläche für die Wiederverteilung um 60 % vergrößert wird. Zudem erlaubt die Konstruktion den Bau von Kolonneneinbauten mit einem Durchmesser von über einem Meter, die einfach über einem Mannloch installiert werden können. Der neue CFC-Werkstoff bietet die Möglichkeit, mit strukturierten Packungen und Einbauten neue Märkte zu erschließen und neue Kunden zu erreichen.

Material mit vielversprechenden Eigenschaften

Bei einer der ersten Besprechungen des Innovationsteams war noch nicht klar, wie viel Flüssigkeit durch eine Wand aus CFC dringen würde. Kurzerhand nutzte das fünfköpfige Team eine Küchenspüle in der Nähe des Besprechungsraums als Testumgebung. Das Team füllte einen CFC-Behälter mit Wasser, den man für den Rest des Tages auf dem Tisch im Besprechungsraum stehen ließ.

Am Ende des Tages waren alle von den vielversprechenden Eigenschaften des Materials überzeugt, da im Vergleich zur Strömung durch den Verteiler nur sehr wenig Flüssigkeit durch die Wände verloren ging. Um das Management von den Fähigkeiten des CFC-Werkstoffs zu überzeugen und die Verteilungseigenschaften zu demonstrieren, stellte das Team ein Modell zur Verfügung, das jederzeit unter einem Wasserhahn geprüft werden kann – quasi als langfristige Machbarkeitsstudie.

„Entscheidend für den Erfolg dieser F&E-Partnerschaft war eine offene und dynamische Kommunikation zwischen den Teams und einzelnen Spezialisten beider Unternehmen. Wir hatten bereits viele Ideen für technische Lösungen, und nachdem der Kooperationsvertrag stand, entwickelte sich eine offene Diskus­sion, die es uns ermöglich­te, die größten technischen Herausforderungen schnell zu bewältigen“, erklärt Johannes Rauber, Senior Application Manager von Sulzer Chemtech.

Die Einbauten werden in Kolonnen beispielsweise zur HCl-Abtrennung und -Rückgewinnung eingesetzt, aber auch bei der MCA/DCA-Destillation. Daneben können sie in der Herstellung von Phosphorsäure, zum Aufkonzentrieren von Flusssäure oder zur Trennung von Chlorphenolen eingesetzt werden. Weitere Anwendungen sind SO2-Absorber, Kolonnen zur Rauchgasreinigung (z. B. Entschwefelung) oder Meerwasser-Entgaser.

Merkmale von Kohlenstoff und Kohlenstofffaser-Verbundstoffen

Kohlenstofffasern werden durch die thermische Zersetzung von Kunststofffasern gewonnen, die zuerst bei 180 bis 300 °C unter Spannung an der Luft oxidiert werden. Durch Erwärmen der Fasern auf 1.600 °C entsteht amorpher Kohlenstoff. Bei weiterer Erwärmung auf 3.000 °C erhalten die Fasern eine kristalline Struktur. Die einzelnen Kohlenstofffasern haben einen Durchmesser von 5 bis 8 µm. Ihre Festigkeit ist bei gleichem Gewicht deutlich größer als die von Stahl. Die Dichte von Kohlenstoff beträgt 1,8 g/cm³, während Aluminium eine Dichte von 2,7 g/cm³ und Stahl von 7,8 g/cm³ besitzt. Zu den weiteren Vorteilen von Kohlenstoff gehören seine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit.

Kohlenstofffaser­-Verbundwerkstoffe (CFC) sind weit verbreitet. Bei der CFC-Herstellung werden die Fasern als sogenannte Multifilamente (Fäden aus mehreren einzelnen Fasern) zu Bändern oder Geweben verarbeitet, die dann mit Kunststoffmonomeren (Epoxidharzen, Thermoplasten) imprägniert und polymerisiert werden. Das Ergebnis sind leichte, stabile Formprodukte, die äußerst zugfest, biegefest und korrosionsbeständig sind.

 

Heftausgabe: April/2019
Christian Bachmann, Sulzer Chemtech

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Christian Bachmann, Sulzer Chemtech
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