September 2013
  • Das als Beschichtungswerkstoff verwendete Tantal ist plastisch verformbar, also nicht spröde wie Keramik, und kann einem hohen Druck standhalten.
  • Das Verfahren ermöglicht das Herstellen eines breiten Spektrums von Komponenten in  verschiedenen Formen und Abmessungen.
  • Zylindrische Formen mit einer Länge von 18 m sind in der Praxis möglich - im Einzelfall sind auch größere Abmessungen möglich.

Für die komplexen Herstellungsprozesse mit aggressiven Gasen und Flüssigkeiten bei hohen Temperaturen und Drücken mussten verfahrenstechnische Komponenten entwickelt werden, die auch anspruchsvolle Prozessbedingungen überstehen. Korrosionsbeständige Schutzschichten sind hier die Lösung für viele verfahrenstechnische Herausforderungen. Im Apparatebau spielen vor allem korrosionsbeständige und reaktive Metalle wie Tantal eine Schlüsselrolle. Sie bilden eine permanente und schützende Oxidschicht auf ihrer Oberfläche und ermöglichen eine gute Beständigkeit. Darüber hinaus sind sie plastisch verformbar, also nicht spröde wie Keramik, und können einem hohen Druck standhalten. Damit eignen sie sich zum Auskleiden von Kolonnen und Reaktoren. Aus Kostengründen wird oft eine schützende Tantalschicht auf eine weniger beständige Basis aus Kohlenstoff-Stahl aufgebracht. Das Ergebnis ist ein dauerhaftes Composite-Verbundmaterial mit einer fehlerfreien Verbindung.

Anwendungsbeispiel Epichlorhydrin
In 2010 entschloss sich ein asiatisches Petrochemie-Unternehmen für den Ausbau seiner Produktionsanlagen für Epichlorhydrin (ECH), einem wichtigen Grundstoff für die Synthese vieler organischer Verbindungen. Es wird aus Chlor und Propylen synthetisiert; wobei als Nebenprodukt Salzsäure entsteht. Die Unternehmenssparte für korrosionsbeständige Anlagen und Apparate der Firma  Mersen lieferte in einem ersten Schritt Graphit-Wärmeübertrager für das HCl-Stripping und kurz danach eine Tantal-CL-Clad-Kolonne für die Rückgewinnung von Salzsäure. Ende 2011 wurden dann 25 Röhren-Wärmeübertrager aus Graphit und zwei weitere Tantal-Kolonnen bestellt. Für alle Komponenten galt der August 2012 als Liefertermin. Um diese kurze Frist einzuhalten und das Expertenwissen bei Graphit und CL-Clad effektiv zu kombinieren, entschied sich das Unternehmen, die Graphit-Wärmeübertrager in den Werken Salem (USA) und Pagny-sur-Moselle (Frankreich) herzustellen. Die Produktion der Tantal-Kolonnen hingegen ging an den Standort Linsengericht, der auf Tantalausrüstungen spezialisiert ist.

Löttechnik für Anspruchsvolle
Bei dem von dem Werkstoffspezialisten entwickelten und patentierten Lötverfahren wird ein Füllmaterial mit niedrigerem Schmelzpunkt zwischen eine Basis- und Beschichtungsplatte platziert, die beide einen höheren Schmelzpunkt aufweisen. Dieser Stapel wird in einem Spezialofen unter Schutzgasatmosphäre einem Druck- und Hitzezyklus ausgesetzt.  Das flüssige Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt füllt dabei die Zwischenräume des Stapels aus und bildet eine schlüssige Verbindung. So wird aus einem mindestens 0,5 mm dicken Tantalblech mit einer Trägerplatte aus Kohlenstoffstahl ein dauerhaftes Composite-Verbundmaterial. Das Verfahren ermöglicht das Herstellen eines breiten Spektrums von Komponenten in  verschiedenen Formen und Abmessungen, beispielsweise Kolonnen, Reaktoren, Druckbehälter, Gefäße, Rohrböden, Elemente zur Wärmeübertragung sowie Mischer.  Die Experten des Unternehmens im hessischen Linsengericht formen und schweißen  Platten mit Tantalbelag für anspruchsvolle Anwendungen in Bezug auf mechanische Festigkeit und absoluter Dichtigkeit. Stahl und Tantalblech schweißen sie dabei jeweils separat. Die beiden Komponenten bilden, verbunden durch die Lotlage, dennoch eine vollkommen homogene Einheit. Zylindrische Formen mit einem Durchmesser von 0,75 bis 1,5 m und einer Länge von 18 m sind möglich. Gegebenenfalls kann der Hersteller auf Anfrage auch andere Abmessungen realisieren. Falls von der Norm vorgeschrieben, erhalten Materialen mit einer Dicke von mehr als 38 mm auch eine Wärmebehandlung. So gefertigte Komponenten sind weltweit in chemischen Produktionsanlagen im Einsatz, darunter auch Kolonnen mit einem Prozessdruck von 25 bar.

Eigenschaften und Vorteile
Die Verbindungen sind korrosionsbeständig gegenüber fast allen Prozessflüssigkeiten. Ausnahmen sind laut Hersteller stark alkalische sowie fluorhaltige Verbindungen. Da das Material ein elektrischer Leiter ist, besteht keine Gefahr dass aufgrund von elektrostatischen Aufladungen in nichtleitenden Prozessflüssigkeiten eine Zündquelle entsteht. Gleichzeitig ist der Werkstoff im Vergleich zu emaillierten Reaktoren, Kolonnen oder Komponenten robuster und übersteht mechanische Belastungen besser. In der Folge ist der Gebrauch in der täglichen Praxis unkomplizierter. Die thermische Ausdehnung von Tantal und Stahl ist ähnlicher als die von Stahl und Keramik, deshalb entstehen beim Erhitzen und Abkühlen weniger Spannungen zwischen Schutzschicht und Trägermaterial. Gleichzeitig ist die Wärmeleitfähigkeit von Tantal besser als die von Glas oder Keramik, wodurch die Temperaturverteilung innerhalb des Reaktors oder der Kolonne gleichmäßiger ist. Da in dem verformbaren Werkstoff nicht so leicht Risse auftreten, sind Anschluss- und Dichtungskontaktflächen bei Vakuum- und Hochdruckanwendungen dauerhaft und zuverlässig dicht, auch wenn die Bolzen ungleichmäßig angezogen sind. Auch sind Verunreinigungen des Produkts durch das Abplatzen von Material nahezu ausgeschlossen, was besonders in der Pharmazie entscheidend ist. Nicht zuletzt ist das Material für Anlagenplaner interessant, da sich damit größere Kolonnen und Reaktorsegmente herstellen lassen als beispielsweise mit Glas und Keramik. Daher benötigen aus dem Werkstoff gefertigte Anlagen weniger Dichtungen, und die Gefahr von Leckagen verringert sich.

Zur Technik
Breites Einsatzspektrum

Für die CL-Clad-Verbindungen gibt es zahlreiche Einsatzmöglichkeiten:

  • MDI/TDI-Synthese
  • Säurekonzentration
  • Herstellen von Polycarbonat und PVC
  • Kunststoffproduktion
  • HCl-Stripping unter hohem Druck
  • Salzsäure-Absorptionsanlagen
  • Feinchemie und Pharmazie (API -Prozesse)
  • Destillation (ECH – chlorierte Lösungsmittel – Silicone – HNO3 / H2SO4)
  • Anlagen zum Aufkonzentrieren von verbrauchter Säure (H2SO4, HCl)
  • Reaktoren für Brom und Quenchsysteme (Gaskühlanlagen)
  • Peressigsäure, Kolonnen

Hier finden Sie eine ausführliche Präsentation des Werkstoffes.

Zur Homepage des Herstellers gelangen Sie hier.

Zum Interview mit Achim Heiming, Vertriebsleiter DACH bei Mersen, aus CHEMIE TECHNIK 06/2014 gelangen Sie hier.

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