Pumpen für Schwefelsäureanwendungen, Teil 1

Gibt Säuren keine Chance

10.12.2009 Schwefelsäure ist eines der wichtigsten industriellen Produkte der chemischen Industrie. Die Produktionsmenge eines Landes kann auch als Indikator für dessen industrielle Entwicklung gesehen werden. Da Schwefelsäure zu den stärksten Säuren zählt und außerordentlich korrosiv ist, kommen nur bestimmte Werkstoffe für die in industriellen Prozessen eingesetzten Pumpen in Frage.

Spiritus Vitroli nannten die Alchemisten jene ätzende Säure, die sie aus Alaun, später durch Verbrennung von Schwefel mit Salpeter, gewannen. Heute ist Schwefelsäure (H2SO4) eines der wichtigsten Rohprodukte in der chemischen Technologie und wird weltweit von allen Industriestaaten in großen Mengen benötigt. Im Jahre 2005 wurden weltweit 194Millionen Tonnen dieser starken Säure produziert und die Produktion steigt jährlich weiter an, so dass sie im Jahre 2010 wahrscheinlich auf 240 Millionen Tonnen anwachsen wird. Schwefelsäure wird hauptsächlich aus der Verbrennung von Schwefel oder schwefelhaltigen Erzen gewonnen. So wurden zum Beispiel im Jahr 2006 über 51Millionen Tonnen an Schwefelsäure aus der Erzaufbereitung hergestellt. Auch neue, aus Umweltschutzbestimmungen entstandene Methoden wie die Schwefelsäuregewinnung aus Abfallsäuren oder die Aufarbeitung schwefelhaltiger Abgase werden vermehrt angewendet.

Verwendung von Schwefelsäure

Die Produktionsmenge an Schwefelsäure eines Landes kann auch als ein Indikator für dessen industrielle Entwicklung gesehen werden. Bei vielen Produkten des täglichen Lebens ist Schwefelsäure bei deren Herstellung beteiligt. Schwefelsäure wird in der Erzaufbereitung von Nickel- und Kupfermetallen benötigt sowie zur Produktion von TiO2, dem Pigment, welches zur Weißfärbung von Farben, Papieren und Lacken verwendet wird. Die Hauptmenge an Schwefelsäure wird zur Gewinnung von Phosphatdüngern verwendet. Dabei wandelt die Schwefelsäure phosphathaltiges Apatitgestein in eine für Pflanzen nutzbare Düngerform um. Ohne Schwefelsäure würde also die landwirtschaftliche Nahrungsmittelproduktion drastisch einbrechen. Außerdem dient hochkonzentrierte Schwefelsäure zum Trocknen von Gasen, zum Beispiel in der Chlorgasproduktion. Das Chlorgas wird unter anderem zur Produktion von PVC Kunststoffen, Desinfektionsmitteln und zur Erstellung von Salzsäure eingesetzt. Auch in der chemischen Industrie ist Schwefelsäure eine Standardchemikalie für die Herstellung von Pharmaprodukten und Feinchemikalien. Nicht immer verbleibt die Schwefelsäure als echter Reaktionspartner im Endprodukt, sondern fällt auch in verunreinigter Form als Abfallsäure an. Sie wird heute zunehmend durch entsprechende Aufbereitung wieder dem Prozess zugeführt.

In der Produktion von und mit Schwefelsäure fallen dementsprechend verschiedene Arten von Schwefelsäuren an, die zum einen unterschiedlich hoch konzentriert sind und zum anderen mit verschiedenen anderen Stoffen gemischt sind, wie mit Titandioxid und Eisensulfaten in der TiO2-Produktion oder beim Trocknen von Chlorgas.

Herstellung von Schwefelsäure

Bei der Produktion von Schwefelsäure gibt es drei typische Rohstoffquellen:

  • schwefelhaltige Metall-Erze wie zum Beispiel Eisenkies (FeS2),
  • Schwefel, der aus unterirdischen Lagerstätten gefördert wird oder
  • aus der Entschwefelung von Erdöl und Treibstoffen in der Petrochemie.

 

In allen drei Verfahren wird der enthaltene Schwefel zu SO2 verbrannt und dieses wird dann zu SO3 oxidiert (bekanntestes Verfahren: Kontaktverfahren mit Vanadiumpentoxid). Das Gas wird anschließend in verschiedenen Absorbern in Schwefelsäure gelöst und durch die Behandlung mit Wasser zu Schwefelsäure umgesetzt oder als rauchende, das heißt hochkonzentrierte Schwefelsäure (Oleum), verkauft.

Neben dem starken Säure-Charakter der Schwefelsäure ist eine wesentliche Eigenschaft, die die konzentrierte Schwefelsäure von anderen Säuren unterscheidet, die sehr starke Affinität zu Wasser (Hygroskopie). Wenn konzentrierte Schwefelsäure mit Wasser verdünnt wird, so wird dabei eine erhebliche Menge an Wärme frei. Besonders bei Konzentrationen über 80% zeigt Schwefelsäure eine sehr stark oxidierende Wirkung. In Industrieprozessen kann zwischen verschiedenen, häufig anzutreffenden Schwefelsäuren unterschieden werden:

  • reine hochkonzentrierte (96 bis 99%) Schwefelsäure mit einer Dichte bis 1,85kg/m³
  • verdünnte Schwefelsäure (bis 96%) mit einer Dichte von 1,0 bis 1,83kg/m³
  • besondere Gemische, wie chlorgashaltige Schwefelsäure

 

Die einzelnen säurehaltigen Medien haben in verschiedenen Prozessen durchaus Temperaturen von 70 bis 100°C oder sogar bis zu 240°C, wie im MonsantoHeat Recovery System.

Die Verpumpung unterschiedlicher Schwefelsäurekonzentrationen

Für den Einsatz von Pumpen in schwefelsäurehaltigen Medien gibt es zahlreiche individuelle Lösungen. Grundsätzlich kann Schwefelsäure mit Pumpen aus Metall oder Kunststoff verpumpt werden. Daneben ist der Materialeinsatz auch eine ökonomische Frage.

Für alle Konzentrationen und Temperaturen eignet sich als metallischer Werkstoff im Pumpenbau allerdings nur Siguss. Siguss ist eine Eisenbasislegierung, die ein Ferrosilicit-Gefüge bildet. Dieser Werkstoff enthält etwa 15% Silizium, bis zu 5% Chrom und kein Nickel. Siguss ist damit einer der wenigen Werkstoffe, der Schwefelsäure und auch Mischungen der Schwefelsäure mit wenig Chlorgas bzw. Salzsäure oder Salpetersäure pumpen kann, ohne seine Beständigkeit einzubüßen. Zusätzlich ist Siguss auch verschleißfest. Allerdings ist der Werkstoff nicht schmiedbar oder schweißbar und für ein Metall ausgesprochen spröde, was eine deutliche Einschränkung bei der Verarbeitung des Werkstoffes darstellt.
Als Alternativen werden je nach Oxidationsvermögen der Säure Metalle oder Kunststoffe beim Pumpenbau eingesetzt. Welche Vorteile die jeweiligen Werkstoffe bieten, wird in den folgenden Abschnitten näher erläutert.

Pumpen für reine hochkonzentrierte Schwefelsäure

Für hochkonzentrierte Schwefelsäure eignen sich wegen ihrer oxidativen Eigenschaft Edelstahllegierungen besonders gut, weil sie eine Passiv-Schicht als Korrosionsschutzschicht ausbilden und somit weniger angreifbar sind, als beispielsweise Kunststoffe. Kommt der in Schwefelsäure universell einsetzbare Metallwerkstoff Siguss zur Anwendung, werden im Wesentlichen horizontale Chemienormpumpen Typ RN meist in der Abdichtungsvariante hydrodynamische Entlastung verwendet. Die besondere Bauform dieser Pumpe mit einem Gehäusepanzer aus Grauguss ist bedingt durch die spröden Eigenschaften des Werkstoffs Siguss. Eine schwerere Variante steht mit einer weiteren horizontalen Baureihe (Typ RCE) zur Verfügung, die für zusätzlich stark feststoffbeladene Medien eingesetzt wird.

Im Gegensatz zur Dünnsäureverklappung ist die Regeneration verbrauchter Abfallsäure die deutlich umweltfreundlichere Anwendung. Bei der Säureeindampfung können horizontale Chemie-Umwälzpumpen Typ RSU ebenfalls aus dem für Schwefelsäure universell verwendbaren Werkstoff Eisensiliziumguss eingesetzt werden. Diese Axialmaschine kann mit verschiedenen Laufradformen ausgeführt werden, je nach Anforderungen bezüglich der Fördermenge und den Förderhöhen. Pumpengrößen stehen für Fördermengen von 300 bis 2000m3/h zur Verfügung. Als Wellenabdichtung kommen, je nach Zulaufhöhen, meistens hydrodynamische Entlastungen mit bis zu drei Entlastungsrädern zum Einsatz. Hierbei wird als Stillstandsabdichtung ein PTFE-Balg mit Druckluft beaufschlagt. Das Pumpengehäuse ist zum Schutz gegen äußere Einflüsse mittels Vergussmasse in einen Panzer aus Sphäroguss eingebettet. Auch der Werkstoff von Sandvik (SX) hat einen erhöhten Anteil von Silizium, wenn auch deutlich weniger als der Werkstoff Siguss. SX ist allerdings nur für die hochkonzentrierte Schwefelsäure geeignet und wird dafür auch im Behälter- und Rohrleitungsbau und für Wärmetauscher verwendet.
Hochchromhaltige Werkstoffe (30% Chrom) mit ferritischem Gefüge haben sich ebenfalls seit vielen Jahrzehnten in Anwendungen mit hochkonzentrierter Schwefelsäure etabliert. Diese Werkstoffe sind speziell für den Bereich der oxidativen hochkonzentrierten Schwefelsäure empfohlen, zum Beispiel für Absorbertürme. Gerade im Bereich der Primären- und Sekundären-Absorbertürme werden ausschließlich vertikale Pumpen eingesetzt, zum Beispiel die ebenfalls seit vielen Jahrzehnten bewährten vertikalen Chemietauchpumpen des Typs GVSO und des Typs GVRN. Bedingt durch die sehr schlanke (platzsparende) und den höchsten chemischen Anforderungen angepasste Ausführung, werden sehr lange Standzeiten erreicht. Besondere Vorteile bei der GVSO-Baureihe bieten Tauchtiefen bis zu 18m. Die Wellenabdichtung wird durch gasdichte Stopfbuchsen erreicht, die nicht flüssigkeitsberührt sind. Aber auch Gleitringdichtungen sind möglich. Bei Tauchtiefen, die mehr als 2m betragen, kommen Zwischenlager in Form von Gleitlagern in korrosions- und verschleißbeständiger Ausführung zum Einsatz.
In solchen Anlagen können durchaus Förderströme bis zu 2400m3/h bewältigt werden. Durch modern konzipierte Hydrauliken mit geschlossenen Laufrädern und optimierten Spiralgehäuse-Querschnitten erreichen die Pumpen Wirkungsgrade von über 80%.

Kunststoffe sind in hochkonzentrierter Schwefelsäure nur mäßig geeignet. Nur PTFE bzw. PFA ist in 98% Schwefelsäure auch bei über 100°C noch gut beständig.

Heftausgabe: Dezember 2009

Über den Autor

Dr. Gerhard Pracht, Friatec
Loader-Icon