Standzeit rauf

SiC-Plattenwärmeübertrager aus Keramik für längere Standzeiten in heißer Natronlauge

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30.04.2012 Bedingt durch die hohen Temperaturen sind Vorwärmer aus Nickel in der Aufkonzentration von Natronlauge starker Korrosion ausgesetzt. Wacker Chemie ersetzt vollverschweißte Nickel-Wärmeübertrager durch korrosionsbeständigere Plattenwärmeübertrager aus Siliziumcarbid.

Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Ekasic-Plattenwärmeübertrager aus SiC-Keramik zeichnen sich durch eine Reihe vonVorteilen aus, die zusammen das Kosten/Nutzenverhältnis günstig gestalten:
  • Werkstoff Siliciumcarbid sichert nahezu universelle Korrosionsbeständigkeit für beide Medienräume zu  - ideal auch für Mehrzweckanlagen;
  • hohe Beständigkeit der Keramik selbst in heißen Laugen verlängert die Wartungs-
  • intervalle erheblich und senkt Instandhaltungskosten nachhaltig;
  • Reserveaggregate müssen nicht vorgehalten werden, eine Kapitalbindung entfällt;
  • metallionenfreier Werkstoff unterbindet Eintrag von Fremdmetallen in das Produkt und verbessert die Produktqualität;
  • hohe Zuverlässigkeit wird auch bei Betriebsdrücken bis 16 bar bzw. Temperaturenbis 200 °C gewährleistet. Der Dichtungswechsel ist einfach und schnell durch den Betreiber möglich.
Direkt zum Produkt auf der Hersteller-Website geht's hier.

Auf dem insgesamt zwei Quadratkilometer großen Werksgelände von Wacker Chemie am Standort Burghausen stellen fast 10.000 Mitarbeiter Halbleiterprodukte, Polymere, Polysilicium und Silicone in etwa 150 Produktionsbetrieben her. Rohsilizium, Methanol, Ethylen und Steinsalz sowie weitere Roh- und Hilfsstoffe dienen als Ausgangsstoffe. Im Produktionsverbund werden unter anderem hochkorrosive Stoffe verarbeitet, darunter auch konzentrierte Natronlauge.

Die Natronlauge ist eine wichtige Basis-Chemikalie, die im Chlorverbund hergestellt wird. Ausgehend von einer geringen Anfangskonzentration wird sie aufkonzentriert, um sie zu einem verkaufsfähigen Standardprodukt aufzuwerten. Die Aufkonzentration ist ein mehrstufiger, energieintensiver Prozess, in dem das Rohprodukt für das Abtrennen des Wassers in Fallfilmverdampfern erhitzt wird. Um den Verbrauch von heißem Frischdampf als Heizmedium zu minimieren und damit den Energieverbrauch zu reduzieren, werden Vorwärmer eingesetzt. Eine Stufe nutzt die Wärme des heißen Dampfkondensats, eine andere die noch heiße, aufkonzentrierte Natronlauge. Die Vorwärmer sind Plattenwärmeübertrager. Bisher hat man bei Wacker in dem heißen Aufbereitungsbereich auf verschweißte Apparate aus Nickel gesetzt.

Längere Standzeit bei 190 °C in 50 % NaOH und höhere Effizienz

„Bei den hohen Temperaturen ist der korrosive Angriff so groß, dass nur Sonderwerkstoffe eingesetzt werden können. Die Standzeiten der verschweißten Nickel-Vorwärmer erreichen kaum mehr als drei Jahre“, so die Betriebsbetreuung in Burghausen. Eine echte Herausforderung also für die Werkstoffe. „Wir haben uns lange Zeit kosteneffizientere Alternativen gewünscht. Aus diesem Grund haben wir uns dazu entschlossen, korrosionsbeständigere Ekasic-Plattenwärmeübertrager aus Siliciumcarbid einzusetzen.“

Siliciumcarbid erwies sich bereits in einem mehrmonatigem Betriebsversuch mit einem Bypass-Prototypwärmeübertrager als außerordentlich stabil gegenüber der heißen Lauge. Die Wanddicke der keramischen Wärmeübertragerplatten, die mehrere Millimeter beträgt, ließ ein Vielfaches der Einsatzdauer gegenüber den metallischen Wärmeübertragern erwarten. Und das bei insgesamt kompakterer Bauart – die besonders hohe thermische Leitfähigkeit der SiC-Keramik (130 W/mK) macht es möglich. Neben verlängerter Standzeit wird als Vorteil mit einem verminderten Eintrag von Nickel-Verunreinigung in der Lauge gerechnet und die Produktqualität verbessert werden. In Zusammenhang mit dem vergleichsweise geringen Mehrpreis gegenüber der verschweißten Nickelausführung waren dies überzeugende Kaufargumente für den Betreiber.
Die Ekasic-Plattenwärmeübertrager können mit einem Betriebsdruck bis 16 bar und Temperaturen bis 200 °C beaufschlagt werden. Im Herbst 2009 wurde der erste PTFE-gedichtete B500G-Apparat für die Vorwärmung des 42%-igen Vorproduktes mit 50%-iger Natronlauge angeschafft, im Herbst 2010 folgte der zweite für die Vorwärmung mit Kondensat. Die Betriebsbetreuung Burghausen: „Die Lieferzeit und die Ausführung der Geräte waren sehr gut. Die Apparate arbeiten seit ihrer Installation rund um die Uhr absolut zuverlässig und wie am ersten Tag. Eine Leistungseinbuße ist nicht feststellbar.“ Beide Apparate wurden mit 20 % Reserve ausgelegt und bauen flächenmäßig um rund 10 % kleiner als die bisherigen Wärmeübertrager. Die vom Hersteller in der Apparateauslegung spezifizierte Leistung und Leistungsreserve konnte der Anwender in vollem Umfang bestätigen.

Erheblich verringertes Fouling

Einer wissenschaftlichen Studie der Universität Stuttgart zufolge ist die Neigung der SiC-Plattenwärmeübertrager zur Belagsbildung sehr gering ausgeprägt. Im direkten Vergleich zu Edelstahl-Platten zeigen die Ekasic-Siliciumcarbid-Platten eine mindestens um den Faktor 7 reduzierte Foulingrate. Sollten dennoch Medien verarbeitet werden, die inhärent von starker Belagsbildung begleitet sind, so erlaubt die Bauform eine einfache Anbindung herkömmlicher Reinigungsanlagen für das CIP-Verfahren.

Besonders praktisch ist, dass der keramische Werkstoff auch sehr aggressive Medien für die Belagsentfernung toleriert. Dies bietet Vorteile hinsichtlich Reinigungsergebnis und Reinigungsdauer. Der Serviceplan von Wacker sieht im Juni 2012 nach fast drei Jahren Betriebsdauer eine erste Revision vor. Auch wenn die Geräte noch keinen Bedarf für eine Revision erkennen lassen, wird der ältere Apparat nun einer bewertenden Inspektion unterzogen. Die Rahmenkonstruktion der Plattenwärmeübertrager mit den PTFE-Auskleidungen entspricht denen konventioneller Geräte. Nach einer Schulung durch den Hersteller sieht sich das Instandhaltungspersonal imstande, die Revision der Platten und Dichtungswechsel in Eigenregie durchzuführen.

Hohe Leistungseffizienz und kompakte Einbaumaße

Die kompakten Apparate mit DIN-Flanschen bis DN80 zeichnen sich durch besonders hohe Leistungseffizienz aus. Aufgrund der besonders hohen thermischen Leitfähigkeit der SiC-Keramik (130 W/mK) und der besonderen Plattenprägung werden unüblich hohe k-Werte erzielt biszu 9.000 W/m2K. Entsprechend geringere Flächen kommen in den Plattenpaketen für einen spezifizierten Leistungsübertrag zum Einsatz. Es stehen auch vollverschweißte Varianten in der sogenannten monolithischen Ausführung zur Verfügung. Diese Apparate sind hermetisch dicht und verfügen über ein besonders schnelles Ansprechverhalten.

Die Ekasic-Plattenwärmeübertrager werden kundenspezifisch je nach Leistungsbedarf konfiguriert. Mehrgängige Varianten und Hybrid-Verschaltungen sind ebenso möglich wie die eingängige Standardversion. Die Auslegung mit einer speziellen Software erlaubt bei Angabe akkurater Stoffdaten eine Auslegungsgenauigkeit im Rahmen von 5% – und das nicht nur für NaOH, sondern für alle flüssigen Medien. Auf Wunsch können auch für Mischsäuren und Laugen definierte Leistungsreserven vorgesehen werden.

Heftausgabe: Mai 2012

Über den Autor

Dr. Frank Meschke, ESK Ceramics
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