Abnutzung vorgebeugt

Dr. Günter Schäfer

Für die Herstellung von chemischen Stoffen werden teilweise hoch abrasive Ausgangsstoffe verwendet. Um diese gelöst zu bekommen, kommen starke Säuren wie konzentrierte Salzsäure oder Schwefelsäure und Temperaturen bis zu 160 °C zum Einsatz. Unter diesen Bedingungen sind nur noch emaillierte Anlagen und Bauteile in der Lage, eine langfristige Anlagensicherheit zu gewährleisten. Neben der Korrosionsbeständigkeit kommt es aufgrund der stark abrasiven Eigenschaft der Stoffe auch auf die Abriebfestigkeit der Emailschicht an.

Von Abrasion besonders betroffen sind die sich bewegenden Teile in einem Behälter oder einer Komponente. Je höher die Rotationsgeschwindigkeit eines Rührerblatts beispielsweise, desto höher ist der mechanisch verursachte Abtrag durch suspendierte Körner. Dieser lineare Zusammenhang lässt sich mithilfe einer einfachen Gleichung beschreiben: v = 2p Rn (v = Rotationsgeschwindigkeit in m/min, R = Radius der Turbine und n = Drehzahl in rpm). Anhand dieser Gleichung lässt sich die Grenzgeschwindigkeit und damit die Drehzahl berechnen, bei der die Emaillierung durch die suspendierten Feststoffe nicht mehr beschädigt wird. Die Ursache für diesen erstaunlichen Unterschied im abrasiven Verhalten erläutert der Zusammenhang zwischen kinetischer Energie und der relativen Geschwindigkeit ( Ekin = m v2). Diese Gleichung macht deutlich, dass eine Verdopplung der Drehzahl eines Rührwerks zu einer quadratischen Erhöhung der Aufprallenergie eines Teilchens auf das einzelne Rührerblatt führt. Verknüpft man beide Gleichungen miteinander, so folgt im Normalfall hieraus, dass schon eine relativ geringe Reduzierung der Drehzahl zu einer geringeren Abrasion führt. Es gibt mehrere räumlich besonders gefährdete Bereiche in einem Rührapparat, die von Abrasion besonders betroffen sind. Dies sind die Bereiche, die entweder einen hohen Energieeintrag bewerkstelligen, eine hohe Störwirkung besitzen oder durch Befüll- und Entleervorgänge besonders betroffen sind.

Ein radialer Bereich um den Bodenauslaufstutzen ist besonders gefährdet, wenn die abreagierte Lösung noch Feststoffe enthält oder sich bei der Reaktion ein schwerlösliches Produkt bildet. Insbesonders treten Schäden in diesem Bereich auf, wenn der Reaktor mit Überdruck beaufschlagt ist. Durch den plötzlichen Druckstoß lösen sich vorhandene Anbackungen von der Behälterwand und werden mit dem entweichenden Schutzgas durch den Stutzen abgeblasen. Typisch ist in solch einem Falle eine kreisrunde Schadstelle entlang des Stutzenradius.

Während die Reaktorwand sowohl im Bereich der Strömungswirkung der Turbine als auch an der Flüssigkeitsoberfläche eine Aufrauung der Emailoberfläche und einen erhöhten Abtrag aufweisen kann, sind bei Stromstörern die geometrisch der Strömung am meisten ausgesetzten Bereiche betroffen, vergleichbar mit dem Abtrag bei Rührflügeln. Als Faustregel gilt hier: Je effizienter die Störwirkung des Bauteils, desto höher der zu erwartende abrasionsbedingte Abtrag. Es ist hauptsächlich der Bereich betroffen, der in der direkten Wirkungszone des Rührorgans liegt und der damit die höchste Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Dies ist der Bereich zwischen Stromstörer und Behälterwandung. Der abrasive Abtrag nimmt mit der Höhe ab und auch die Rückseite eines Stromstörers ist kaum betroffen.

Abrasionsbedingte Schäden lassen sich durch eine optimierte Prozessführung reduzieren. Dieser Bereich bietet teilweise gute Möglichkeiten, die Lebensdauer einer Anlage deutlich zu erhöhen, zum Beispiel durch die Modifikation der Zudosierung der Feststoffe, die vorher in einem Suspendierbehälter aufgeschlämmt werden, oder durch Änderung der Art der Zudosierung der Feststoffe. Bei der Neukonzeption einer Anlage besteht die Möglichkeit, Stutzenlagen entsprechend festzulegen. Allerdings sind in vielen Fällen der Anlagenoptimierung durch andere Vorgaben wie Produktionsmenge, Durchsatz oder auch Wirtschaftlichkeit des Produkts deutliche Grenzen gesetzt. Eine weitere Möglichkeit zur Anlagenoptimierung besteht in der Änderung der bisher eingesetzten Rührorgane und Stromstörer, die zu einer Verringerung der Drehzahl führt. Für die TBF-Turbine, eine vertikal fördernde Turbine, ergaben Laborversuche eine genaue Reproduzierung der real gefundenen Schäden. Bei dem Versuch zeigte sich, dass neben dem Bereich der Vorderkante mit der höchsten Umfangsgeschwindigkeit auch der Bereich der Turbine betroffen ist, der einen kleinen abwärts geneigten Knick aufweist. Für die CBT-Turbine, eine radial fördernde Turbine, die aufgrund ihrer sehr starken Störwirkung sehr oft bei der Dispergierung und Kristallisation eingesetzt wird, treten Abrasionsschäden an anderen geometrischen Bereichen auf. Auch hier zeigt der Laborversuch eine gute Übereinstimmung mit gefundenen Schäden. Bei diesem Turbinentyp sind sowohl die Vorder- als auch die Rückseite der Rührerflügel durch Abrasion betroffen. Je nach Wahl der Stromstörer sowie deren Anzahl kann die Drehzahl der Turbinen um bis etwa 40 % reduziert werden, ohne dass sich die Störwirkung im Reaktor ändert. Das bedeutet eine Reduzierung der kinetischen Energie eines Feststoffteilchens von ca. 75 bis 80 %. Damit steigt die Lebensdauer eines Reaktors sowie der Einbauteile.

Eine weitere, anlagenunabhängige Möglichkeit, die Lebensdauer einer Anlage zu erhöhen, liegt in der Wahl der Emailsorte. Die bisher auf dem Markt eingeführten Emailsorten wurden hinsichtlich ihrer chemischen Widerstandsfähigkeit gegen Säuren und Laugen entwickelt. Widerstandsfähigkeit gegenüber Abrasion war kein Thema, es gibt diesbezüglich auch keine genormten Zielwerte wie bei der chemischen Korrosionsbeständigkeit, die zu entsprechenden, international genormten und akzeptierten Testverfahren und Messgrößen geführt hätten. Pfaudler hat in den letzten Jahren vermehrt Anstrengungen unternommen, die Abriebbeständigkeit einer Emailbeschichtung bei gleichzeitigem Beibehalten aller anderen Eigenschaften wie chemische Beständigkeit, Thermoschockbeständigkeit und elektrische Durchschlagfestigkeit zu erhöhen. Bisheriger Endpunkt dieser Entwicklung ist das ARG-Email (Abrasion Resistant Glass), das neben verbesserten chemischen Beständigkeiten im Laugenbereich eine ca. 20 % erhöhte Abrasionsbeständigkeit gegenüber dem Standardemail WWG besitzt. Tests bei Kunden ergaben, dass die Eigenschaften, die im Labor ermittelt wurden, auch in der Praxis erzielt werden. Die aktuellen Standzeiten von mit ARG-Email-beschichteten Anlagen scheinen höher auszufallen, als es die Testwerte aus den Laborversuchen extrapolieren ließen. Die Tabelle gibt den aktuellen Stand der Emaileigenschaften wieder. Die Ergebnisse der Abrasionsversuche beziehen sich auf eine werkseigene Testmethode, die speziell für diese Emailsorte entwickelt wurde. Alle weiteren Werte wurden entsprechend den international gültigen Normen ermittelt.

Online-Info www.cav.de/1010440