Kühlen und Erhitzen von Schüttgütern

Reinhard Ernst, Dr. Bernhard Stark

In vielen Aufbereitungsprozessen sind pulverförmige oder granuläre Produkte thermisch zu behandeln. Oft ist innerhalb des Produktionsprozesses eine Erhitzung erforderlich, beispielsweise zur Entgasung, Trocknung von innerer oder äußerer Feuchtigkeit, Verhinderung von Kondensation oder Vorbereitung für die thermische Weiterverarbeitung. Eine Abkühlung kann notwendig werden, wenn die Weiterverarbeitung auf niedriger Temperatur stattfinden muss.

Es gibt unterschiedliche technische Lösungen, Schüttgüter thermisch zu behandeln. Dabei sind direkte und indirekte Verfahren zu unterscheiden. Bei den direkten Verfahren wird das zu behandelnde Schüttgut unmittelbar von Luft oder Gas als Wärmeträgermedium umströmt. Hierzu dienen mit Belüftungsvorrichtungen versehene Silos oder entsprechend ausgerüstete Schacht-, Trommel- und Fließbettapparate. Die mit einer Gasströmung arbeitenden direkten Verfahren sind ideal, wenn der Vorgang zur Abtrennung größerer Mengen eines flüchtigen Stoffes dient, also zum Trocknen, da mit dem Gasstrom die abzutrennenden Moleküle abgeführt werden können. Fließbettkühler/-erhitzer eignen sich auch besonders für schwer fließende Produkte, da der Gasstrom diese auflockert und handhabbar macht. Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass neben dem Schüttgut auch das Gas bewegt werden muss. Da Gase eine geringe Wärmekapazität aufweisen, sind hier verhältnismäßig große Volumenströme erforderlich.

Bei den indirekten Verfahren findet ein Wärmeaustausch über eine Trennwand hinweg statt, wobei Wasser, Öl oder Dampf als Wärmeträger dienen. Wenn frei fließende Produkte geheizt oder gekühlt werden müssen und der Prozess kontinuierlich abläuft, ist ein Wärmetauscher im Vorteil gegenüber den direkten Verfahren. Da keine bewegten Teile vorhanden sind, sind der Wartungsaufwand vergleichsweise gering und die Ausfallgefahr minimal. Wärmetauscher eignen sich auch besonders gut für eine inerte Prozessführung, da der Apparat nur mit einer geringen Menge des Inertgases, meist Stickstoff, überlagert werden muss. Erwähnenswert ist schließlich noch die einfache Steuerung eines Wärmetauschers, da neben der Temperaturregelung nur noch eine Kontrolle des Füllstandes bei kontinuierlichem Betrieb benötigt wird.

Eine konsequente Anwendung dieser Vorteile findet sich in dem von Coperion Waeschle entwickelten Schüttgutwärmetauscher Bulk-X-Change. Der Rohrbündelwärmetauscher ist zum Erhitzen und Kühlen frei fließender, nicht anbackender Pulver und Granulate geeignet. Das Schüttgut fließt schwerkraftgetrieben von oben nach unten durch senkrecht stehende Rohre, während das Wärmeträgerfluid die Rohre im Mantel umströmt. Eine durch Füllstandskontrolle geregelte Schüttgutüberlagerung stellt sicher, dass jedes Rohr vollständig befüllt wird. Eine Zellenradschleuse trägt den Schüttgutstrom kontrolliert aus. Die vorgesehenen Baugrößen des Bulk-X-Change decken einen Leistungsbereich von wenigen 100 kg/h bis ca. 150 t/h bei Kunststoffen ab. Bei schweren Produkten wie Düngemittel ist die Tonnage entsprechend höher.

Der Rohrbündelwärmetauscher zeichnet sich durch eine besonders effiziente Wärmeübertragung aus. Die dichte Packung schlanker Rohre führt zur höchsten spezifischen Wärmeübertragungsfläche unter allen Schüttgutwärmetauschern. Über den Umfang eines runden Rohres fließt die Wärme radial nach allen Seiten. Mittels Leitblechen wird im Mantelraum das Fluid im Kreuz-Gegenstrom geführt. Damit lässt sich eine gleichmäßige Wirkung über den gesamten Querschnitt und eine effiziente Ausnutzung der Bauhöhe des Rohrbündels gewährleisten. Mit Hilfe von Innenrippenrohren wird der Wärmeübergang vom Schüttgut an die Rohrwand, speziell bei freifließenden Pulvern, noch weiter gesteigert.

Ein weiteres wesentliches Merkmal des Schüttgutwärmetauschers Bulk-X-Change ist die spezielle Produktzuführung oberhalb des Rohrbündels über eine spezielle Produktverteilerplatte. Der Einlauf in jedes Rohr ist aus der Platte als Trichter herausgearbeitet und so angeordnet, dass zwischen zwei Trichtern keine horizontale Fläche stehen bleibt. Dadurch ist gewährleistet, dass das Produkt gleichmäßig allen Rohren zugeführt wird und eine gleichmäßige Verweilzeit erfährt. Die Entleerung des Wärmetauschers erfolgt rückstandsfrei, da kein Produkt auf der Verteilerplatte liegen bleiben kann.

Der sehr gute Wärmeübergang und die bauartbedingte große Wärmeübertragungsfläche führen zu einer sehr kompakten Bauweise des Wärmetauschers. Im Vergleich zu anderen Bauarten von Kontaktwärmetauschern bietet Bulk-X-Change darüber hinaus noch einige zusätzliche Vorteile. Die produktdurchströmten glatten Rohre können mit üblichen Bürsten oder einer dampf-/wasserbetriebenen Zugdüse sehr einfach gereinigt werden. Der Rohrbündelwärmetauscher kann auch sehr einfach in den Rohren gewaschen oder mit Wasser geflutet werden. Bei abgenommenem Kopfteil ist der gesamte produktberührte Bereich vollkommen einsehbar und damit kontrollierbar. Die runde Bauform ermöglicht eine druckfeste Ausführung. Der Rohrbündelwärmetauscher ist somit auch in Prozessen unter Vakuum oder Überdruck einsetzbar. Darüber hinaus kann Bulk-X-Change auch im Hochtemperaturbereich Verwendung finden. Hierzu wird dann der Mantel mit einem Kompensator ausgestattet, um Wärmespannungen auszugleichen.

Der Produktfluss im Rohrbündelwärmetauscher findet bei sehr langsamer Geschwindigkeit und unter sehr niedrigem Produktdruck statt. Damit ist die mechanische Beanspruchung der Schüttgutkörner sehr gering. Dies hat zur Folge, dass so gut wie keine Kornzerstörung stattfindet, beziehungsweise kein Produktabrieb anfällt. Damit eignet sich das Verfahren besonders für bruch- und abriebempfindliche Produkte, wie zum Beispiel sprühgetrocknete Pulver. Aufgrund der geringen Fließgeschwindigkeit in den Rohren kann der Rohrbündelwärmetauscher auch für schleißende Schüttgüter verwendet werden. Bulk-X-Change lässt sich darüber hinaus auch als Trockner für geringe innere und äußere Feuchtigkeitsmengen einsetzen. Hierbei wird zum Abtransport der Feuchtigkeit zusätzlich Gas in den Pro-duktraum eingeblasen, das mit geringer Geschwindigkeit gegen den Schüttgutstrom in den Rohren aufsteigt.

Der Schüttgutwärmetauscher wird üblicherweise im Schwerkraftfluss eines Prozesses oder im Zulaufbereich einer pneumatischen Förderung installiert. Wenn an der Austragsschleuse eine Druckdifferenz und damit Leckluft auftritt, muss oberhalb der Schleuse eine Leckluftabführung ins-talliert werden, damit keine unkontrollierte Gegenströmung in den Wärmetauscher hinein stattfindet. Eine sehr interessante Variante ist die Integration des Wärmetauschers in einer pneumatischen Förderleitung. Das Kopfteil des Wärmetauschers ist dann als Abscheider ausgebildet, in den die pneumatische Förderleitung eintritt. Eine Überströmöffnung führt in eine Bypassleitung, durch die die Förderluft und eine Restmenge von Fördergut um den Wärmetauscher herum strömen. Die Hauptmenge des Fördergutes läuft im Schwerkraftfluss durch das Rohrbündel hindurch und wird erhitzt oder gekühlt. Unterhalb der Austragsschleuse mündet der Fördergasstrom wieder in die Hauptleitung ein und nimmt den Produktstrom wieder auf. Der Bypass ist großzügig dimensioniert, so dass sein Druckverlust vernachlässigbar ist. Die Drehzahl der Austragsschleuse wird so eingestellt, dass ihre Leistung etwas niedriger als die Gesamtfördermenge ist.

Im Technikum von Coperion Waeschle wurde ein eigener Versuchsstand eingerichtet, in dem sowohl Heiz- als auch Kühlversuche mit Schüttgütern durchgeführt werden können. Der Durchsatzbereich des Technikumsgerätes liegt bei wenigen 100 kg/h bis hin zu circa 2 t/h. Der Versuchsstand ist mobil und kann auch bei Kunden vor Ort aufgebaut werden, um Schüttgüter unter Produktionsbedingungen testen zu können.

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Weitere Informationen zu den Schüttgutkomponenten

Berechnungsprogramm für die Auslegung von pneumatischen Förderungen

Schüttgutportal

Fachmesse Powtech 2005