Technisches Email meistert den Wärmeübergang

Autor Mirko Langer Abteilung Emailtechnologie, Thaletec

Der Trend bei Chemieanlagen geht dahin, Single-Purpose-Anlagen durch Multi-Purpose-Anlagen zu ersetzen. Für den Korrosionsschutz heißt das, dass die Anforderungen durch wechselnde Medien und sich ändernde Prozessparameter weiter steigen. Die Bandbreite an geeigneten Werkstoffen für den Apparatebau, die neben Stabilität und Integrität auch einen zufriedenstellenden Korrosionsschutz liefern, wird damit weiter eingeschränkt. Die technische Emaillierung gehört zu den wenigen Alternativen, die den rauen Bedingungen auch dauerhaft standhalten. Vor über 170 Jahren entwickelt, wurde ihr Einsatzbereich Anfang des 20. Jahrhunderts mit der Grobblechemaillierung auf verfahrenstechnische Apparate erweitert. Heute können Apparate mit Stahlwandstärken von bis zu 35 mm mit einer porenfreien Emailschicht von 1,0 bis 2,2 mm (DIN EN ISO 28721-1) überzogen werden.

Ein Anbieter in diesem Bereich ist Thaletec. Das Unternehmen baut emaillierte Apparate bis zu einer Größe von 100 000 l und entsprechende Einbauteile und Zubehör für eine Vielzahl von Anwendungen. Für ganz besondere Einsatzzwecke kann auf spezialisiertes technisches Email zurückgegriffen werden, das beispielsweise mit einer deutlich erhöhten Abrasionsbeständigkeit oder sogar elektrischer Leitfähigkeit aufwartet.

Trotz der Vielseitigkeit und der herausragenden chemischen Beständigkeit von technischem Email gibt es mit dessen relativ geringer Wärmeleitfähigkeit auch einen Wermutstropfen. Da es vor allem bei kinetisch geführten chemischen Verfahren entscheidend darauf ankommt, die Temperatur als Prozessgröße genau zu kontrollieren, muss die Temperaur in den Reaktoren ohne lange Ansprechzeiten und große Zeitverzögerung gemessen werden können. Dieser Herausforderung hat sich Thaletec gestellt und eine Vielzahl an Temperaturmesssystemen entwickelt. Das neueste dieser Messsysteme ist das Quicktip-System. Quicktip ermöglicht eine kontinuierliche Inline-Temperaturmessung genau dort, wo es darauf ankommt – im Prozessraum. Dabei ist es gelungen, die Ansprechzeit gegenüber bisherigen Temperaturmesssystemen für emaillierte Apparate deutlich zu steigern, ohne die Korrosionsbeständigkeit zu gefährden. Das Quicktip-System ist standardmäßig mit einem Pt100-Sensor ausgerüstet, der über einen Messumformer angeschlossen ist und als Tandemlösung darüber hinaus Redundanz und somit ein Höchstmaß an Sicherheit ermöglicht.

Der Verlauf der Temperatur eines Quicktip-Temperatursensors (Bild 1) lässt deutlich erkennen, dass eine signifikant schnellere Reaktionszeit für die Temperaturmessung realisiert wurde als dies bei konventioneller Technik der Fall ist. Zum Vergleich zeigt die gestrichelte schwarze Kurve den Temperaturverlauf für die Messungen mit einem herkömmlichen TS-Messsystem. In dem eingefügten Diagramm ist die relative Temperaturentwicklung beider Messsysteme dargestellt. Zusätzlich wurde eine horizontale Linie für den 90-%-Wert eingezeichnet, der als übliches Kriterium zur Beurteilung der Ansprechzeit herangezogen wird. Dabei zeigt sich, dass das Quicktip-System bereits bedeutend weniger als zwei Minuten für das Erreichen des 90-%-Kriteriums benötigt. Genau sind es in dem Fall 86 s.

In Bild 2 ist eine Quicktip-Messspitze am unteren Ende eines Stromstörers zu sehen. Sie ist mit einem gelb eingefärbten, hochbeständigen Email emailliert, um darauf hinzuweisen, dass am Quicktip eine verringerte Schichtdicke vorliegt und daher eine Prüfung mit Hochspannung, dem sogenannten Pinhole-Test, ohne die Beschädigung des Emails zu riskieren, nicht zweckmäßig ist. Neben der hier gezeigten typischen Positionierung der Quicktip-Messspitze am Ende eines Stromstörers sind auch Installationen an weiteren Positionen möglich.

In vielen Fällen ist eine zügige Ansprechzeit von zweitrangiger Bedeutung und es kommt mehr auf die korrekte Messung der Temperatur an. Auch dies ist mit dem Quicktip-System garantiert. Häufig laufen jedoch stark exotherme Reaktionen ab, beispielsweise bei Polymerisationsreaktion, für die emaillierte Apparate aufgrund ihrer geringen Anhaftung und guten Reinigungsmöglichkeit gern eingesetzt werden. Diese machen es erforderlich, die Temperatur korrekt und besonders schnell zu messen, um der Gefahr eines durchgehenden Reaktors vorzubeugen und die Ausbeuten zu optimieren.

Nicht nur dann, wenn eine Reaktion extrem exotherm ist, ist es wichtig, Energie in Form von Wärme schnell und effektiv von den Reaktionen abzuführen. Speziell für solche Anwendungen haben Thaletec-Ingenieure den Powerbaffle entwickelt. Dabei ist es gelungen, ein hoch effizientes Konzept zum Wärmeaustausch in korrosiven Anwendungen mit der Funktion eines Stromstörers in einem Bauteil zu kombinieren. Aufgrund des Bündels an Einzelrohren steigt die Wärmeaustauschfläche mit zunehmender Behälter- und somit auch die Powerbaffle-Größe auf ein Vielfaches der normalen Wärmeaustauschfläche. Infolge des großen Querschnitts ist im Rührprozess zusätzlich eine gute Störwirkung gewährleistet. Die Messung der Temperatur mithilfe einer integrierten Quicktip-Messspitze ist ebenfalls bereits integriert. In Bild 3 ist die Entwicklung der Wärmeaustauschfläche als Funktion der Apparategröße im Diagramm dargestellt. Die schematische Darstellung in Bild 4 verdeutlicht, dass es nur eines Apparatestutzens bedarf, um Störwirkung, Wärmeaustausch und Temperaturmessung zu realisieren.

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