So legen Sie das Heiz- und Kühlsystem richtig aus

Energieeffizientes Temperieren von Rührbehältern

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In der pharmazeutischen Chemie gehört der Einsatz von Rührkesseln zum Alltag. Die prozesssichere Temperierung der Behälter stellt Betreiber allerdings vor einige Herausforderungen. Was man bei der Auslegung von Temperiersystemen beachten sollte und wie man es energieeffizient gestaltet, zeigt der Beitrag.

Bei der Temperierung von Rührkesseln hat sich in der Industrie mittlerweile die indirekte Beheizung und Kühlung durchgesetzt: Zwischen Produkt bzw. Verbraucher zirkuliert dabei ein flüssiger Wärmeträger im Kreislauf. Der typische Aufbau eines Temperiersystems besteht aus Umwälzpumpe, Erhitzer, Kühler, Tiefkühler, Ausdehnungsgefäß, Temperaturregler und Verbraucher. Für ein solches Temperiersystem existieren jedoch komplexe Anforderungen. Um eine gleichbleibende Qualität der Produkte zu gewährleisten, sollten örtliche Überhitzungen oder Unterkühlungen unbedingt vermieden werden. Thermisch induzierte Spannungen könnten ebenfalls negative Auswirkungen auf den Rührkessel haben, die über einstellbare Temperaturdifferenzen durch das Temperiersystem vermieden werden können. Im Sinne der Reproduzierbarkeit ist eine der wichtigsten Anforderungen die hochgenaue Regelbarkeit der Temperaturen. Oft werden Genauigkeiten von 0,5 K und besser gefordert. Diese Temperaturführung ist nur mit einem einheitlichen Wärmeträger zum Heizen, Kühlen und Tiefkühlen (Monofluidsystem) möglich.

Energieeffiziente Gestaltung

Vorhandene Primärenergien wie etwa Dampf, Kühlwasser oder Sole müssen genutzt und in einem solchen System effektiv integriert werden. Für eine Energieeinsparung sorgt die Verbundschaltung der Wärmeströme. Das schnelle Umschalten von Heizen auf Kühlen ist ebenfalls eine Grundvoraussetzung für den Einsatz eines Temperiersystems in der chemischen Reaktionstechnik. Dabei ist es besonders wichtig, dass die Anlage in der Lage ist, den gesamten benötigten Temperaturbereich nahtlos zu durchfahren. Ein geschlossenes Temperiersystem vermeidet zudem Korrosion und damit teure Stillstandszeiten für Wartung oder Reparatur. Die Wärmeträgerflüssigkeit dient als effektives Trennmittel zwischen Produkt und Umwelt, da es bei einem Durchbruch zu keinem Eintritt des Produktes in die Primärsysteme wie etwa Dampf und Kühlwasser kommt. Oftmals werden Thermalöle als Wärmeträger verwendet. Der Vorteil: Sie können in einem weiten Temperaturbereich nahezu drucklos betrieben werden.

Alle diese Anforderungen werden durch einen an primäre Energieschienen angeschlossenen Flüssigkeitskreislauf erfüllt, der sich als geschlossenes Temperiersystem hervorragend regeln lässt. Über die installierte Messtechnik kann zudem eine exakte Bilanzierung des Rührbehälters und der Primärenergien erfolgen. Somit ist eine besonders energieeffiziente Fahrweise möglich.

Für eine energieeffiziente Auslegung ist es wichtig, das Temperiersystem und den Rührbehälter optimal aufeinander abzustimmen. Hierzu werden die Aufheiz- und Abkühlkurven des Rührbehälters ermittelt.

Auswahl des Wärmeträgers

In diesem Zuge erfolgt auch die Auswahl des optimalen Wärmeträgers. Oft macht es Sinn, verschiedene Wärmeträger im kompletten Temperaturbereich miteinander zu vergleichen. Wie die beiden Abkühlkurven zeigen, können hier erhebliche Unterschiede bestehen: Beide Thermalöle sind für -20 °C freigeben, im ersten Fall wird bei der Abkühlung eine Produkttemperatur von 20 °C bereits nach drei Stunden erreicht, im zweiten Fall werden ganze sechs Stunden benötigt. Daher ist es von enormer Bedeutung, den Wärmeübergang zu optimieren. Auf der Mantelseite bieten sich dazu mehrere Möglichkeiten an. So sollte ein Wärmeträger ausgewählt werden, der die für den Prozess günstigeren Stoffeigenschaften besitzt. Die Verwendung von Strömungsdüsen unterstützt den Wärmeübergang ebenso wie aufgeschweißte Halbrohre oder der Einbau von Spiralleitblechen beim Doppelmantel.

Die aus den Heiz- und Kühlkurven ermittelten Heiz- und Kühlleistungen dienen als Grundlage für die Auslegung des Temperiersystems. Für eine hohe Regelgenauigkeit bieten sich Dreiwege-Regelventile an, die auch den schwierigen Teillastbereich sicher meistern. Die Auslegung der Umwälzpumpe erfolgt mit den maximalen Heiz-und Kühlleistungen, wobei für eine hohe Regelgenauigkeit der Produkttemperatur die Umwälzmenge anzuheben ist, um das Delta-T zwischen Manteleintritt und Mantelaustritt des Reaktors zu verringern.

Detailplanung mit Experten

Temperiersysteme für Rührbehälter verfügen über mehrere Funktionen. Neben der Möglichkeit der Vorlauftemperatur- und der Produkttemperaturregelung, kommt die Einstellung der maximalen Differenz zwischen Vorlauf- und Produkttemperatur – die Delta-T-Regelung – zum Tragen. Eine Emailleschutzfunktion sorgt dafür, dass zulässige Temperaturdifferenzen von Produkt und Wärmeträger nicht überschritten werden. Eine Funktion der Temperiersysteme ist es auch, die Heiz- und Kühlleistung zu bilanzieren, um so direkt wichtige Prozessdaten zu sammeln und die Prozessführung zu optimieren. Sollen große Temperaturschwankungen beim Umschalten von Heizen auf Kühlen und umgekehrt vermieden werden, empfiehlt es sich, den Temperaturregler des Temperiersystemes in der Programm- und Rampenfahrweise zu nutzen.

Geht es in die Detailplanung, sind weitere Punkte zu berücksichtigen. So ist etwa der Aufstellungsort (innen oder außen) ebenso ein Faktor wie auch die Entfernung zum Rührbehälter. Zudem muss der Arbeitstemperaturbereich von Wärmeträger und Produkt festgelegt, der optimale Wärmeträger ausgewählt und die gewünschten Heiz- und Kühlzeiten ermittelt werden. Hersteller von Temperiersystemen wie Lauda unterstützen mit ihrer Erfahrung bei sämtlichen Fragestellungen. Erfahrungsgemäß gleicht kein Projekt dem anderen.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: cav0519lauda


Autor: Frank Kufen

Projektleiter Heiz- und Kühlsysteme,

Lauda


Lauda-Sekundärkreisanlagen temperieren zuverlässig bis 400 °C und können an unternehmenseigene Primärenergien angeschlossen werden
Bild: Lauda

Energieeffizient:   Sekundärkreisanlagen

Für das Temperieren von Rührbehältern eignen sich Anlagen zur Nutzung von Primärenergie bestens. Heiz- und Kühlsysteme der Baureihe TR aus der Linie Sekundärkreisanlagen bestehen entweder aus einem oder aus mehreren Wärmetauschermodulen. Sie verfügen über direkte Medieneinkoppelung oder ein Elektroerhitzermodul. Die Zusatzbuchstaben, wie beispielsweise HKT, zeigen die Anzahl der Heiz- oder Kühlmodule sowie Temperierfunktionen an. Diese Anlagen erzeugen eine temperierte Flüssigkeitsströmung und werden als kompaktes, vollständig isoliertes, anschlussfertiges System mit Schaltschrank konzipiert und im Werk komplett vorgeprüft. Die Lauda-Anlagen temperieren von -150 bis +400 °C und nutzen Wasser, Wasser/Glykol, Thermalöl oder Sonderflüssigkeiten als Wärmeträger. Als Primärenergien eignen sich elektrische Energie, Dampf, Heißöl, Heißwasser, Luft, Kühlwasser, Sole, Kaltöl oder Stickstoff, die Energieübertragung erfolgt indirekt über Wärmetauscher oder Elektroerhitzer bzw. direkte Einkoppelung. Jede Anlage wird exakt nach den Wünschen der Anwender geplant und gebaut: prozessorientiert, maßgeschneidert und regelgenau, unter Erfüllung strenger Sicherheitsstandards.

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