CHEMIE 22. Jun 2017 Ralph H. Ahrens

Wärmeübertrager für korrosive Stoffe

Wer bei aggressiven Säuren die Prozesswärme zurückgewinnen will, setzt auf Wärmeübertrager aus Graphit der SGL Group.

Simone Bairlein und Stefan Fischer sind beide Produktmanager bei SGL am Standort Meitingen bei Augsburg.
Foto: SGL Group

Wie sich Koks und Pech veredeln lassen, wissen die Experten bei der SGL Group, einem der weltweit führenden Hersteller von Produkten aus Carbon. Sie fertigen daraus hochwertigen Graphit. Daraus entstehen z. B. Wärmeübertrager, die selbst hoch korrosiven Flüssigkeiten und Gasen standhalten. Eingesetzt werden die Wärmetauscher als Heizer, Kühler, Kondensator und zur Wärmerückgewinnung. Chemiebetriebe verwenden sie beispielsweise, wenn sie aggressive Stoffe wie Fluss-, Phosphor- oder Schwefelsäure herstellen oder in hohen Konzentrationen einsetzen und dabei gleichzeitig vorhandene Wärme nutzen wollen.

Die SGL Group

mit Hauptsitz in Wiesbaden ist ein weltweit führender Hersteller von Produkten aus Carbon.
verfügt über 33 Produktionsstandorte in Europa, Nordamerika und Asien sowie ein Servicenetz in über 100 Ländern.
erwirtschaftete im Jahr 2016 mit rund 4000 Mitarbeitern einen Umsatz von 769,8 Mio. €.ber

Die Reststoffe aus Kokereien und Raffinerien – Pech und Koks – werden bei Temperaturen von bis zu 3000 °C behandelt. Bei dieser „Graphitierung“ werden nahezu alle Atome – Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff – als Gas entfernt. Zurück bleibt grauschwarzes metallglänzendes Graphit, das zu mehr als 99 % aus Kohlenstoff besteht.

Seit den 1950er-Jahren sind die Wiesbadener im Bereich Wärmeaustausch tätig. „Die Wärmeübertrager werden stets weiterentwickelt, um den ständig steigenden Marktanforderungen gerecht zu werden“, betont Simone Bairlein, Produktmanagerin für Apparate für korrosive Anwendungen am Standort Meitingen bei Augsburg. Erst im vergangenen Jahr gelang es Fachleuten der Firma, die Temperaturstabilität eines Graphits durch eine verbesserte Imprägnierung noch zu erhöhen.

„Wärmetauscher aus Graphit haben Vorteile“, weiß die Verfahrenstechnikerin Bairlein. Graphit leitet Wärme etwa achtmal so gut wie Stahl. Der Wärmetransport pro Zeit wird als Wärmeleitfähigkeit mal Querschnittsfläche pro Dicke der Platte und Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Seite beschrieben. So liegt die Wärmeleitfähigkeit von Graphit bei etwa 120 W/mK, die von Stahl nur bei 15 W/mK. Bei gleichen Abmessungen transportiert Graphit also deutlich mehr Wärme als Stahl.

Graphit sei zudem leicht zu verarbeiten und korrosionsbeständig, ergänzt Bairlein. „Dort, wo herkömmliche Materialen wie Edelstähle an ihre Grenzen stoßen, fängt es für unseren Graphit an, interessant zu werden.“

Die Gründe für die chemische Stabilität lägen im atomaren Bereich, erklärt Stefan Fischer, Produktmanager am Standort Meitingen. Graphit besteht aus parallelen Schichten; innerhalb einer Schicht sind die chemischen Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen so stabil, dass weder Fluss-, Phosphor-, Salz- oder Schwefelsäure noch Natronlauge mit dieser Kohlenstoffvariante reagieren.

Damit Gase und Flüssigkeiten nicht in die Poren des Graphit eindringen können, wird er bei SGL mit Phenolharzen, Polytetrafluorethen (PTFE) oder einem Perfluoralkoxy-Polymer (PFA) imprägniert. „Es entsteht jeweils ein geschlossenes Netzwerk aus Graphit ohne offene Porosität mit herausragender Wärmeleitfähigkeit“, sagt Fischer. Ist der Graphit erst imprägniert, spricht der Physiker von Apparategraphit. Der Polymeranteil liegt zwischen 10 % und 20 %.

Die Imprägnierung aber hat Nachteile: Während Graphit bis über 2000 °C stabil ist, ist Apparategraphit je nach Imprägnierung nur bis 140 °C, manchmal noch bis 220 °C einsetzbar. Zudem werden Phenolharze von konzentrierter Flusssäure und Natronlauge angegriffen. PTFE hingegen ist beständig gegenüber der Lauge.

Insgesamt haben die Graphitspezialisten für die Wärmeübertrager sechs Kombinationen aus Graphit und Imprägnierung im Angebot. Sie sind auf unterschiedliche Anwendungen hin optimiert. Zwei Beispiele:

Das Material Diabon NS2 ist am temperaturbeständigsten. Es zeichnet sich durch wenige Poren aus, weshalb es kaum mit Phenolharz imprägniert werden muss. Der Harzanteil liegt bei 12 %. Dieses Material ist auch gegenüber Fluss- und Schwefelsäure beständiger als etwa Diabon NS1, das mehr Poren und einen Polymeranteil von etwa 18 % aufweist.

Das Material F 100 ist chemisch am stabilsten. Weder Fluss- und Salpetersäure noch Beizbäder können ihm etwas anhaben. Dazu vermischt SGL Graphit mit PFA. Aufgrund des Fluorpolymers ist das Material allerdings nur bis 140 °C stabil.

Auch die Wärmetauscher per se haben sich in ihrem Aufbau über die Jahre verändert. Die neueste Entwicklung sind Plattenwärmeübertrager. Diese sind kompakter, effizienter und flexibler einsetzbar als die klassischen Block- und Rohrbündelwärmetauscher und auch als die Nut-Wärmetauscher, die als einzige ohne Dichtung auskommen.

„Wir sind die weltweit einzige Firma, die Plattenwärmeübertrager aus Graphit herstellt“, betont Bairlein. Graphitplatten werden dabei fest zwischen Stahlplatten eingespannt. Die Platten zeichnen sich zudem durch eine wellenförmige Vertiefung aus. „Dadurch entsteht in der vorbeiströmenden Flüssigkeit bereits bei geringeren Fließgeschwindigkeiten eine turbulente Strömung“, erklärt Fischer. Diese verbessert den Kontakt zwischen Flüssigkeit und Graphit, sodass sich Wärme zwei- bis viermal besser als bei Block- und Rohrbündelwärmetauschern übertragen lässt. Die Wärmeübertrager benötigen deshalb bei gleicher Leistung bis zu 75 % weniger Platz und können auch relativ geringere Temperaturunterschiede zur Wärmerückgewinnung nutzen.

Ein Praxisbeispiel: Mit dem größten Plattenwärmetauscher wärmt eine Chemiefirma große Mengen einer 20 °C kalten Säure mit 80 °C warmem Prozesswasser auf 59 °C auf. „Wirtschaftlich lohnt sich das“, weiß Fischer. Das Unternehmen spare durch den effizienten Plattenwärmetauscher jährlich rund 100 000 € an Dampfkosten sowie weitere 4000 € an Stromkosten für Pumpleistung aufgrund des geringen Druckabfalls.

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