Anlagenbau & Prozesstechnik

Der Graphit-Plattenwärmetauscher im Detail

Vom Groben ins Feine

27.04.2017 -

Anhand eines Praxisbeispiels wird gezeigt, wie Anwender durch den Einsatz eines Graphit-Plattenwärmetauscher ihre Gesamtprozesse energetisch optimieren können.

Graphit verfügt über eine bis zu 8-mal höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl. Diese hervorragende Materialeigenschaft wird durch das verfahrenstechnisch optimierte  Plattenprofil des Plattenwärmetauschers noch zusätzlich unterstützt, wodurch dieser Wärmetauschertyp im Vergleich zu konventionellen Bauformen – wie einem Block- oder Rohrbündelwärmetauscher – eine bis zu 3-fach höhere Effizienz aufweist.

Ein Blick hinter die Kulissen:Der Apparateaufbau
Den Kern des Apparats stellt das Plattenpaket aus Apparatebaugraphit Diabon dar. Die Graphitplatten sind mit einem verfahrenstechnisch optimierten Design ausgestattet, welches die Turbulenz des durchströmenden Mediums erhöht und so zur Steigerung der Wärmeübertragung beiträgt.
Das Diabon Plattenpaket wird zwischen einer festen und einer beweglichen Stahlplatte mit Zugankern verspannt. Die Führung erfolgt durch eine obere und eine untere Stange aus Edelstahl, die mit der vorderen Gestellplatte fest verbunden ist. Die hintere Befestigung der beiden Führungsstangen erfolgt an einer Stützsäule, wodurch die Spannplatte nach Lösen der Zuganker frei bewegt werden kann. Diese konstruktive Ausführung ermöglicht es, an die Graphitplatten im installierten Zustand heranzukommen, ohne den Apparat komplett demontieren zu müssen.
Neben Graphit und Stahl werden beim Dia­bon Plattenwärmetauscher zudem Polyfluron (PTFE)-Komponenten zur Auskleidung der äußeren Stahlplatten eingesetzt. Diese Auskleidungen dienen dem Schutz der Stahlteile bei korrosiven Anwendungen.
Zur Abdichtung des Apparats wird eine ­PTFE-Dichtung verwendet, mit der beim Verspannen das Plattenpaket abgedichtet wird.

Das Herzstück des Apparats:Die Plattenmaterialien im Überblick
Die Platten des Plattenwärmetauschers können aus verschiedenen Apparatebaugraphit-Materialien hergestellt werden. Ganz grundsätzlich wird zwischen gefrästen Platten aus Diabon NS1 und NS2 und gepressten Platten aus dem Werkstoff Diabon F100 unterschieden.
Beim Werkstoff NS1 bzw. NS2 handelt es sich um einen kunstharzimprägnierten Feinkorngraphit mit homogener Materialstruktur und gleichmäßiger Porenverteilung. Die Poren des Graphits werden mit Kunstharz verschlossen, um einen gas- und flüssigkeitsdichten Werkstoff zu erzeugen. Der thermische Einsatzbereich für diesen Werkstoff liegt zwischen -10 und 220 °C.
Die zweite Materialgruppe F100 ist ein fluor­kunststoffgebundener, porenfreier Feinkorngraphit, bei dem die Graphitkörner homogen zwischen dem Kunststoff verteilt liegen. Der Werkstoff zeichnet sich durch eine antiadhäsive und porenfreie Oberfläche aus, wodurch sich in Kombination mit dem turbulenten Strömungsprofil der Platten eine sehr geringe Verschmutzungsneigung ergibt. Aufgrund des Kunststoffanteils in diesem Material liegt die max. Einsatzgrenze bei 120 °C.

Anpassungsfähigkeit ist gefragt: Die Baugrößen
Der Diabon Plattenwärmetauscher ist in vier standardisierten Baugrößen verfügbar. Diese können entsprechend der vorliegenden Prozessbedingungen hinsichtlich Volumenstrom, Druck und Temperatur ausgewählt werden. Durch die Möglichkeit, die Plattenanzahl bzw. die Anzahl der Durchgänge flexibel anzupassen, kann mit Hilfe dieses Apparats für nahezu jeden Anwendungsfall die entsprechende Kombinationsmöglichkeit passgenau ausgewählt werden.
Der modulare Aufbau des Plattenwärmetauschers ermöglicht eine Vielzahl von unterschiedlichen Konstellationen. Je nach verfahrensbedingten Anforderungen spielen neben einem möglichst effizienten Wärmedurchgang für die Auslegung des Plattenwärmetauschers weitere Aspekte, wie lokale Einbaubedingungen, Entleerbarkeit, Explosionsschutzrichtlinien, etc., eine Rolle.

Theorie trifft auf Praxis: Einsatzgebiete
Plattenwärmetauscher aus Apparatebaugraphit kommen für eine Vielzahl von Einsatzszenarien in Frage, bei denen Wärmeübertragungsaufgaben im Zusammenhang mit korrosiven Medien gefordert sind. Dabei reicht das Spektrum möglicher korrosiver Medien über:

  • Salzsäure und HCl-Gas in allen Konzentrationen
  • Schwefelsäure bis 70 % wt%
  • Fluss-Säure bis 60 % wt%
  • Mischsäuren (z. B. HF/HNO3)
  • Phosphorsäure in allen Konzentrationen
  • Sonstige organische und anorganische ­Medien

Als Zusammenfassung lässt sich feststellen, dass es für den Apparatebaugraphit erst richtig interessant wird, wenn andere Materialien, wie z. B. Edelstähle, hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit an ihre Grenzen stoßen.
Zu den Aufgaben, die der Plattenwärmetauscher übernehmen kann, gehören Funktionen wie Aufheizprozesse, bei denen z. B. eine Säure für den Folgeprozess vorgewärmt werden muss, bzw. die Abführung der Prozesswärme aus einer chemischen Reaktion. Zusätzlich eignen sich Plattenwärmetauscher aufgrund der konsequenten Gegenstromführung insbesondere auch als Rekuperatoren zur Rückgewinnung von Prozesswärme, was zur Senkung der Anlagenbetriebskosten beiträgt.

Werden wir konkret: Interchanger in Desorptionsanlagen
Das folgende Prozessbeispiel, in dem ein herkömmlicher Desorptionsprozess genauer betrachtet wird, veranschaulicht den Beitrag eines Plattenwärmetauschers zur Senkung der Betriebskosten.
Durch Destillation einer Salzsäurelösung (Zustrom) kann HCl-Gas als Brüdenprodukt sowie Schwachsäure als Sumpfprodukt gewonnen werden. In einer Desorptionskolonne wird dabei die Salzsäurelösung mittels eines Umlaufverdampfers zum Verdampfen gebracht und so das HCl-Gas von der Schwachsäure getrennt. Das heiße HCl-Gas wird anschließend durch partielle Kondensation in einem Kondensator sowie einem Gaskühler weiter aufkonzentriert. Das dabei anfallende Kondensat wird wieder zurück in die Desorptionskolonne geführt.
Das Sumpfprodukt (Schwachsäure) muss nach dem Austritt aus der Desorptionskolonne abgekühlt werden, bevor es z. B. in einem Tank gelagert werden kann. Zur Minimierung des Dampf- und Kühlwasserverbrauchs für den Desorptionsprozess kann diese thermische Energie zum Vorwärmen des Zustroms durch den zusätzlichen Einsatz eines so genannten Temperaturwechslers in Form eines Diabon Plattenwärmetauschers genutzt werden.
Durch den zusätzlichen Einbau des Diabon Plattenwärmetauschers wird die Eintritts­temperatur des Zustroms in die Kolonne erhöht, wodurch sich der Dampfverbrauch im Umlaufverdampfer deutlich reduziert. Zugleich wird die Schwachsäure, das Sumpfprodukt der Kolonne, im Temperaturwechsler bereits vorgekühlt, wodurch im Kühler eine geringere Kühlwassermenge erforderlich ist. Dank dieser Prozessoptimierung reduziert sich der Dampf- und Kühlwasserverbrauch und führt zu einer Reduzierung der Apparategröße für Kühler und Verdampfer.
Mit einem Diabon Plattenwärmetauscher der SGL Group ist es möglich, die beiden Prozessmedien im Gegenstrom zu führen, wodurch er sich für diese Anwendung ideal eignet. Die dadurch möglichen engeren Temperaturdifferenzen im Wärmetauscher führen zu einer äußerst effizienten Wärmeübertragung. Ein weiterer Grund für die Wahl des Diabon Platten­wärmetauschers ist die Möglichkeit, diesen ohne weiteren konstruktiven Aufwand zur Wärmeübertragung zwischen zwei korrosiven Medien einzusetzen.

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