Wärmeübertragung in emaillierten Apparaten

Emaillierte Apparate werden aufgrund der hervorragenden Eigenschaften des Verbundwerkstoffs Stahl/ Email häufig in der chemischen und pharmazeutischen Industrie eingesetzt. Bei fast allen Reaktionsbehältern spielt die Wärmeübertragung zwischen dem emaillierten Innenkessel und dem äußeren Heiz-/ Kühlmantel eine wichtige Rolle für die optimale Produktqualität und einen wirtschaftlichen Prozessablauf.  Das Aufheizen, Abkühlen sowie Temperieren der Produkte im Behälter erfordert das Zu – bzw. Abführen von Reaktionswärme. Konstruktiv sind die Behälter daher mit einem Doppelmantel oder einer Habrohrschlange ausgerüstet. Entsprechende Anschlussstutzen ermöglichen das Zu - und Abführen eines Heiz – oder Kühlmediums. Für eine genaue Temperaturführung eignen sich Thermoöle, die in einer Heiz - / Kühleinheit je nach Prozessanforderungen temperiert werden. In der Praxis wird aber auch oft Dampf zum Heizen und Wasser zum Kühlen eingesetzt. 

Die übertragbare Wärmemenge durch eine emaillierte Wand wird ganz allgemein von der Wärmeaustauschfläche des Behälters, dem Wärmedurchgangskoeffizient durch die emaillierte Stahlwand und dem mittleren Temperaturgefälle zwischen Produkt und Mantelinhalt bestimmt. Der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient (k-Wert) ist abhängig von dem produkt- und mantelseitigen Wärmeübergangskoeffizient, der Wanddicke des Stahlbehälters, der Emailschichtdicke und der Wärmeleitfähigkeit der Werkstoffe Stahl und Email. Die Besonderheit bei emaillierten Apparaten liegt darin, dass die Wärmeleitfähigkeit der Stahlwand etwa 45-mal höher ist, als die der Emailschicht. Der k-Wert und damit die übertragbare Wärmemenge werden somit in hohem Maße durch die aufgebrachte Emailschicht begrenzt. Der Wärmeübergang auf der Produktseite kann durch den Einsatz geeigneter Rührsysteme optimiert werden. Verbesserungen des Wärmedurchgangskoeffizienten von bis zu 30% allein durch die richtige Auslegung des Rührsystems sind realistisch. Der Austausch des Rührsystems bietet auch bei älteren Apparaten eine einfache Möglichkeit den Wärmeübergang zu optimieren, Prozesszeiten zu verkürzen und Energie einzusparen.

Bei der Projektierung von emaillierten Behältern stellt sich oft die Frage, ob für eine effiziente Wärmeübertragung einem Behälter mit Halbrohrschlange der Vorzug gegenüber einem Behälter mit Doppelmantel zu geben ist. Das nun folgende Praxisbeispiel beleuchtet diese Frage vor dem Hintergrund eines großen Rührbehälters mit 55 Kubikmeter Inhalt, der zu 80% mit 20% - iger Salzsäure gefüllt ist. Der Doppelmantelbehälter hat fünf Mantelstutzen DN 80 mit Strömungsdüsen für die tangentiale Einleitung der Kühlflüssigkeit. Der Halbrohrschlangenbehäl­ter weist drei getrennte Sektionen auf, um durch kürzere Halbrohrlängen einem zu hohen Druckverlust entgegen zu wirken. Zuerst soll nun der Kühlvorgang mit Kühlwasser in beiden Behältern betrachtet werden. Legt man eine Durchflussmenge von 100 Kubikmeter Wasser pro Stunde zugrunde, liegt der Druckverlust im Halbrohrschlangenbehälter bei 1,1 bar gegenüber 0,3 bar im Doppelmantelbehälter. Der höhere Druckverlust erfordert dauerhaft eine deutlich höhere Leistung der Pumpen und damit, über die Lebensdauer gerechnet, einen sehr viel höheren Energiebedarf. Durch die unbeheizten Abstände zwischen den Halbrohrschlangen geht im Vergleich zum Doppelmantel eine Wärmeaustauschfläche in der Größenordnung von 30 % verloren. Betrachten wir nun zuerst den Wärmeübergangskoeffizienten an der Außenseite. Durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit liegt dieser beim Halbrohrschlangenbehälter mehr als doppelt so hoch wie beim Doppelmantelbehälter. Allerdings beeinflusst die Außenseite den Wärmedurchgangskoeffizienten (k-Wert) zwischen Produkt und Heiz-/Kühlmedium nur zu ca. 12%, während die Emailschicht einen Einfluss von fast 50% hat. Damit liegt der k-Wert beim Halbrohrschlangenbehälter in unserem Beispiel bei 447 W/(m2 K) und beim Doppelmantelbehälter bei 416 W/(m2 K). Der Unterschied ist so gering, dass sich die Kühlzeit zwischen beiden Behältertypen rechnerisch nur um nur zwei Minuten unterscheidet. Beim Heizen mit 160°C heißem Dampf zeigt sich ein ähnliches Bild. Der Wärmedurchgangskoeffizient beim Halbrohrschlangenbehälter liegt bei 453 W/(m2 K) gegenüber dem Doppelmantelbehälter mit 456 W/(m2 K). Die Zeit für das Aufheizen ist bei beiden Behältertypen rechnerisch gleich lang, weist also praktisch keinen Unterschied auf.

Das Beispiel zeigt, dass die Vorteile des Halbrohrschlangenbehälters bei der Wärmeübertragung nicht von reinen Stahlapparaten auf emaillierte Behälter übertragbar sind, da die Emailschicht im Wesentlichen den Wärmeübergang bestimmt. Der Einsatz eines Halbrohrschlangenbehälters ist daher von anderen Kriterien abhängig, wie z.B. sehr hohen erforderlichen Drücken auf der Heiz-/ Kühlseite oder einer notwendigen Trennung der Strömungsräume bei unverträglichen Heiz -/ Kühlmedien (zweigängige Halbrohrschlange). Der Doppelmantelbehälter bietet sich in vielen Fällen als die wirtschaftlichere und langlebigere Konstruktionsvariante an, insbesondere auch durch die Verwendung von Strömungsdüsen bei flüssigen Wärmeträgern. Neben den günstigeren Herstellkosten sorgt ein geringerer Druckverlust (= geringere erforderliche Pumpenleistung) im jahrelangen Betrieb für entsprechende Energieeinsparungen, die sich auch als Geldwert darstellen lassen. Bei entsprechender Fahrweise neigen Halbrohrschlangen nach einer gewissen Betriebsdauer zu Rissbildungen im Halbrohr, die zu Undichtigkeiten führen können und meist irreparabel sind. Die Lebensdauer ist dadurch oft kürzer als die des Doppelmantelbehälters.

Pfaudler unterstützt Sie gerne bei allen Themen rund um den Wärmeübergang an emaillierten Behältern. Durch den Einsatz von in der Praxis bewährten Berechnungsmethoden und computergestützte Prozesssimulationen (CFD) sind wir in der Lage verlässliche Aussagen zu treffen, die dem Anwender schon im Stadium der Projektierung eine hohe Prozesssicherheit geben. Zu unserer Kernkompetenz gehört auch die Auslegung der Rührwerke, die einen großen Einfluss auf den inneren Wärmeübergang im Behälter haben. Neben dem emaillierten Apparat bietet Pfaudler auch geeignete Heiz -/ Kühleinheiten an (Thermal Control Units, bekannt als TCU’s). Wir stellen unsere Dienstleistung natürlich auch im Servicebereich zur Verfügung, wenn es darum geht, alte Apparate durch Umrüstungen deutlich effizienter zu betreiben. Gerade in diesem Bereich lassen sich teilweise erhebliche Verbesserungspotentiale erzielen. Gerne betrachten wir Ihren individuellen Anwendungsfall und begleiten Sie von der Auslegung bis hin zur Lieferung und Montage der notwendigen Komponenten. Profitieren Sie von unserer mehr als hundertjährigen weltweiten Erfahrung mit einer Vielzahl von chemischen und pharmazeutischen Prozessanlagen. 

Contact Pfaudler today to learn more.