Rührbehälter Enormes Energie-Einsparpotenzial bei Rührbehältern

Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Jürgen Reinemuth, Dipl.-Ing. Matthias Heinzmann /

In vielen Prozessen entscheiden die Verfahrensschritte Homogenisieren, Suspendieren oder Dispergieren im Rührbehälter über die Qualität und die Ausbeute des Endproduktes. Oft ist ein Rührbehälter rund um die Uhr in Betrieb, um den erforderlichen Ausstoß zu erzielen. Wenn es nun möglich ist, Energieverbrauch und Durchsatz dieser Komponente gezielt zu optimieren, kann die Leistungsfähigkeit der Gesamtanlage gesteigert und der CO2-Ausstoß gesenkt werden.

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Energie kann überall einge-spart werden – im Bild ein Polymerisationsbehälter. Vor allem die Stahlwandstärke und Emailschichtdicke haben einen enormen Einfluss auf den Wärmeleitwert. Bilder: Pfaudler Werke
Energie kann überall einge-spart werden – im Bild ein Polymerisationsbehälter. Vor allem die Stahlwandstärke und Emailschichtdicke haben einen enormen Einfluss auf den Wärmeleitwert. Bilder: Pfaudler Werke
( Archiv: Vogel Business Media )

Die meisten emaillierten Rührbehälter sind in Verfahren integriert, bei denen hochkorrosive Medien unter Temperatur und Druck verarbeitet werden müssen. Hier kommt es neben der chemischen Beständigkeit der Emaillierung auch auf die gute Reinigbarkeit an. Schließlich sind es die antiadhäsiven Eigenschaften der emaillierten Apparateoberfläche, die das Anhaften von Produkt an der Behälterwand wirkungsvoll verhindern.

Prozesse, die in den Rührbehältern ablaufen, sind häufig solche, bei denen es neben der optimalen Durchmischung von Reaktionskomponenten auch auf das Zu- bzw. Abführen von Wärmeenergie ankommt.

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Daher haben fast alle emaillierten Rührbehälter eine Ummantelung oder außen aufgebrachte Halbrohrschlangen. Mit einem geeigneten Heiz- oder Kühlmedium durchflossen, dienen sie der Aufheizung, Abkühlung oder Temperierung des Behälterinhaltes. Im Innern des Behälters befinden sich Rührwerk und Stromstörer, die für die notwendige Durchmischung sorgen sowie für die zum Wärmeübergang erforderliche Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Behälter. Außerdem können noch zusätzlich Messsonden zur Prozesszustands-überwachung, Tauch-, Einleit- oder Entnahmerohre eingebaut werden.

Systemanalyse und Leitbeispiel

Um neue Ansätze für eine energetische Optimierung von emaillierten Behältern zu finden, ist es zweckmäßig, sich die Energieflüsse in einem solchen System bewusst zu machen und diese hinsichtlich Relevanz und Größenordnung zu bewerten.

Für eine vergleichbare Basis der nachfolgenden Aussagen, wird ein Leitbeispiel verwendet. Dieses orientiert sich an einem charakteristischen verfahrenstechnischen Prozess, der in dieser oder vergleichbarer Form oft anzutreffen ist. Als verfahrenstechnische Aufgabenstellung wird das Erwärmen von 12,5 m3 30-prozentiger Schwefelsäure (H2SO4) von Raumtemperatur (20 °C) auf 120 °C angenommen. Bei dem Rührapparat handelt es sich um einen Rührbehälter BE12500 mit einem Rührwerk und zwei Stromstörern, emailliert nach EN 15159-1:2006. Variiert werden sollen in der weiteren Betrachtung ein Heiz-/Kühlkonzept (Mantel oder Halbrohrschlange), das Heiz-/Kühlmedium (Wasserdampf oder Wärmeträgeröl mit 160 °C), das Rührsystem und die Umgebungstemperatur.

Mechanische Leistung

Die mechanische Leistung wird hier im Wesentlichen durch das gewählte Rührorgan bestimmt. Für die im Leitbeispiel geforderte Rühraufgabe, eignet sich ein Turbofoil (TBF)-Rührer. Hierbei handelt es sich um ein vierflügeliges, axial förderndes Rührorgan mit einer Ne-Zahl von 0,42 bis 0,47 und einem Durchmesserverhältnis von 0,5. Die Leistungsaufnahme beträgt bei diesem Gerät etwa zehn Kilowatt. So können z.B. bei einer jährlichen Laufzeit von 8000 Stunden mehr als 40 Prozent Energie gegenüber dem oft verwendeten Retreat-Curved-Impeller(RCI)-Rührer eingespart werden. Genaue Leistungsdetails zu den Rührorganen erfahren Sie ebenfalls im Whitepaper „Energieeffiziente emaillierte Rührbehälter Teil 1“.

So wie die eingesetzten Antriebsleistungen verhalten sich auch die Verlustleistungen im Antriebsstrang. Geht man von den üblichen Wirkungsgraden von Motor, Riementrieb und Getriebe aus, ergibt das einen Verlust von etwa 16 Prozent der erforderlichen Leistung an der Rührerwelle. Hinzu kommt der Energieverlust an der Gleitringdichtung. Um die Verluste zu minimieren, sind verschiedene Maßnahmen möglich. Der Einsatz von optimal dimensionierten Elektromotoren mit höherer Energieeffizienz und drehzahlvariablen Antrieben beispielsweise. Oder die Verwendung effizienter Getriebekonzepte sowie das Senken der Verlustleistung im Dichtsystem. Auf diesem Wege können nochmals bis zu 50 Prozent Energie eingespart werden. Eine weitere Möglichkeit den Energiebedarf zu reduzieren, ist eine disziplinierte Pflege und Wartung. So sinkt z.B. der Wirkungsgrad eines Keilriemenantriebs drastisch, wenn die Riemenspannung nicht richtig eingestellt ist. Auch eine unzureichende Schmierung von Lagern und Getrieben resultiert nicht nur in höherem Verschleiß, sondern auch in höherer Reibung und damit zu größeren Verlusten.

Thermische Leistung

Ein ganz wesentlicher Faktor für die Energieeffizienz im emaillierten Rührbehälter ist die thermische Leistung. Auch hier können die Heizprozesse optimiert werden, beispielsweise durch die Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche mittels Mantelbehälter. Dabei ist der gesamte emaillierte Innenbehälter unterhalb des oberen Bodens mit einem Doppelmantel umgeben; je nach Apparategröße mit einem Abstand von 50 oder 70 Millimeter vom Innenbehälter. Geräte mit Halbrohrschlangen weisen prinzipbedingt eine geringere Wärmeaustauschfläche auf, wobei für den Flächenverlust der Abstand zwischen den einzelnen Windungen der Halbrohre maßgeblich ist.

Die Wärmeaustauschfläche des Behältervolumens verhält sich bei geometrischer Ähnlichkeit wie 1/L, wobei L eine charakteristische Länge ist. Das heißt, bei zunehmendem Apparatevolumen nimmt die zur Verfügung stehende Austauschfläche im Verhältnis 1/L ab. Je größer der Apparat dimensioniert ist, desto geringer ist die relative Wärmeaustauschfläche. Dementsprechend kann es bei einigen Prozessen zweckmäßig sein, die Wärmeaustauschfläche bezüglich des zu erwärmenden Volumens zu vergrößern, indem man zwei oder mehrere kleinere Apparate anstelle eines größeren Gerätes verwendet. Betrachtet man das Leitbeispiel und setzt statt des 12 500-Liter-Rührbehälters zwei Apparate mit 6300 Liter Volumen ein, so ergibt sich eine Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten um 1,5 Prozent, eine Verbesserung der Wärmeübertragungsfläche um 33 Prozent und eine Reduzierung der Batchdauer von 23 Prozent.

Minimieren der Wärmeverluste

Positiv beeinflusst wird der Heizprozess außerdem durch eine möglichst große absolute Temperaturdifferenz zwischen Heizmedium und Produkt, einem optimalen produktseitigen und maximalen mantelseitigen Wärmeübergangskoeffizienten sowie einem geringen Wärmeleitwiderstand der Behälterwand. Die absolute Temperaturdifferenz sollte nicht über 135 °C liegen. Weitere Ausführungen zur Verbesserung der Wärmeleistung im Whitepaper „Energieeffiziente emaillierte Rührbehälter Teil 2“.

Auch das Verhindern von Wärmeverlusten trägt ganz wesentlich dazu bei, Energie zu sparen. Hier bietet sich die Isolierung des Behälters an. Herstellerseitige Ausführungen haben sich in der Praxis bewährt, da alle Bereiche gut zugänglich sind und oft zügig und qualitativ hochwertig gearbeitet wird.

Die Ummantelung der Isolierung wird häufig mit Edelstahlblech ausgeführt, was den Apparat zusätzlich noch gegen Witterungseinflüsse schützt. Für das Leitbeispiel wurden verschiedene Isolationskonzepte durchgerechnet und deren Auswirkung auf die Wärmeverluste ermittelt. Allen Rechnungen liegt eine Raumtemperatur von 20 °C bei konvektivem Wärmefluss unter Vernachlässigung etwaiger Strahlungswärme zugrunde. Zunächst ist es sinnvoll, den zylindrischen Bereich sowie den unteren Behälterboden ausreichend zu isolieren. Das reduziert den Wärmeverlust des Gesamtbehälters von 42,4 KW auf 8,2 KW. Wird auch der obere Boden isoliert, kann der Verlust weiter verringert werden, sodass im Idealfall bei einem vollständig isolierten Rührbehälter die Wärmeverluste um 97 Prozent niedriger sind.

Bei einer Kosten-Nutzen-Betrachtung müssen allerdings der aktuelle Kilowatt-Preis, als auch die Kosten für die Isolierung berücksichtigt werden. Denn das Isolieren des oberen Bodens emaillierter Behälter ist aufgrund der komplizierten Geometrien sehr handarbeitsintensiv.

Mehr Informationen rund um das Thema Wärmeverluste und Kostenbetrachtung, sowie ein Vergleich zweier unterschiedlicher Rührbehälter finden Sie im dritten Teil des Whitepapers „Energieeffiziente emaillierte Rührbehälter“.

J.Reinemuth ist Technischer Leiter und M.Heinzmann ist Mitarbeiter im Bereich Anwendungstechnik bei Pfaudler Werke GmbH.

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