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Schüttgutwärmetauscher Praxiseinsatz eines speziellen Schüttgutwärmetauschers in der Zuckerindustrie

Autor / Redakteur: Dr. B. Stark, O. Hustert, G. Schrevel, L. Philippart, Dr. F. Ißle, Dr. S. Frenzel / Anke Geipel-Kern

Südzucker entschloss sich im Herbst vergangenen Jahres, in einem Dauertest den Schüttgutwärmetauscher Bulk-X-Change von Coperion Waeschle auf Herz und Nieren zu prüfen. Dazu wurde in der Zuckerfabrik von Brugelette dieser Schüttgutwärmetauscher parallel zu dem vorhandenen Plattenwärmetauscher eingebaut, um vergleichende Untersuchungen unter industriellen Bedingungen durchführen zu können.

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Bild 1: Installation des Schüttgutwärmetauschers zur Kühlung von Kristallzucker in der Anlage Brugelette vor Beginn der Kampagne.
Bild 1: Installation des Schüttgutwärmetauschers zur Kühlung von Kristallzucker in der Anlage Brugelette vor Beginn der Kampagne.
( Bild: Coperion Waeschle )

Weißer Kristallzucker neigt insbesondere, wenn er bei zu hohen Temperaturen und mit zu hoher Feuchtigkeit gelagert wird, zum Verbacken in Lagersilos. Daher ist es notwendig, den Kristallzucker nach der Zentrifugalentwässerung weiter zu trocknen und zu kühlen. Dies geschieht heute in der Zuckerindustrie in der Regel mit Trommeltrocknern. In vielen Anlagen sind diese Trockner aufgrund von Leistungssteigerungen jedoch überlastet. Diese Überlastung führt dazu, dass der Kristallzucker am Austritt aus dem Trommeltrockner eine höhere Feuchtigkeit sowie höhere Temperatur aufweist, was seine Lagerfähigkeit verschlechtert. Der Zucker kann dann mit einem nachträglich installierten statischen Plattenkühler durch indirekten Wärmeaustausch in einem zweiten Schritt auf Temperaturen von etwa 30 °C heruntergekühlt werden, um eine problemlose Lagerung zu gewährleisten.

Ein solcher Plattenwärmetauscher ist in einem Werk der zur Südzucker-Gruppe gehörenden Raffinerie Tirlemontoise in Brugelette, Belgien, installiert. Aus verschiedenen Gründen ist die Zuckerindustrie auf der Suche nach Alternativen zu diesem Gerät. Daher entschloss sich Südzucker im Herbst vergangenen Jahres zu einem Dauertest des Schüttgutwärmetauschers Bulk-X-Change von Coperion Waeschle. Dazu wurde in der Zuckerfabrik von Brugelette der Schüttgutwärmetauscher parallel zu dem vorhandenen Plattenwärmetauscher eingebaut, um vergleichende Untersuchungen unter industriellen Bedingungen durchführen zu können.

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Das Funktionsprinzip des Schüttgutwärmetauschers Bulk-X-Change

Im Schüttgutwärmetauscher Bulk-X-Change fließt der Kristallzucker langsam und somit schonend schwerkraftgetrieben von oben nach unten durch senkrecht stehende Rohre, während das Kühlwasser die Rohre im Mantel umströmt. Ein Austragsorgan – in der Regel eine Zellenradschleuse, eine Schnecke oder ein Förderband – trägt den Schüttgutstrom kontrolliert aus.

Ein wesentliches Merkmal des Schüttgutwärmetauschers ist die spezielle Produktzuführung in die Rohre. Jedes Rohr hat einen trichterförmigen Einlauf, und die Rohre sind so angeordnet, dass zwischen den Trichtern keine horizontalen Flächen stehen bleiben, die Produktablagerungen begünstigen würden. Somit ist sichergestellt, dass das Produkt überall gleichmäßig den Rohren zufließt.

Bei Einsatz einer Zellenradschleuse als druckdichtes Organ besteht weiterhin die Möglichkeit, in den Austragskonus des Schüttgutwärmetauschers Luft einzublasen, die sich gleichmäßig im Konus verteilt und dem Schüttgutstrom in den Rohren entgegengerichtet nach oben strömt. Hierdurch kann vorhandene Restfeuchte des Schüttgutes schon im Produktpuffer oberhalb des Wärmetauscherbereiches entfernt und somit die Kondensation von Feuchtigkeit an den Wänden des Wärmetauschers verhindert werden. Zudem wird der Wärmeübergang durch die Gasgegenströmung im Wärmetauscher signifikant verbessert.

Aufbau der Versuchsanlage

Bild 1 zeigt die Installation des Bulk-X-Change parallel zum existierenden Plattenwärmetauscher. Der parallele Einbau wurde so realisiert, dass beide Kühler unter absolut gleichen Bedingungen getestet werden konnten. So wurde mithilfe eines Überlaufes am Eintritt in den Plattenwärmetauscher der Kristallzucker in den Abzweig bzw. Bypass abgezogen, um den Schüttgutwärmetauscher damit zu versorgen. Eine Zellenradschleuse unterhalb des Schüttgutwärmetauschers mit variabler Drehzahl ergab zudem die Möglichkeit, den Durchsatz zu variieren. Somit konnten verschiedene Verweilzeiten im Schüttgutwärmetauscher realisiert werden, um die Energiebilanzen bei verschiedenen Austrittstemperaturen zu ermitteln.

Für den langfristigen Versuch wurde der Durchsatz an Kristallzucker so eingestellt, dass die gleiche Temperatur des Kristallzuckers sowohl am Austritt des Bulk-X-Change als auch am Plattenwärmetauscher erzielt wurde. Das Kühlwasser wurde vor dem Eintritt in den Plattenwärmetauscher für den Schüttgutwärmetauscher abgezweigt, um beide Wärmetauscher im Betrieb bei gleichen Kühlwassertemperaturen vergleichen zu können. Über ein Fallrohr wurde der Kristallzucker dann in die darunter liegende Siebmaschine abgeworfen. Unter der Zellenradschleuse konnte über einen flexiblen Schlauch von Zeit zu Zeit Kristallzucker in einen Eimer abgelassen werden. Während der Befüllung des Eimers wurde die Zeit gestoppt und so der Zucker-Massenstrom durch den Schüttgutwärmetauscher bestimmt.

Weiterhin wurden die Ein- und Austrittstemperaturen im Kristallzucker oberhalb und unterhalb des Schüttgutwärmetauschers gemessen. Der Kühlwasserstrom durch den Schüttgutwärmetauscher sowie die Kühlwasserein- und austrittstemperatur wurden erfasst, um auch kühlwasserseitig die Enthalpiebilanz berechnen zu können.

Die Wärmekapazität des Kristallzuckers wurde mittels DSC-Messung (Kalorimeter) ermittelt. Somit stehen auch für die Energiebilanz auf der Schüttgutseite alle notwendigen Daten zur Verfügung.

Bei dem Versuchsprodukt handelte es sich um weißen Kristallzucker mit folgenden Schüttguteigenschaften:

mittlere Korngröße x50 = etwa 0,5 mm

Schüttdichte = 850 kg/m³

Feststoffdichte = 1600 kg/m³

Die Versuchsergebnisse

Bild 2 zeigt den typischen Verlauf der aufgenommenen Messergebnisse bei einem Durchsatz von 1037 kg/h. In der Tabelle sind die Enthalpiebilanzen der Kristallzucker- und Kühlwasserseite aufgelistet. Die übertragenen Wärmeraten auf beiden Seiten unterscheiden sich nur geringfügig im Rahmen der Messgenauigkeit.

Der Schüttgutwärmetauscher wurde vier Wochen am Stück rund um die Uhr kontinuierlich ohne irgendwelche Eingriffe betrieben. Dann verstopften sowohl der Plattenwärmetauscher als auch der Schüttgutwärmetauscher vollständig und nahezu gleichzeitig. Eine spätere Detailanalyse ergab als Ursache eine zu hohe Eintrittsfeuchtigkeit des Kristallzuckers am Eintritt in die beiden Kühler, bedingt durch nicht ausreichende Trocknung in den vorgeschalteten Anlagenteilen.

Die Restfeuchte und der Durchsatz in der Anlage sind abhängig von der Betriebsweise und der Leistungsfähigkeit der vorgeschalteten Zentrifugen und des Trommeltrockners. Im Falle, dass die parallel geschalteten Zentrifugen sich gleichzeitig entleeren, muss die Anlage den höchsten Durchsatz bewältigen, und es treten die höchsten Feuchtigkeitsgehalte auf. Wenn jetzt der Schüttgutkühler in Kombination mit niedrigen Kühlwassertemperaturen und niedrigen Produkteintrittstemperaturen betrieben wird, kommen alle Faktoren zusammen, die eine Kondensation von Feuchtigkeit an den Wänden des Wärmetauscher begünstigen. Die hohe Feuchtigkeit führt dann zu Kondensation an den Platten bzw. an den Rohren und somit zum Verstopfen des Gerätes. Dieser Umstand zeigt, dass sowohl die Platten- als auch die Rohrgeometrie gleich anfällig für zu hohe Feuchten sind.

Die Wiederinbetriebnahme des Bulk-X-Change erwies sich als einfach und unproblematisch. Aus Sicht des Betreibers ist es jedoch generell wünschenswert, dass es während einer Kampagne erst gar nicht zur Kondensation von Feuchtigkeit kommt.

Um die Betriebssicherheit zu erhöhen, wurde in der weiteren Phase der Kampagne ein Gasgegenstrom in den Rohren des Bulk-X-Change erzeugt, indem Luft in den Austragskonus eingeblasen wurde. Da die Zellenradschleuse unterhalb des Schüttgutwärmetauschers als druckdichtes Organ wirkt, wird hierdurch eine Gasgegenströmung erzielt. In der Folge konnte der Schüttgutwärmetauscher sicher betrieben werden – auch bei kritischen Betriebszuständen wie einer sehr niedrigen Kühlwasser- in Kombination mit einer sehr niedrigen Zuckertemperatur am Eintritt in den Schüttgutwärmetauscher, die eine Kondensation von Feuchtigkeit und damit Bildung von Anbackungen begünstigen.

Fazit

Coperion Waeschle hat vor etwa drei Jahren den Schüttgutwärmetauscher Bulk-X-Change zur indirekten Kühlung und Heizung von Schüttgütern erfolgreich in verschiedene Märkte, insbesondere die Kunststoffindustrie, eingeführt. Die erfolgreichen Tests in Zusammenarbeit mit Südzucker zeigen, dass das Kühlen von Kristallzucker ein weiteres interessantes Anwendungsgebiet ist.

B. Stark und O. Hustert sind Mitarbeiter der Coperion Waeschle GmbH & Co. KG; G. Schrevel und L. Philippart sind Mitarbeiter der Raffinerie Tirlemontoise; F. Ißle und S. Frenzel sind Mitarbeiter der Südzucker AG.

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