Wärmetauscher Schüttgutwärmetauscher in der Kunststoffindustrie auf dem Vormarsch

Autor / Redakteur: Dr. Bernhard Stark und Christoph Schumacher / Dr. Jörg Kempf

In vielen Prozessen kommt der Erwärmung oder Kühlung von granulat- oder pulverförmigen Schüttgütern eine entscheidende Bedeutung zu. Im folgenden Beitrag werden aktuelle Weiterentwicklungen und Vorteile eines Schüttgutwärmetauschers erläutert.

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Ansicht der Produktzulaufplatte, deren spezielle Konstruktion eine Produktkontamination verhindert. Bilder: Coperion Waeschle
Ansicht der Produktzulaufplatte, deren spezielle Konstruktion eine Produktkontamination verhindert. Bilder: Coperion Waeschle
( Archiv: Vogel Business Media )

Mittlerweile seit drei Jahren erfolgreich im Markt, findet der Schüttgutwärmetauscher Bulk-X-Change, der Schüttgüter indirekt kühlt oder erwärmt, immer neue Anwendungsfelder in verschiedenen Industrien, zunehmend auch in der Kunststoffindustrie. Beispiele für das Aufwärmen oder Abkühlen von Kunststoffen innerhalb von Produktionsprozessen sind die

Erwärmung vor der Extrusion zur Durchsatzerhöhung oder Energieeinsparung,

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Erwärmung zur Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit in Entgasungsprozessen,

Kühlung von Kunststoffen nach der Granulierung und Trocknung,

Kühlung vor der Absackung in Kunststoffsäcke,

Kühlung zur Vermeidung von Oxidationsprozessen oder Nachpolymerisation z.B. bei Polyamid-Granulat,

Kühlung nach Entgasungs- oder Deo-dorierungsprozessen,

Kühlung von PET-Granulat nach der Kristallisation.

Der Schüttgutwärmetauscher Bulk-X-Change von Coperion Waeschle arbeitet nach folgendem Grundprinzip: Das Schüttgut fließt langsam und somit schonend schwerkraftgetrieben von oben nach unten durch senkrecht stehende Rohre, während das Wärmeträgermedium die Rohre im Mantel umströmt. Eine Zellenradschleuse trägt den Schüttgutstrom kontrolliert aus.

Ein wesentliches Merkmal ist die spezielle Produktzuführung in die Rohre. Der Einlauf in jedes Rohr ist aus der Platte als Trichter herausgearbeitet und so angeordnet, dass zwischen den Trichtern keine horizontale Fläche stehen bleibt, die Ablagerungen und damit Produktkontamination begünstigen würde.

Neu: Überlagerung mit Gasgegenstrom

Im Zuge der Weiterentwicklung des Schüttgutwärmetauschers wurde der Einfluss einer Gasgegenströmung auf granulatförmige Schüttgüter wie Kunststoffgranulate untersucht. Dabei wurde durch Versuche nachgewiesen, dass eine im Gegenstrom zum Schüttgutfluss durch die Rohre strömende Gasmenge sich günstig auf den Wärmeübergang auswirkt. Dieser Effekt wurde sowohl beim Abkühlen als auch beim Aufheizen von granulatförmigen Schüttgütern festgestellt. Ein Zahlenbeispiel soll dies verdeutlichen (Granulattemperatur am Eintritt in den Wärmetauscher bei allen Versuchen: 95 °C; Kühlwasser-Temperatur: 27 °C; die Versuche wurden mit einem Wärmetauscher bestimmter Geometrie durchgeführt, die nicht verändert wurde):

Bei einem Granulatmassenstrom von 770 kg/h wurde ohne Gasgegenstrom eine Granulataustritts-Temperatur von 60 °C erreicht.

Bei gleichem Granulatmassenstrom von 770 kg/h wurde mit Gasgegenstrom eine Granulataustritts-Temperatur von 50 °C erzielt.

Im Vergleich dazu konnten nur 530 kg/h Granulatmassenstrom ohne Gasgegenstrom durch den Wärmetauscher geschleust werden, um dieselbe Granulataustritts-Temperatur von 50 °C zu erzielen. Es konnte in diesem Fall also ein um etwa 50 Prozent höherer Durchsatz durch Gasgegenstrom in den Rohren erzielt werden.

Wie sich zeigte, lassen sich die Wärme-übergänge je nach Fallbeispiel teilweise verdoppeln oder sogar in bestimmten Fällen verdreifachen. Dies führt zu einer erheblichen Reduktion der Baugröße des Schüttgutwärmetauschers und bietet neben der Kosteneinsparung am Apparat mehrere zusätzliche Vorteile:

Produktwechselzeiten werden kürzer, da das Produktvolumen im gesamten Schüttgutwärmetauscher deutlich kleiner wird.

Reinigungszeiten verkürzen sich, insbesondere wenn die Länge der Rohre beibehalten wird, und sich somit die Anzahl der Rohre verringert.

Die Überlagerung mit einem Gasgegenstrom kann zur Entfernung von Oberflächenfeuchte oder – unter bestimmten Bedingungen – auch von innerer Feuchtigkeit genutzt werden.

Reinigungseffekt: Durch den Gasgegenstrom werden Staub und Feinteile in gewissem Umfang vom Schüttgut entfernt.

Der Einsatz auch für klebrige Schüttgüter bzw. Granulate wird begünstigt, da durch die Gasdurchströmung im laufenden Betrieb das Schüttgut etwas aufgelockert und somit die Gefahr des Verklebens verringert wird.

Weiterhin wurde festgestellt, dass es im Hinblick auf den optimalen Wärmeübergang neben einer optimalen Gasmenge auch einen optimalen Durchmesserbereich für die einzusetzenden Wärmetauscherrohre gibt.

Integration in eine pneumatische Förderung

Eine interessante Variante ist die Integration des Schüttgutwärmetauschers direkt in eine pneumatische Förderleitung. Dieses so genannte „Inline-Konzept“ ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die zur Verfügung stehende Bauhöhe nicht ausreicht, um den Wärmetauscher oberhalb der Produkteinspeisung in die Förderung zu installieren. Dies ist oft der Fall bei Modernisierung oder Erweiterung von bestehenden Anlagen.

Das Kopfteil des Wärmetauschers ist als Abscheider ausgebildet, in den die pneumatische Förderleitung eintritt. Eine Über-strömöffnung führt in eine Bypassleitung, durch die das Fördergas und eine Restmenge an Fördergut am Wärmetauscher vorbei geführt werden. Die Hauptmenge des Fördergutes fließt im Schwerkraftfluss durch das Rohrbündel hindurch und wird erhitzt bzw. gekühlt. Stromabwärts der Austragsschleuse mündet der Fördergasstrom in die Hauptleitung ein und nimmt den temperierten Produktstrom wieder auf. Die Drehzahl der Austragsschleuse wird so eingestellt, dass ihre Austragsleistung etwas unterhalb der Gesamtförderleistung liegt, womit auf eine Füllstandsregelung verzichtet werden kann.

Anwendungsbeispiele für den Schüttgutwärmetauscher

In den vergangenen Monaten konnten zahlreiche Aufträge im Bereich der Poly-olefine und technischen Kunststoffe gewonnen werden. In vielen Fällen bestand die Aufgabenstellung darin, nach einem Entgasungsprozess bzw. nach einem Schacht-trockner Kunststoffgranulat zu kühlen. Im Folgenden werden zwei Beispiele näher erläutert.

Alternative zum Fließbett

Dank seiner einfachen Bauart ohne bewegte Teile ist der Bulk-X-Change eine Alternative zum Fließbettkühler, in dem mithilfe eines Gasstroms das Schüttgut fluidisiert und gekühlt wird. Auf die hierfür obligatorische und aufwändige Aufbereitung und Reinigung des Gases kann verzichtet werden. Dies bietet insbesondere dann zusätzliche Vorteile, wenn eine Prozessführung unter Stickstoff erforderlich ist, oder wenn das Abgas über eine thermische Oxidation geführt werden müsste, um es von Kohlenwasserstoffen zu reinigen. Auch wird der Schüttgutwärmetauscher selbst mit einem wesentlich geringeren apparativen Aufwand betrieben. Er benötigt nur einen relativ einfachen Stahlbau und ist leicht zu installieren. Der Wartungsaufwand ist vergleichsweise gering und die Ausfallgefahr minimal.

Alternative zum Vibrationswendelkühler

Das Fließbild (Seite 34) zeigt ein Konzept zur Kühlung von Kunststoffgranulaten nach der Granulierung. Bestehend aus zwei Saugförderungen, zeichnet es sich durch die besondere Flexibilität aus und stellt eine interessante Alternative zu Vibrationswendelkühlern dar.

Nach der Granulierung wird das Schüttgut zum Schüttgutwärmetauscher gesaugt, der sich langsam füllt, bis der Füllstandmelder im Produktpuffer oberhalb des Wärmetauschers anspricht und das Startsignal für die zweite Saugförderung gibt. Das Granulat wird am Austragskonus mit einem speziellen Förderschuh abgesaugt, sodass auf eine Zellenradschleuse verzichtet werden kann.

Fazit

Der Schüttgutwärmetauscher ist ein vielseitig einsetzbarer Apparat, der durch seine vergleichsweise einfache Bauart den in der jeweiligen Anwendung bisher üblichen Technologien oft überlegen ist und sich damit auch in der Kunststoffindustrie auf dem Vormarsch befindet.

Die Autoren sind Mitarbeiter der Coperion Waeschle GmbH & Co. KG, Weingarten.

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