Sichere Temperatursprünge

Thermische Verfahren Sichere Temperatursprünge

08.02.2007Redakteur: Redaktion PROCESS

Wärmeaustauscher sind meist nur eine Komponente in einem vielschichtigen Anlagenkomplex, aber was für eine! Ohne dieses Teilverfahren wären viele Prozesse nicht möglich – wie auch das Beispiel mehrerer Plattenwärmeaustauscher in einer modernen Kupferhütte zeigt. Dank besonderer Werkstoffe und langjähriger Erfahrung bei der Auslegung übernehmen diese eine wichtige Rolle in der Gasreinigung.

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Noch vor sieben Jahren bot das Gelände der größten Kupferhütte Bulgariens ein trübes Bild. Der Ausstoß war gering, die Qualität des Kupfers mäßig und der Umweltschutz nur in Ansätzen vorhanden. Heute steht in Pirdop, 80 km östlich von Sofia, eine Kupferhütte, die das rote Gold nach internationalen Maßstäben produziert. Zwischen 1998 und 2002 wurden etwa 150 Millionen Euro investiert, die nicht nur in die Erneuerung der wichtigsten Teilverfahren flossen, sondern auch in den Umweltschutz.

Für etwa 50 Millionen Euro baute die damalige Lurgi Metallurgie im Auftrag der Union Minière Pirdop Copper einen Teil der Anlagen entsprechend europäischer Umweltschutzrichtlinien um. Die Arbeiten der Lurgi umfasste unter anderem die Erneuerung der drei bestehenden Kupferkonverter und den Bau einer neuen Schwefelsäureanlage.

In diesen Anlagenbereichen installierte das Essener Unternehmen die Abgasreinigungsanlagen in der Kupferhütte und verantwortete damit auch den Einbau der Wärmetauscher. Die Wärmetauscher mit dem Namen Varitherm VT80 stehen in der Kupferhütte an mehreren strategischen Stellen. Drei Plattenwärmetauscher kühlen die Konverterhauben; zwei weitere kommen beim Quenchen des Röstgases nach dem Schwebeschmelzofen zum Einsatz.

Neben dem Kupfer wird in Pirdop noch ein anderer wertvoller Rohstoff für die chemische Industrie gewonnen - die Schwefelsäure. Sie wird zum Beispiel für die Herstellung von Düngemitteln, für Pigmente, aber auch für die Faserherstellung benötigt. Andere wichtige Anwendungsbereiche liegen in der erdölverarbeitenden Industrie, bei der Extraktion in der Nichteisenmetall-Industrie und bei der Produktion von Sprengstoffen, Kunststoffen, Viskose sowie Waschmitteln.

Zwar wird meist elementarer Schwefel für die Herstellung im Kontaktverfahren verwendet, man kann den Ausgangsstoff Schwefeldioxid jedoch auch aus sulfidischen Erzen gewinnen. Bis die Schwefelsäure industrietauglich ist, sind allerdings eine Menge aufwändiger Verfahren und Prozesse nötig. Dies beginnt bei der Beschaffung des Kupfererzes, geht über die Aufarbeitung des Erzes und endet bei komplexen Reinigungsprozessen der Abgase, des Kupfers, aber auch der Schwefelsäure. Moderne Kupferhütten ähneln somit einem komplexen Chemieanlagen-Verbund.

Prozess der Veredlung

Die Prozesse in der Kupferhütte Pirdop sind äußerst vielschichtig. Der Rohstoff wird aus weit entfernten Minen in Chile und Indonesien, angeliefert; etwa die Hälfte stammt aus Bulgarien selbst. Im Schwebeschmelzofen der Kupferhütte wird eine Mischung der Konzentrate und Sand zu Kupferstein und Schlacke verarbeitet. Aus dem Kupferstein entsteht im Konverter der Blisterkupfer, dem im Anodenofen der Sauerstoff entzogen wird. Die Anodenplatten haben bereits einen Kupfer-Anteil von 99,6 Prozent. Um als Rohstoff in Handys, Autos oder Leitungen zu bestehen, ist noch ein weiterer Veredlungsprozess des Kupfers nötig. Mithilfe der Elektrolyse ist die Kupferhütte Pirdop nun in der Lage, Kupfer in einer Reinheit von 99,99 Prozent zu liefern.

Der im Kupfer-Konzentrat enthaltene Schwefel wird im Kontaktverfahren nahezu vollständig zu Schwefelsäure umgesetzt. Eine weitere Quelle für die Schwefelsäure ist das Abgas aus dem Schmelzschwebeofen, das Stickstoffdioxid enthält. Dieses darf nicht direkt durch den Kontaktofen geleitet werden, da es zunächst gereinigt werden muss. Es enthält Flugstaub und Arsenverbindungen, die den Katalysator schädigen würden. Zur Reinigung des Röstgases wird heute die Elektrofiltration eingesetzt. Die Experten für diese Verfahren sitzen im Unternehmen Lurgi Bischoff, das die Kupferhütte mit Nasselektrofiltern und Anlagen für die elektrostatische Gasreinigung versorgte. Wenn die Röstgase die Entstaubungsanlage verlassen, werden sie mithilfe von Plattenwärmetauschern auf 20 bis 40°C abgekühlt.

Das gereinigte und getrocknete Gas wird durch den Kontaktofen geleitet. Das Schwefeldioxid wird zu SO3 in Anwesenheit eines Katalysators oxidiert. Da die Reaktion stark exotherm verläuft und eine vollständige Umsetzung nicht in einem Schritt möglich ist, wird die Oxidation über mehrere Kontaktschichten durchgeführt. Dazwischen wird das Gasgemisch in einem Wärmeaustauscher abgekühlt. Das SO3 wird adsorbiert und zu Schwefelsäure umgewandelt. Dadurch hat man nicht nur die schädlichen Stickoxide aus dem Abgas entfernt, sondern auch einen wertvollen Rohstoff gewonnen. Rund 1950 Tonnen Schwefelsäure kann die Schwefelsäureanlage pro Tag nach modernsten Umweltschutzrichtlinien produzieren.

Spezieller Werkstoff

Die Modernisierung der Anlage war eine gewaltige Herausforderung. „Die Kupferproduktion lief trotz der Bauarbeiten weiter, aber sie wurde immer für vier Wochen angehalten, damit in dieser Zeit die neuen Anlagenteile, die neben den alten Anlagen installiert wurden, eingebunden werden konnten.“ Dies erforderte von allen Beteiligten die Einhaltung eines exakten Zeitplans. „Normalerweise liefern wir einen Plattenwärmetauscher aus Standardwerkstoffen in vier Wochen“, bestätigt Carsten Reuter, Projektleiter für Pirdop bei GEA Ecoflex in Sarstedt. Und genau hier lag die Herausforderung: Die Plattenwärmetauscher in der Wasch- und Kühlanlage der Schwefelsäureanlage sind aus einem besonderen Werkstoff.

Bis zu zehn Prozent an Schwefelsäure plus andere Säuren, die aus dem Gas ausgewaschen wurden, kann das Medium enthalten, das durch die Plattenwärmetauscher fließt. Mit einer Plattenstärke von 0,6 mm und einer EPDM-Dichtung verfügen die Wärmetauscher über je 221 Platten und je 184 m2 Fläche. Bei der Wahl des Werkstoffes entschied man sich wegen der hohen Beständigkeit für Hastelloy C276. „Die Lieferzeiten für diesen Werkstoff sind sehr lang, das muss man bei der Projektplanung berücksichtigen“, gibt Reuter zu bedenken.

Bis zu fünf Monate können vergehen, bis der Werkstoff auf dem Werksgelände in Sarstedt liegt. Zwar bevorratet GEA Ecoflex aus diesem Grund auch hochwertige Werkstoffe in ihrem großen Lager, aber selbst einen Spezialwerkstoff wie Hastelloy gibt es in verschiedenen Zusammensetzungen. „Auch die Verarbeitung eines solchen Werkstoffs ist wegen seiner höheren Festigkeit erheblich aufwändiger, allein das Prägen dauert länger“, erklärt Reuter.

Neben der entsprechenden Ausrüstung benötigt man sehr viel Fingerspitzengefühl bei der Verarbeitung. So verfügt GEA Ecoflex über eine Pressenlinie, die als eine der modernsten ihrer Art weltweit gilt. Sie besteht aus einer Coilanlage zur Platinenherstellung, einem Palettenwechselsystem zur Aufnahme der Platinen und einer Prägepresse mit 15000 t Prägekraft mit integrierter Folieranlage.

Vervollständigt wird die Anlage durch ein vollautomatisches Werkzeugwechselsystem und eine Stanzpresse mit 630 t Stanzkraft. „Das gesamte Thema der Wärmeübertragung ist sehr komplex. Als Spezialisten konzentrieren wir uns daher ganz bewusst nur auf die Herstellung von Plattenwärmetauschern.“ bekräftigt Reuter. Trotz der langjährigen Erfahrung, immerhin beschäftigt man sich seit mehr als 70 Jahren mit dem Thema, ist fast jeder Plattenwärmetauscher eine Einzelanfertigung.

Die Plattenwärmetauscher Varitherm gibt es in mehr als 40 verschieden Plattentypen, die jeweils zu einem individuellen System zusammengestellt werden. Innerhalb des Plattenpakets stützen sich die Wärmetauscherplatten an den Profil-Kreuzungspunkten gegenseitig metallisch ab. Diese stellen das stabile Verhalten der Plattenspalte sicher.

Abgesehen von den Maßen und Werkstoffen müssen noch die verschiedenen Anschlüsse, aber auch firmenspezifische Farben berücksichtigt werden. Selbst der Umfang der Dokumentation unterscheidet sich. Allen gemeinsam ist, dass sich die Plattenwärmetauscher von GEA Ecoflex durch niedrige Investitions- und Wartungskosten auszeichnen, die letztendlich für eine höhere Wirtschaftlichkeit sorgen.

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