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Anlagen-/Apparatebau, Thermische Verfahren

Unter Dampf gesetzt

| Redakteur: Redaktion PROCESS

Die Energiekosten sind mittlerweile zum Dauerbrenner in der Chemiebranche avanciert und entwickeln sich zu einem wichtigen Wirtschaftlichkeitsfaktor. Davon profitieren Verfahrensvarianten, die wegen ihrer hohen Investitionskosten noch vor wenigen Jahren verwaist und unbeachtet in den Schubladen gedämmert haben.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die Energiekosten sind mittlerweile zum Dauerbrenner in der Chemiebranche avanciert und entwickeln sich zu einem wichtigen Wirtschaftlichkeitsfaktor. Davon profitieren Verfahrensvarianten, die wegen ihrer hohen Investitionskosten noch vor wenigen Jahren verwaist und unbeachtet in den Schubladen gedämmert haben. Dazu gehört auch die mechanische Brüdenverdichtung bei Eindampfanlagen, die lange im Abseits war und jetzt eine Renaissance erlebt.

Der Grund für die fehlende Würdigung einiger Verfahren waren deutlich höhere Investitionskosten, welche die Betreiber zu Zeiten niedrigerer Energiekosten noch gescheut haben. Das sieht heute jedoch ganz anders aus. Das, was zunächst teurer erscheint, erweist sich oft schon nach wenigen Monaten als die wesentlich preiswertere Variante. Anhand der mechanischen Brüdenverdichtung bei Eindampfanlagen zur Aufkonzentrierung eines Produktes lässt sich dieses Phänomen deutlich erkennen.

Gängige Anlagenschaltungen bei Verdampfern waren in der Vergangenheit Mehrstufenschaltungen oder die thermische Brüdenkompression. Bei der ersten Variante beheizt der Frischdampf nicht nur eine Verdampferstufe. Je mehr Stufen ein Verdampfer hat, desto geringer ist sein Primärenergiebedarf in Form von Dampf. Mit steigender Stufenzahl nimmt die Temperaturdifferenz zwischen Heizmedium und Produkt zwangsläufig ab, sodass die Heizflächengröße immer stärker zunimmt.

Mit steigender Stufenzahl wachsen also die Investitionskosten, und die Dampfeinsparung pro zusätzlicher Stufe sinkt. Die zweite gebräuchliche Methode ist die thermische Verdichtung der Brüden eines Siederaumes auf den höheren Druck eines Heizraumes nach dem Strahlpumpenprinzip. Treibdampf verdichtet die Brüden, und diese gelangen wieder als Heizmedium in den Prozess zurück.

Die zugeführte Energie des Treibdampfanteils geht als Überschussbrüden jedoch in die nächste Verdampferstufe oder an den Kondensator. Bei beiden ist die abzuführende Menge an Energie noch beträchtlich hoch. Die mechanische Brüdenverdichtung kann die abzuführende Wärmemenge jedoch erheblich reduzieren. Das bedeutet für den Betreiber einen niedrigen spezifischen Energiebedarf und eben auch niedrige Energiekosten.

Wolfgang Hansen, Bereichsleiter Marketing/Vertrieb bei GEA Wiegand, ergänzt: „Die Wirtschaftlichkeit einer Anlage betrachtet der Kunde meist nur zum Zeitpunkt der Investition. Bei einem Rohölpreis von 30 US-Dollar pro Barrel betrug die Amortisationszeit einer Anlage mit mechanischer Brüdenverdichtung aufgrund ihrer höheren Investitionskosten noch zwei bis drei Jahre. Bei einem Preis von 60 US-Dollar beträgt sie nur noch ein Jahr. Darüber hinaus leistet die mechanische Brüdenverdichtung auch einen Anteil zur CO2-Einsparung, aufgrund ihres deutlich geringeren Energiebedarfs.“

Was verbirgt sich also hinter der mechanischen Brüdenverdichtung? Hier verdichtet ein mechanisch arbeitender Kompressor die Brüden auf den benötigten höheren Druck des Heizraumes. Der Einsatz eines relativ kleinen Energiebetrages bessert die Prozesswärme energetisch auf und sie steht dem Prozess als Heizmedium wieder zur Verfügung. Aus Kostengründen sind vorwiegend Radialkompressoren und Hochleistungsventilatoren im Einsatz. Der geeignete Kompressortyp ist abhängig von den Betriebsbedingungen.

Die entscheidenden Parameter sind die gewünschte Druckerhöhung und der Volumenstrom des zu verdichtenden Brüdens. So lässt sich mit einem Ventilator eine maximale Temperaturdifferenz von 6 bis 8 K erzielen. Bei einer Anlage mit zwei Ventilatoren als Tandemsystem lässt sich die Temperaturdifferenz verdoppeln auf 12 bis 14 K. Sind höhere Temperaturdifferenzen notwendig, bietet sich der Turboverdichter an, der Temperaturdifferenzen von bis zu 20 K realisieren kann. Üblicherweise erfolgt der Antrieb eines Brüdenkompressors mithilfe eines Elektromotors. Die Vorteile dieses Antriebssystems: Normung von Baugrößen und Schutzarten, geringes Leistungsgewicht und -volumen, minimaler Wartungsaufwand und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis.

Geringe Störanfälligkeit

Ihre zunehmende Bedeutung hat die mechanische Brüdenkompression auch der immer geringer werdenden Störanfälligkeit der Verdichter zu verdanken. Bessere Werkstoffe und ausgeklügelte Überwachungs- und Sicherheitseinrichtungen sorgen für einen zuverlässigen und störungsfreien Betrieb. Hansen erläutert: „Früher hatten die Kunden Angst vor noch einem sich bewegenden Teil in ihrer Anlage. Durch die Fortschritte in der Entwicklung der Ventilatoren und Verdichter sowie in der MSR-Technik haben sich diese Bedenken jedoch zerstreut.“

Mechanische Schäden an ihrer Anlage sind der Alptraum der Betreiber. Damit dieses Szenario keine Realität wird, überwacht GEA 16 Parameter, um Unregelmäßigkeiten des Kompressorbetriebes sowie Verschleißerscheinungen frühzeitig zu erkennen. So überwachen ein Drehzahlaufnehmer und eine Schwingungsüberwachung kontinuierlich das Laufrad. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Temperatur des Ventilatorgehäuses. Durch die Verdichtungsarbeit erwärmt sich über das Fördermedium auch das Kompressorgehäuse. Ständige Kondensateindüsung am Laufradeintritt sättigt die Brüden und verhindert eine zu hohe Gehäusetemperatur. Die Überwachungstechnik kontrolliert ebenfalls zahlreiche Parameter des Ölkreislaufes, des Motors, der Welle und der Pumpe.

Intelligent kombiniert

Nicht immer möchte der Betreiber seine Anlage im gleichen, stationären Zustand fahren. Teillastbetrieb ist im Betriebsalltag häufig unverzichtbar. Darüber hinaus muss der Verdampfer auf Änderungen von Produkteigenschaften im Zulauf und auf die allmähliche Verschmutzung seiner Heizflächen reagieren können. Dies alles geschieht mithilfe der Verdichterregelung. Hier sind vor allem die Drehzahlregelung und die Saugdruckregelung gängige Methoden. Die Regelung der Laufraddrehzahl und damit der Umfangsgeschwindigkeit des Ventilators beeinflusst den Volumenstrom und das Kompressionsverhältnis. Dies geschieht in der Regel durch einen Drehstrom-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter.

Ist die Anlage energetisch nicht mit anderen gekoppelt und der Prozess bei unterschiedlichen Temperaturen zu fahren, kommt als einfachste Möglichkeit die Saugdruckregelung in Frage. In vielen Fällen bietet sie einen ausreichend großen Regelbereich ohne hohen maschinellen Aufwand. Zusätzliche Energieeinsparungen bringt die Kombination der Eindampfung mit mechanischer Brüdenverdichtung und einer Vorkonzentration des Produktes mithilfe der Membranfiltration. Das bietet die Möglichkeit, Stoffe bei niedrigen Temperaturen ohne Phasenänderung trennen zu können. Abhängig von der Partikelgröße lassen sich mit diesem Trennverfahren Teilchen von weniger als 0,001 Mikrometern bis hin zu groben Partikeln von 1000 Mikrometern separieren.

Oft ist es sinnvoll, die Vorkonzentrierung durch ein Membranfiltrationsverfahren zu realisieren und nur noch die Hochkonzentrierung durch die Eindampfung. Das macht häufig auch Sinn bei einer Kapazitätserweiterung. Statt mit einem zweiten Verdampfer nachzurüsten, kann man eine Membranfiltration vorschalten, die energetisch günstiger ist als ein Verdampfer. Die Akzeptanz der Membranfiltration beschreibt Hansen so: „ Die Kunden haben oft noch Angst vor dem Membrantausch und den damit verbundenen Kosten. Die Werkstoffe sind jedoch inzwischen schon deutlich besser und die Standzeiten höher, sodass im Zuge steigender Energiekosten die Membranfiltration an Bedeutung zunehmen wird.“

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