Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Prozess- und Apparatedesign bei der Verdampfung schaumfähiger Stoffsysteme (Teilprojekt 4)

Bei der technischen Produktion von Feinchemikalien sowie Lebensmitteln und Getränken kommt es häufig zu einer unerwünschten Schaumbildung, die zu wesentlichen Änderungen von Massen-, Impuls- und Energietransporteffekten sowie zu (bio)chemischen Umsetzungen – bis hin zur vollständigen Behinderung der Prozessierung – führen kann. Betroffen sind Kolonnen und Wäscher in der chemischen Industrie, wie Maische- und Fermentationsbehälter, Rührapparate, Brennblasen und Verstärkerkolonnen in der Lebensmittelproduktion.

Die unerwünschte Schaumbildung verursacht in Rektifikationskolonnen hohe Druckverluste, verringerte Durchsätze und eine reduzierte Trennleistung durch Rückvermischung; die finanziellen Folgen sind insbesondere für KMU groß. Die bisherige Behandlung des Problems erfolgt in der Praxis derzeit nur mittels hoher Sicherheitszuschläge und aufwändiger Trial-and-error-Versuche in Pilotanlagen.

Ziel des PLUS-Vorhabens ist es, aufbauend auf den Ergebnissen des DFG/AiF-Clustervorhabens „Simulation von Proteinschäumen“ in einem multidisziplinären Ansatz physikalisch basierte Maßnahmen zu erarbeiten, die zur Präventation, Inhibition und Zerstörung von Schäumen eingesetzt werden können. Das Gesamtvorhaben besteht aus 3 DFG- und 5 IGF-Teilprojekten.

Ziel von Teilprojekt 4 ist die Erprobung, Charakterisierung und Bereitstellung apparativer, betrieblicher und additiver Maßnahmen zur Vermeidung oder Beherrschung von Schaumbildung bei der Naturumlaufverdampfung.

Ergebniszusammenfassung:

Durch die Verdampfungsexperimente in einem Miniplant Naturumlaufverdampfer konnten folgende Ergebnisse gewonnen werden. Der Wärmeübergang wurde durch die Schaumentstehung nur minimal beeinflusst, während die Umlaufgeschwindigkeit als Maß für die fluiddynamische Betriebsstabilität besonders bei hohen Wärmestromdichten reduziert wurde. Ein verfrühter Zusammenbruch des Naturumlaufs und damit eine Einengung des Betriebsfensters wurde nicht beobachtet, da die Reduzierung der Umlaufgeschwindigkeit im unteren Bereich des Betriebsfensters nicht auftrat. Die Schaumentstehung im Verdampfer beeinträchtigte dessen Prozessleistung nicht. Für den Anlagenbetrieb bedeutet dies, dass eine Schaumentstehung im Verdampfer toleriert werden kann, solange die Phasentrennung von Dampf- und Flüssigphase im Brüdenabscheider bzw. Kolonnensumpf durch geeignete Maßnahmen gewährleistet ist.

Die im Wärmeübertrager induzierte und im Brüdenabscheider quantifizierte Schaumbildung stieg mit treibenden Temperaturdifferenzen und sinkenden Betriebsdrücken aufgrund der gesteigerten Gasbelastung. Verdampfungsexperimente im abgetauchten Betrieb zeigten keine schaumzerstörende Wirkung. Trotz vergleichsweise geringer Gasbelastungsfaktoren (< 0,2 Pa^0,5) kam es bei der Verdampfung von Stoffsystemen mit einer hohen Schaumfähigkeit zum Übertritt von Schaum in den Kondensator. Der Einsatz prozessinvasiver Maßnahmen zeigte, dass sowohl die Einkopplung von Ultraschall als auch die Beregnung mit arteigener Flüssigkeit zur Schaumzerstörung genutzt werden können. Die starke schaumzerstörende Wirkung der Beregnung ging mit einer Reduzierung der Gasbelastung einher. Im Anwendungsfall wird daher ein diskontinuierlicher Einsatz empfohlen, zum Beispiel wenn es durch das Ausgasen gelöster Gase zu einer kurzzeitigen, gesteigerten Schaumbelastung kommt. Der Einsatz von Luftultraschall zeigte eine mäßige schaumzerstörende Wirkung, konnte allerdings kontinuierlich erfolgen, da der Verdampfungsprozess nicht gestört wurde.