Öl & Gas/ Öl- und Gasproduktion

Die Chlorchemie wird häufig als das Herzstück der chemischen Industrie bezeichnet. Rund 60 Prozent des Umsatzes dieser Branche sind direkt oder indirekt von der Chlorchemie abhängig. Die Produkte der Chlorchemie reichen von Polyvinylchlorid (PVC) für Fensterrahmen und Kanalrohre bis zu Polyurethan für Wärmedämmung oder Polycarbonat für IT-Anwendungen. Ausgangsstoff für die Chloralkali-Elektrolyse ist eine wässrige Natriumchloridlösung. Aus dieser werden in verschiedenen Verfahren, die sich im Aufbau der Elektrolysezelle unterscheiden, Chlor, Natronlauge und Wasserstoff erzeugt. Inzwischen wird das Membranverfahren in etwa zwei Drittel aller Großbetriebe eingesetzt, da dabei die Endprodukte Cl2, H2 und NaOH in hoher Reinheit anfallen, gleichzeitig jedoch insgesamt ein deutlich geringerer Energieeinsatz nötig ist. Darüber hinaus kann bei diesem Verfahren vollständig auf das unter Umweltaspekten umstrittene Quecksilber verzichtet werden. Daher hat sich Euro Chlor, der Verband der europäischen Chloralkaliindustrie, verpflichtet, keine neuen Anlagen zu bauen, in denen das Amalgam-Verfahren zum Einsatz kommt. Bestehende Anlagen werden bis Ende 2020 entweder stillgelegt oder umgerüstet. Auch beim polnischen Chemieunternehmen PCC Rokita SA mit Sitz in der Kleinstadt Brzeg Dolny geht man diesen Weg. An diesem Standort werden neben Chlor und Chlorverbindungen auch Polyole, Laugen, Tenside und Phosphorderivate hergestellt. Bisher wurde dort eine Chloralkali-Elektrolyse-Anlage auf Basis des Amalgam-Verfahrens betrieben. Im Zuge der Modernisierung des Standortes wurde eine Teilumrüstung auf das umweltfreundliche Membranverfahren vorgenommen. Damit ist eine Steigerung der Produktionskapazität auf bis zu 120.000 Tonnen Chlor pro Jahr möglich. Gleichzeitig werden Energieverbrauch (über 20 %) und CO2-Emissionen gesenkt und schadstoffhaltiges Abwasser dank geschlossener Kreisläufe vermieden.

Entscheidend für die weitere Aufbereitung des entstehenden Chlorgases ist dessen zuverlässige Trocknung. Hierfür wird das Chlor in einem ersten Kühlschritt von 86 Grad auf 40 Grad gekühlt, wodurch der im Chlorgas gesättigt vorliegende Wasserdampf kondensiert wird. „Bisher haben wir für diesen Prozessschritt immer einen Rohrbündelwärmetauscher verwendet, aber an diesem Standort war der Platz äußerst begrenzt“, so Dr. Andreas Cruse, Projektmanager bei ThyssenKrupp Uhde und verantwortlich für die Einrichtung der neuen Chloralkali-Elektrolyse-Anlage auf Basis des Membranverfahrens. PCC Rokita hatte bereits bei einer anderen Anlage an diesem Standort Erfahrungen mit Plattenwärmetauschern von Kelvion gesammelt. Daher waren sie grundsätzlich in der Lage, diesen Typ auch in der anspruchsvollen Umgebung einer Chloralkali-Elektrolyse im Bereich der Chlorbehandlung einzusetzen.

Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, musste der Plattenwärmetauscher jedoch spezielle Voraussetzungen erfüllen. Der eine Produktstrom besteht aus korrosivem feuchtem Chlorgas, der andere aus aufbereitetem Flusswasser, das zur Kühlung eingesetzt wird. Dieses enthält immer noch Verschmutzungen, die schnell zu Ablagerungen führen und so einen reibungslosen Betrieb verhindern können. „Aufgrund der Anforderungen an den Werkstoff, musste der Apparat vollständig in Titan ausgeführt werden“, nennt Dr. Cruse eine weitere Vorgabe. Ein weiteres Kriterium betraf die Prägung der Wärmetauscherplatten. Um gleichzeitig eine effiziente Wärmeübertragung und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, müssen die Fließkanäle sehr fein und dennoch so konstruiert sein, dass Ablagerungen aus dem Flusswasser den Betrieb nicht gefährden bzw. eine einfache Reinigung des Wärmetauschers möglich ist. „Wir benötigten also einen Wärmetauscher ohne Dichtungen und mit einer optimalen Plattenprägung“, fasst Dr. Cruse die ursprünglichen Anforderungen zusammen. Da Kelvion viel Erfahrung mit dem Schweißen von Titan hatte, fiel die Wahl auf den vollverschweißten Titanplattenwärmetauscher K°Bloc von Kelvion PHE GmbH. Die Idee dahinter ist die, dass der K°Bloc zwei verschiedene Plattenprägungen auf innovative Weise vereint. Die Platten sind in einem Winkel von 90 Grad zueinander angeordnet und verschweißt. So entstehen unterschiedliche Gegenstrom-Fließkanäle. Der Wärmetauscher besteht aus vier Säulen, einer Boden- und einer Oberplatte sowie vier seitlichen Druckwänden mit eingebauten Anschlüssen. Alle Rahmenkomponenten sind verschraubt und lassen sich dadurch leicht demontieren, um das Plattenpaket zu reinigen und zu warten. „Wegen möglicher Verschmutzungen im Flusswasser haben wir uns für die Double-Dimple-Prägung entschieden“, so Dr. Cruse. Mit einer Leistung von 5.000 kW wird der Chlorstrom auf 40 Grad gekühlt. In einer weiteren Kühlstufe wird das Chlorgas auf seine endgültige Temperatur gebracht. Höchste Qualität in der Fertigung – Die große Herausforderung bei der Fertigung des Wärmetauschers bestand darin, das Titan in einer sauerstofffreien Atmosphäre zu verschweißen und so Anlauffärbungen zu vermeiden. Dazu wird der Apparat einige Stunden mit Argon gespült, um den Sauerstoff auch noch aus den kleinsten Ecken zu entfernen. Anschließend wird der Wärmetauscher in einem Sarkophag bearbeitet und sprichwörtlich mit Samthandschuhen angefasst. (Bei der Fertigung trugen tatsächlich alle Beteiligten Handschuhe.) Die Fertigung dauerte mehrere Monate, und viele Arbeitsschritte wurden von Hand durchgeführt. Inzwischen hat die Kelvion PHE GmbH ihre Fertigungskapazitäten insbesondere für diese Sonderfälle erweitert. So ist nun auch ein automatisiertes Schweißen von Titan möglich. Allerdings, werden bei diesen speziellen Anforderungen weiterhin viele manuelle Schritte nötig sein. „Die Anforderungen an die Dichtigkeit waren insbesondere wegen der gefürchteten Spaltkorrosion sehr hoch“, so Dr. Cruse. Vor der Montage des Wärmetauschers waren daher umfangreiche Tests zur Prüfung der Dichtigkeit des Apparats erforderlich. Nachdem diese Hürde erfolgreich genommen war, verlief die Montage des K°Bloc ohne Komplikationen. „Die Zusammenarbeit und die Projektabwicklung waren sehr gut“, so das Fazit von Dr. Cruse. Dank der kompakten Abmessungen – der Apparat selbst ist etwa einen Kubikmeter groß – passte er praktisch lückenlos in die Anlage. Aus diesem Grund fällt die Wahl vor allem bei Nachrüstungen und Umbauten häufig auf einen Plattenwärmetauscher, denn ein Röhrenwärmetauscher würde mindestens doppelt so viel Platz beanspruchen.