PVDF-Luftglocken für Destillationskolonnen

1. Juni 2023 | Von Sachin Upadhye, Arkema; und Himanshu Mistry, Sangir Plastics

Polymerkomponenten in Kolonnenböden können Probleme im Zusammenhang mit der Korrosion von Metallgeräten vermeiden

Gujarat Alkalies & Chemicals Ltd. (GACL) – ein großer Chemieproduzent im Bundesstaat Gujarat im Westen Indiens – war bei seinen Destillationskolonnen mit Korrosionsproblemen konfrontiert. In chemischen Verarbeitungsanwendungen werden Destillationskolonnen häufig zur Trennung und Rückgewinnung von Lösungsmitteln und Säuren eingesetzt. Obwohl diese Chemikalien unterschiedlich sind, kommt es bei vielen Destillationssystemen zu Korrosionsproblemen, wenn sie nicht richtig für Langzeitanwendungen ausgelegt sind. Diese Säulen verwenden typischerweise metallische Komponenten, aber die für diese Anwendung erforderlichen rauen sauren Bedingungen waren für Metalle nicht geeignet. Und obwohl Metalle hohen Temperaturen standhalten und über eine gute physikalische Festigkeit verfügen, können sie empfindlich auf schnelle Angriffe durch saure Bedingungen und schnelle Säurekonzentrationsänderungen reagieren. In Fällen, in denen starke Säuren vorhanden sind und sich die Säurekonzentrationen im System ändern können, können Polymerkomponenten eine praktikable Option sein, um Korrosion und Rostbildung zu verhindern. Diese Fallstudie beschreibt ein Projekt, bei dem Metallglocken in Destillationskolonnenböden durch Glockenkappen aus Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Harz ersetzt wurden (Abbildung 1), um Korrosionsprobleme mit den Metallkappen in einer Phosphorsäureanlage zu beheben.

ABBILDUNG 1. Glockenböden für Destillationsböden aus Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Harz können eine praktikable Option sein, wenn metallische Komponenten einem Säureangriff ausgesetzt sind

Der Hauptzweck der Destillationskolonne besteht darin, flüchtige organische Verbindungen (VOCs), Lösungsmittel und andere Substanzen, die leichter als Wasser sind und im Durchfluss vorhanden sein können, abzutrennen, zurückzugewinnen und zu entfernen. Seit vielen Jahren werden in Destillationskolonnen Glockenböden aus Edelstahl SS-304 und SS-316 verwendet, doch Glockenböden aus Edelstahl korrodieren in Gegenwart einiger Chemikalien, wie z. B. Aminen, Chloriden und Ketonen, da die Wärmeeinflusszonen neigen Auch bei niedrigeren Temperaturen kann es zu Amin-Spannungskorrosionsrissen oder Chlorid-Spannungskorrosionsrissen kommen. Darüber hinaus sind Blasenkappen aus Edelstahl voluminöser (im Gewicht). Aus diesem Grund muss die Destillationskolonne überdimensioniert werden und die Kapitalkosten sind hoch. Eine weitere Möglichkeit, Korrosion zu vermeiden, ist der Einsatz von Glockenkappen aus faserverstärktem Polymer (FRP). Diese stellen eine kostengünstige Lösung dar, müssen jedoch aufgrund von Delaminationen häufig ausgetauscht werden, was zu Versprödung und Ausfall führt.

Die Entscheidung, von einer Metallkonstruktion auf PVDF umzusteigen, wurde durch den Einsatz von Phosphorsäure in den Anlagen vorangetrieben. Bei früheren Destillationssystemen mit Metallkomponenten kam es zu Korrosion, und die Lösung des Problems war für GACL unerlässlich, um die Anlage am Laufen zu halten. Als GACL versuchte, korrosionsbedingte Probleme in den Destillationskolonnen seiner Anlage für Phosphorsäure in Lebensmittelqualität zu lösen, empfahl der Projektberater Worley India, herkömmliche Metallglocken in Kolonnenböden durch Glockenkappen aus Kynar PVDF zu ersetzen. Sangir Plastics Pvt. Ltd. ist einer der Hauptabnehmer des Kynar-PVDF-Rohmaterials und außerdem ein führender Hersteller maßgeschneiderter thermoplastischer Produkte. Sie konnten erfolgreich Blasenkappen mit Kynar-PVDF-Harzen herstellen. Der Hersteller, an den die Produkte geliefert wurden, war Dolf Industries Pvt. Ltd. Vadodara Gujarat.

ABBILDUNG 2. PVDF-Komponenten können einer Vielzahl von pH-Bedingungen standhalten

Kynar PVDF ist bekanntermaßen beständig gegen eine Vielzahl von Lösungsmitteln und Säuren. Es ist bekannt, dass Kynar PVDF-Homopolymere pH-Werten von <1 bis 12 standhalten, während Kynar Flex PVDF-Copolymere einen größeren pH-Bereich von <<1 bis 13,5 bewältigen. Die Betriebsparameter erfordern die Verwendung technischer Thermoplaste wie PVDF. Basierend auf den Betriebsbedingungen und den chemischen Eigenschaften wurde Kynar PVDF für dieses Projekt als am besten geeignetes und kompatibelstes Konstruktionsmaterial ausgewählt. GACL erzielte Kosteneinsparungen aufgrund des geringeren Gewichts der PVDF-Materialien und konnte außerdem die kritischen Prozessbedingungen durch die Verwendung niedrigerer Temperaturen und Drücke optimieren.

Die Kynar PVDF-Blasenkappen wurden aus Kynar-Rohmaterial hergestellt, das von Arkema geliefert wurde. Der Herstellungsprozess umfasste Extrusion, Spritzguss und Fertigung. Der Herstellungsprozess erforderte außerdem ein hohes Maß an Präzision, Genauigkeit, Verarbeitung und die Einhaltung sehr enger Maßtoleranzen. Destillationskolonnen erfordern eine solche Präzision, um Dämpfe und Flüssigkeiten gleichmäßig aufzulösen. Arkema stellte nicht nur sein Fachwissen bei der Herstellung der Kynar PVDF-Luftglocke zur Verfügung, sondern erfüllte auch die strengen Anforderungen und gab ausführliche Empfehlungen zu den Herstellungsprozessen, um sicherzustellen, dass die Kappen den hohen Qualitätsanforderungen des Projekts gerecht wurden. Dieses Projekt war das erste Mal, dass ein solches Produkt durch Spritzguss, Fertigung und Stumpfschmelzen hergestellt und geliefert wurde, um ein hochentwickeltes Produkt herzustellen. Eine große Anzahl von Glockenverschlüssen wurde unter strengen Qualitätskontrollbedingungen erfolgreich geliefert.

Hochwertige Polymere sind leicht und können problemlos mit Schneidwerkzeugen und Heißschweißen hergestellt werden. Dies vereinfacht sowohl den Prozess als auch die Kosten der Installation.

Die Kynar PVDF-Glockenkappen sind Teil von Glockenboden-Baugruppen (Abbildung 3), die in einer Destillationskolonne für Niedertemperatur- und Niederdruckanwendungen (P/T) verwendet werden. In Glockenböden kommt der durch den Turm nach oben strömende Dampf mit der Flüssigkeit in Kontakt, indem er durch die Glockenböden strömt. Jede Glockenbaugruppe besteht aus einem Steigrohr und einer Kappe. Der durch die Kolonne aufsteigende Dampf strömt durch das Steigrohr im Boden des Bodens nach oben und wird dann nach unten geleitet, um in die den Deckel umgebende Flüssigkeit zu sprudeln. Aufgrund ihrer Konstruktion können Glockenböden weder auslaufen noch destillierte Flüssigkeit auslaufen lassen. Dieses Design eignet sich für Erträge bei Bedingungen mit niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur. Allerdings muss die Blasenkappe mit äußerster Sorgfalt entworfen und hergestellt werden, um sicherzustellen, dass jede Blasenkappe mit dem gleichen Effizienzfaktor arbeitet. Daher müssen Glockendeckel exakt identisch sein und die gleichen Maßtoleranzen aufweisen.

ABBILDUNG 3. In Glockenböden wird der durch die Säule aufsteigende Dampf nach unten gedreht, um durch die Flüssigkeit um die Kappe herum zu sprudeln

Kynar PVDF-Glockenkappen werden in Destillationskolonnen verwendet, die bei niedrigen Drücken und Temperaturen betrieben werden, da sie eine gute Alternative zu Glockenkappen aus Edelstahl oder FRP darstellen. PVDF-Blasenkappen bieten eine lange Lebensdauer, da das Produkt Temperaturen von bis zu 130 °C (266 °F) standhält und gegenüber den meisten Lösungsmitteln und Katalysatoren in Destillationskolonnen inert ist.

Herausgegeben von Scott Jenkins

Sachin Upadhye ist Business Manager in der High Performance Polymers Unit bei Arkema in Indien (E-Mail: [email protected]). Er verfügt über Postgraduiertenabschlüsse in Chemie und Lacktechnologie. Upadhye verfügt über 29 Jahre Erfahrung in industriellen Anwendungen und Materialauswahl.

Himanshu Mistry ist Leiter der Geschäftsentwicklung und des Marketings bei Sangir Plastics in Indien (E-Mail: [email protected]). Er verfügt über mehr als 20 Jahre Ingenieurserfahrung in der Industriechemiebranche und leitete viele indische multinationale Maschinenbauunternehmen.