DE19545843C1 - Verfahren zum nachträglichen Beschichten von Stoffaustauschpackungen aus Borosilicatglas - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung sind zwei Verfahren zum nachträglichen, mechanisch und chemisch dauerhaften, aufrauhenden, d. h. oberflächenvergrößernden Beschichten der Oberflächen von Glas-Ringen oder von verbunden Glaswellplatten aus Borosili­ catglas für Hochleistungs-Stoffaustauschpackungen für Kolonnen, wobei die Glas­ wellplatten in gewünschter, geordneter Weise übereinandergelegt und solange auf eine Temperatur von 200 bis 230 K über ihre Transformationstemperatur Tg erhitzt werden, bis sie durch Sintern zu einer festen Packung verbunden sind.

In der thermischen Trenntechnik werden neben einfachen Füllkörperschüttungen auch geregelte Füllkörperpackungen eingesetzt.

Zur Intensivierung des Stoffübergangs in Absorptions-, Desorptions-, Rektifikations- und Extraktionskolonnen werden diese geordneten Packungen seit vielen Jahren mit Erfolg eingesetzt.

Die Packungskörper bestehen dabei aus schräg gewellten Platten, die alternierend gegenläufig so aneinandergelegt sind, daß offene, sich kreuzende Kanäle, die schräg zur Kolonnenachse verlaufen, gebildet werden. Dadurch wird eine wesentli­ che Verbesserung des Kontaktes zwischen Flüssig- und Dampfphase und somit des Wirkungsgrades der Packung, verglichen mit denen einer Füllkörper-Schüttung, er­ zielt. Durch Versetzen der einzelnen Füllkörperpakete zueinander um jeweils 90° wird eine weitere Durchmischung der Phasen erreicht.

Diese Füllkörperpakete können aus unterschiedlichen Materialien, wie Keramik, Edelstahl, anderen Metallegierungen, sowie auch aus Kunststoffen oder beschichte­ ten und geformten Glasfasergebilden bestehen.

Es sind ferner auch Füllkörperpakete aus Glaswellplatten bekannt (DE 39 09 995 C1).

Gegenstand der Deutschen Patentschrift DE 41 28 675 C2 ist ein Verfahren zum Verbinden von Glaswellplatten aus Borosilicatglas bei Hochleistungspackungen für Kolonnen, wobei die Glaswellplatten in gewünschter Weise übereinander gelegt und eine bestimmte Zeit auf eine bestimmte Temperatur über ihre Transformationstem­ peratur Tg erhitzt werden.

Stoffaustauschpackungen aus Borosilicatglas, insbesondere aus Borosilicatglas 3.3, sind marktbekannt und haben einige sehr gute Werkstoff-Eigenschaften, wie bei­ spielsweise Korrosionsbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit, Formbeständigkeit, katalytische Indifferenz, physiologische und ökologische Unbedenklichkeit und nicht zuletzt auch ihre Unbrennbarkeit.

Diese Eigenschaften bilden die Grundlage für die besondere Eignung von Stoffaus­ tauschpackungen aus Borosilicatglas zur Behandlung korrosiver und/oder hochrei­ ner Medien, z. B. in Mehrzweckanlagen für Produktion und Technikum, Absorptions­ kolonnen, z. B. für die adiabate HCl- und HBr-Absorption, für Desorptions- und Strippkolonnen, z. B. für die Entfernung chlorierter Kohlenwasserstoffe aus Prozeß­ abwässern, für Rektifikationskolonnen, z. B. für die destillative Trennung hochemp­ findlicher Pharma-Wirkstoffe unter Vakuum, und für Extraktionskolonnen, z. B. für die extraktive Reinigung aggressiver Prozeßabwässer.

Für die weitere Optimierung der Verfahrensabläufe ist es nun jedoch notwendig, die Oberflächen je nach Einsatzzweck zu modifizieren und zu verbessern.

Da bei der Extraktion eine Benetzung der Packungsoberfläche durch die in der Re­ gel organische Dispersphase weitestgehend vermieden werden muß, sind hierfür Glas-Stoffaustauschpackungen mit glatter, feuerblanker Oberfläche sehr gut geeig­ net.

Dagegen haben bei Rektifikations-Kolonnen Versuche, besonders mit dem Testsy­ stem Chlorbenzol/Ethylbenzol bestätigt, daß zur Erzielung einer optimalen Trenn­ leistung rauhe Glasoberflächen erforderlich sind.

Daher stehen heute auch Packungselemente mit unterschiedlichen Oberflächen­ strukturen zur Verfügung, die je nach Aufgabenstellungen festgelegt werden:

Die rauhe Oberfläche eignet sich speziell für Destillations/Rektifikations-Aufgaben; die glatte, feuerblanke Oberfläche ist für Extraktionskolonnen konzipiert.

Nach dem Stand der Technik, wie auch in der DE 41 28 675 C2 beschrieben, wur­ den bisher Glaswellplatten in üblicher Weise hergestellt und vor dem Verschweißen bzw. vor dem Verschmelzen durch Sandstrahlen oder andere Mittel aufgerauht um eine vergrößerte Oberflächenbenetzung, die z. B. bei Destillation, wie oben ange­ führt erwünscht ist, zu erreichen.

Unter "andere Mittel" ist hier vor allem ein Gemisch aus Wasser, Wasserglas, teue­ rem Natriummetaborat und Borosilicatglas-Mehl gemeint, womit die vorgeformte, auf Temperaturen zwischen 210 und 240°C aufgeheizte Glasplatte beschichtet wurde.

Nachdem diese Beschichtung angetrocknet war, wurden die vorgeformten Platten in üblicher Weise übereinandergelegt und zusammengesintert.

Dabei treten aber folgende, nicht zu unterschätzende Probleme auf:

• 1. Die so behandelten und besprühten Platten sintern erheblich schlechter zu­ sammen als unbeschichtete Platten, da die Beschichtung als Trennmittel wir­ ken kann. Das heißt, die so entstandenen Pakete sind sehr instabil.
• 2. Die Beschichtungsanlagen sind störanfällig, weil das Beschichtungsmittel im­ mer wieder in den Spritzdüsen aushärtet und auch die Pumpen verstopft und zerstört.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zu entwickeln und vorzustellen, mit dessen Hilfe sich Glas-Ringe oder Packungen aus Wellplatten aus Borosilicatglas für Hochleistungs-Stoffaustauschpackungen für Kolonnen einfach und dauerhaft, nachträglich so beschichten lassen, daß sie eine rauhe Oberfläche erhalten.

Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung bevorzugt dadurch gelöst, daß die Glas-Ringe oder die versinterte Packung mit einer Temperatur von 200 bis 240°C in eine kalte, verdünnte 10 bis 70%-ige Wasserglas-Lösung, in der feinteiliges Borosilicatglas-Mehl der Körnung von 10 µm bis 1 mm dispergiert ist, vollständig eingetaucht, nach 5 bis 20 s mit einer Geschwindigkeit zwischen 20 und 100 cm/min herausgezogen, die Ringe oder die Packung gleichmäßig mit ca. 5 K/min auf 500 bis 600°C aufgeheizt, bei dieser Temperatur ca. 20 min gehalten und anschließend langsam mit ca. 5 K/min wieder auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

Ein weiteres, in gleicher Weise bevorzugtes Verfahren zum nachträglichen Be­ schichten von Glas-Ringen oder verbundenen Glaswellplatten besteht darin, die Ringe oder die versinterte Packung mit einer Temperatur von zwischen Raumtempe­ ratur und 250°C in eine kalte, verdünnte, 30-70%-ige Na-Wasserglas-Lösung vollständig einzutauchen, sie anschließend herauszuziehen und die so benetzten Ringe oder die Packung vollständig in feinteiliges, trockenes, in Bewegung befindli­ ches Borosilicatglas-Mehl der Körnung von 5 um bis 1 mm einzutauchen, dann nach 5-20 s aus dem Borosilicatglas-Mehl herauszuziehen, die Ringe oder die Packung gleichmäßig mit ca. 5 K/min auf 500 bis 600°C aufzuheizen, bei dieser Temperatur ca. 20 min zu halten und anschließend langsam mit ca. 5 K/ min wieder auf Raum­ temperatur abzukühlen.

Hierbei werden die angefeuchteten Ringe oder die Packung in "fluidisiertes Glaspul­ ver" eingetaucht, das in einer Art Wirbelkammer durch Druckluft, die durch eine Membran an der Unterseite des Behälters in das Pulver hineinströmt, in der Schwe­ be gehalten wird, und mit Glaspulver belegt.

Auch Versuche, das trockene Glaspulver zu zerstäuben und mittels eines Luftstroms auf die Ringe oder die Packungen zu lenken, haben bei kleineren Packungen zu guten Ergebnissen geführt.

Beide Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile, wobei das erste Verfahren, bei dem das Borosilicatglas-Mehl in der Wasserglas-Lösung dispergiert wird, einfacher in der Durchführung und im apparativen Aufwand ist, wobei jedoch die Belegungsdichte pro Oberflächeneinheit nicht so hohe Werte annehmen kann, wie wenn die beiden Verfahrensschritte getrennt nacheinander durchgeführt werden.

Um eine gleichmäßige Belegung mit dem Beschichtungs-Mittel zu erreichen, ist es in beiden Fällen vorteilhaft, die Ringe oder die versinterte Packung in oder durch die Beschichtungslösungen und/oder -Mittel zu bewegen. Das hat einerseits den Vorteil daß die Beschichtungslösungen und/oder -Mittel zusätzlich durchmischt werden und andererseits, daß eine sehr gleichmäßige und homogene Belegung der Oberflächen der Ringe oder der verbundenen Glaswellplatten erreicht wird.

Dabei ist es möglich, je nach Bewegungsablauf der Packung in und/oder durch die Beschichtungslösungen und/oder -Mittel auch unterschiedliche Belegungsgrade der Oberflächenbeschichtung auszubilden, da durch den Bewegungsablauf und die Strömungsgeschwindigkeiten bestimmte Stellen, die im Schatten der Strömungslinie liegen, bevorzugt beschichtet werden können, während andere Flächen, die der Strömung direkt ausgesetzt sind, entsprechend weniger oder zum Teil nicht be­ schichtet werden.

Es ist so gelungen, Mischformen von Stoffaustauschpackungen zur Verfügung zu stellen, die sowohl gute Leistungsdaten beispielsweise für Rektifikationen als auch für Extraktionen erbringen können.

Die Grenzen der Beschichtung auf den Oberflächen der Ringe oder der verbunde­ nen Glaswellplatten liegen dabei bei Schichtdicken von 0,1 mm bis 5 mm.

In bevorzugter Ausführungsform wird als Glas-Mehl, das zur Beschichtung der Ringe oder der Borosilicatglasplatten verwendet wird, das aufgemahlene Borosilicatglas, aus denen auch die Ringe oder die Glaswellplatten selbst gebildet sind, eingesetzt. In besonders bevorzugter Ausführungsform wird als Werkstoff sowohl für die Stoffaustauschpackung wie auch für das Beschichtungsmaterial das Borosilicatglas 3.3 eingesetzt.

Zur weiteren Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung sollen die folgenden zwei Ausführungsbeispiele dienen.

Beispiel 1

In beiden Fällen werden die vorgeformten Platten, wie in der DE 41 28 675 C2 be­ schrieben, ohne Beschichtung zusammengesintert, d. h. die Glasplatten sind unter­ einander homogen, ohne Kleber verbunden, so daß nur das Borosilicatglas mit den zu bearbeitenden Medien in Berührung kommt. Aus diesen stabilen und festen Packungen werden dann nach Wunsch die einzelnen Segmente problemlos herausge­ sägt.

Diese segmentierten Packungen, mit definierten Nennweiten und Längen, werden dann auf 200 bis 240°C vorgeheizt und in ein Wasser/Wasserglas-Gemisch ge­ taucht, in dem auch feinteiliges Borosilicatglas-Mehl, in diesem Beispiel Duran®, dis­ pergiert ist. Im Beispiel beträgt die Zusammensetzung des Gemisches
Wasser: 2.0
Na-Wasserglas: 500 g
Duran®-Mehl der Körnung D5 : 1000 g.

Die Korngrößenverteilung des Duran®-Mehls beträgt hierbei: 63 µm bis 200 µm. Die Temperatur des Wasser/Wasserglas-Gemisches beträgt dabei bevorzugt 20°C, die Temperatur der einzutauchenden Packung 220°C.

Nach einer Zeit von 10 s wird die konfektionierte Packung aus dem Was­ ser/Wasserglas-Gemisch langsam mit einer Geschwindigkeit von ca. 70 cm/min her­ ausgezogen und gleichmäßig mit 5 K/min auf 600°C aufgeheizt, bei dieser Tempe­ ratur 20 min gehalten und anschließend langsam mit 5 K/min wieder auf Raumtem­ peratur abgekühlt.

Alle Segmente überstehen diesen Prozeß ohne Bruch, wenn die Prozeßtemperatu­ ren in der hier vorgestellten Weise kontrolliert werden.

Das im Beispiel eingesetzte Duran®-Mehl weist eine chemische Zusammensetzung von 81% Kieselsäure, 13% Borsäure, 4% Alkalien und 2% Tonerde auf.

Beispiel 2

Es beschreibt die Beschichtung einer glatten, unbeschichteten Packung, die wieder­ um nach der DE 41 28 675 C2 hergestellt wurde im "Wirbelsinterbecken".

Diese Packung wird dann, diesmal ohne vorher vorgeheizt zu werden, in 30%-ige Na-Wasserglaslösung getaucht und anschließend in aufgewirbeltes Duran®-Mehl der Korngröße zwischen 200 µm und 630 µm getaucht und 20 s in diesem fluidisier­ ten Duran®-Mehl bewegt.

Danach wird die Packung aus dem aufgewirbelten Glas-Mehl herausgezogen, auf 600°C aufgeheizt und, wie im Beispiel 1 gezeigt, langsam abgekühlt.

Bei dieser Verfahrensvariante ist es auch möglich, die Packung vor dem Eintauchen in das Na-Wasserglas oder vor dem Eintauchen in das Duran®-Mehl aufzuheizen, wenn eine besonders hohe Oberflächenrauhigkeit erzeugt werden soll. Ebenso ist es auch hier möglich, durch Variation der Duran®-Mehl-Körnung die Oberflächen­ vergrößerung der Borosilicatglas-Wellplatten einzustellen.

Die Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der Technik sind:

• - Es können verschiedene Beschichtungssysteme flexibel eingesetzt werden. Die Korngrößen des Glas-Mehles sind nicht mehr durch die Ausführungen einer Pumpe oder einer Spritzdüse bestimmt und beschränkt.
• - Es kann auch auf Natriummetaborat verzichtet werden, dem teuersten Bestandteil des derzeit üblichen Spritzmittels und zwingend erforderlich, um die Haftung der Wellplatten beim Sintern untereinander zu verbessern.
• - Es können einfachere und weniger störungsanfällige Fertigungseinrichtung ein­ gesetzt werden.
• - Des weiteren können Bauformen gefertigt werden, die bisher an der reduzierten Stabilität der Rohpakete scheiterten.
• - Beschichtete Raschig-Ringe mit erheblich verbesserter Benetzbarkeit.

Claims (12)

1. Verfahren zum nachträglichen, mechanisch und chemisch dauerhaften, aufrau­ henden Beschichten der Oberflächen von Glas-Ringen oder von verbundenen Glaswellplatten aus Borosilicatglas für Hochleistungs-Stoffaustauschpackungen für Kolonnen, wobei die Glaswellplatten in gewünschter, geordneter Weise übereinander gelegt und solange auf eine Temperatur von 200-230 K über ihre Transformationstemperatur Tg erhitzt werden, bis sie durch Sintern zu einer fe­ sten Packung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Glas-Ringe oder die versinterte Packung mit einer Temperatur von 200-240°C in eine Wasserglas-Lösung, in der feinteiliges Mehl aus anorganischer Substanz dispergiert ist, vollständig eingetaucht, herausgezogen, die Ringe oder die Packung auf 500-600°C aufgeheizt, bei dieser Temperatur gehalten und anschließend wieder auf Raumtemperatur abgekühlt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe oder die versinterte Packung mit einer Temperatur von 200-240°C in eine kalte, verdünnte, 10-70%-ige Wasserglas-Lösung, in der feinteiliges Borosilicatglas-Mehl der Körnung von 10 µm bis 1 mm dispergiert ist, vollständig eingetaucht, nach 5 bis 20 s mit einer Geschwindigkeit zwischen 20 und 100 cm/min herausgezogen, die Ringe oder die Packung mit ca. 5 K/min auf 500-600°C aufgeheizt, bei dieser Temperatur ca. 20 min gehalten und anschließend langsam mit 5 K/min wieder auf Raumtemperatur abgekühlt werden.

3. Verfahren zum nachträglichen, mechanisch und chemisch dauerhaften, aufrau­ henden Beschichten der Oberflächen von Glas-Ringen oder von verbundenen Glaswellplatten aus Borosilicatglas für Hochleistungs-Stoffaustauschpackungen für Kolonnen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glas-Ringe oder die versinterte Packung in eine Wasserglas-Lösung vollständig eingetaucht, herausgezogen und so benetzt werden, anschließend vollständig in feinteiliges, trockenes, in Bewegung befindliches Mehl aus anor­ ganischer Substanz als Beschichtungs-Mittel getaucht und dann aus dem Mehl herausgezogen werden, die Ringe oder die Packung auf 500 bis 600°C aufge­ heizt, bei dieser Temperatur gehalten und anschließend wieder auf Raumtempe­ ratur abgekühlt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe oder die versinterte Packung mit einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und 250°C in eine kalte, verdünnte, 30 bis 70%-ige Na- Wasserglas-Lösung vollständig eingetaucht, herausgezogen und so benetzt werden, anschließend vollständig in feinteiliges, trockenes, in Bewegung befind­ liches Borosilicatglas-Mehl als Beschichtungs-Mittel der Körnung von 5 µm bis 1 mm getaucht und dann nach 5 bis 20 s aus dem Borosilicatglas-Mehl herausge­ zogen werden, die Ringe oder die Packung gleichmäßig mit ca. 5 K/min auf 500 bis 600°C aufgeheizt, bei dieser Temperatur ca. 20 min gehalten und anschlie­ ßend langsam mit ca. 5 K/min wieder auf Raumtemperatur abgekühlt werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe oder die versinterte Packung in den Beschichtungs-Lösungen und/oder -Mitteln bewegt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Bewegungsablauf der Ringe oder der Packung in und/oder durch die Beschichtungs-Lösungen und/oder -Mittel unterschiedliche Belegungsgrade der Oberflächenbeschichtung ausgebildet werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf den Oberflächen der Ringe oder der verbundenen Glaswellplatten in einer Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 3 mm aufgebracht wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Beschichtung verwendete Borosilicatglas-Mehl aus Borosilicatglas 3.3 aufgemahlen wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 3, 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschichtungsmittel ein aufgemahlenes Kalk-Natron-Glas-Mehl einge­ setzt wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 3, 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschichtungsmittel feinteiliges Al₂O₃-Pulver eingesetzt wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mehrfach, in mehreren Verfahrens-Zyklen durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch wiederholtes Beschichten Schichtdicken bis zu 5 mm aufgebracht werden.