Schwefelsäure ist ein weltweit äußerst gefragter Rohstoff: Während im Jahr 2005 weltweit ungefähr 194 Mio. t Schwefelsäure produziert wurden, waren es zehn Jahre später bereits 214 Mio. t und im Jahr 2017 rund 272 Mio. t. Grund dafür ist unter anderem die stetig anwachsende Gesamtbevölkerungszahl, die wiederum einen erhöhten Lebensmittelbedarf zur Folge hat, der nur unter Einsatz von Düngemitteln bedient werden kann.
Schwefelsäure ist durch die extremen Säureeigenschaften und hohe Temperaturen ein in der Verarbeitung höchst anspruchsvoller Rohstoff. (Bild: Rheinhütte Pumpen)
Rund 50 % der gewonnenen Schwefelsäure werden für die Herstellung von Düngemitteln verwandt.
Aber auch in der Papierherstellung, zum Beizen von Stählen oder in der Titandioxid-Produktion kommt die Säure zum Einsatz. Häufig eingesetzte Schwefelsäuren sind außerdem Oleum, ein Gemisch aus 100 % Schwefelsäure mit SO3-Gas, häufig bezeichnet als „über 100-prozentige“ Schwefelsäure, sowie die sogenannte Trockner-Säure mit einem Säureanteil von 75 % bis 98 %. Die für viele Industrieprozesse am häufigsten benötigte Konzentration ist die reine hochkonzentrierte Schwefelsäure mit 96 % bis 99 %.
In ihrer Herstellung ist Schwefelsäure aufgrund der extrem korrosiven Eigenschaften besonders bei hohen Temperaturen äußerst anspruchsvoll und stellt auch Hersteller von Pumpen, die in Schwefelsäureanlagen verbaut sind, vor Herausforderungen. Der Herstellungsprozess von Schwefelsäure – vom häufig feststoffbeladenen Rohschwefel bis hin zur Wiederaufbereitung von Dünnsäure – setzt bei Pumpen verschiedene Eigenschaften voraus. Bei Temperaturen bis 240 °C und extremer Korrosionswirkung sind Erfahrung und Expertise gefragt.
Die Umwälzpumpe RSU eignet sich zum Verpumpen von H2SO4-Dünnsäuren in Eindampfungsanlagen.
Ein Spezialist für korrosions- und temperaturbeständige Pumpen ist das Unternehmen Rheinhütte Pumpen aus Wiesbaden, das weltweit Pumpen für den gesamten Produktionsprozess von Schwefelsäure bis hin zur Wiederaufarbeitung anbietet. Abhängig von Anwendungsbereich, Säurekonzentration, Feststoffgehalt und Strömungsgeschwindigkeit setzt der Pumpenhersteller auf unterschiedliche Materialien. Durch die Erfahrung mit unterschiedlichen Werkstoffen, von Kunststoff über Metall bis zu Technischer Keramik, können die Pumpen optimal auf das jeweilige Einsatzfeld zugeschnitten werden. Für Schwefelsäureanwendungen eignen sich vorrangig Pumpen aus Metall oder Kunststoff.
Für die Schwefelsäureherstellung wird zunächst flüssiger Rohschwefel bei Temperaturen zwischen 135 °C und 155 °C verpumpt. Hierfür sind Pumpen wie die Modelle GVSO und RCEV geeignet: Sie lassen sich temperieren und stellen damit sicher, dass der Rohschwefel im flüssigen Aggregatzustand bleibt. Ist der flüssige Schwefel verunreinigt oder feststoffbeladen, kann dies verschleißend auf Pumpen wirken. Geeignete verschleißfeste Werkstoffe sind darum ein wichtiges Kriterium.
Die vertikale Kreiselpumpe GVRN bewältigt bis 3.000 m3 H2SO4/h.
Schwefelsäure wird in verschiedenen industriellen Prozessen in unterschiedlicher Konzentration eingesetzt. Verdünnte Schwefelsäure, auch bekannt als sogenannte Dünnsäure, weist einen Schwefelsäureanteil von maximal 25 % auf und fällt in vielen Anwendungen als Abfallsäure an, die anschließend wieder aufbereitet wird. Eine besondere Herausforderung bei der Wiederaufbereitung: Die Schwefelsäure durchläuft dabei verschiedene Konzentrationen und kann Temperaturen bis 150 °C erreichen. Auch Feststoffe oder Verunreinigungen in der Dünnsäure verkomplizieren die Verpumpung.
In Eindampfungsanlagen zur Aufbereitung von Dünnsäure haben sich Umwälzpumpen wie das Modell RSU aus dem Werkstoff Siguss bewährt. Auf diesen Werkstoff greift der Pumpenhersteller zurück, wenn die meisten gängigen Materialien bei mittlerer Säurekonzentration und hohen Temperaturen versagen. Es handelt sich um die einzige metallische Legierung, die für H2SO4 in allen Konzentrationen bis zur Siedetemperatur chemisch beständig bleibt. In der Legierung sind circa 15 % Silizium und bis zu 5 % Chrom enthalten. Da der Werkstoff extrem spröde ist, gestaltet sich die Verarbeitung und Wartung äußerst anspruchsvoll. Pumpen aus Siguss fördern bei Säurekonzentrationen von 20 % bis 70 %, Temperaturen bis 150 °C und einer Feststoffbelastung bis 35 % im Dünnsäurebereich.
Eine Alternative ist der Kunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE), der eine dem Siguss vergleichbare Korrosionsbeständigkeit aufweist und deshalb ebenfalls häufig bei der Produktion von Pumpen für Schwefelsäureanwendungen zum Einsatz kommt. Allerdings ist hier die Festigkeit, je nach Baugröße, nur bis maximal 180 °C gegeben. An seine Grenzen stößt PTFE, wenn die zu verpumpende Säure feststoffbeladen ist, da der Kunststoff im Vergleich zu Edelstahl bedeutend weicher ist. Entsprechend würden PTFE-Pumpen beim Einsatz mit verunreinigten Medien schneller verschleißen. Im niedriger konzentrierten Bereich der Schwefelsäure, beispielsweise zum Verpumpen von Waschsäure, einem Gemisch aus 15- und 75%iger Schwefelsäure und Schwefeldioxid, sind jedoch häufig Kunststoffpumpen im Einsatz.
Das ISO-Korrosionsdiagramm für H2SO4 zeigt auf, dass die metallische Legierung Siguss für Schwefelsäure in allen Konzentrationen bei Temperaturen bis 240 °C beständig bleibt.
Für die Förderung von hochkonzentrierter Schwefelsäure fertigt der Pumpenhersteller häufig Pumpen aus der metallischen Legierung 1.4136S. Dieser ferritische Werkstoff mit 30 % Chrom, 2,5 % Molybdän und ohne Nickel in der Legierung eignet sich aufgrund seiner Korrosions- und Erosionsbeständigkeit besonders für die äußerst anspruchsvolle, hochkonzentrierte Säure. Neben 1.4136S gehört auch der ferritische, hochlegierte Stahlguss RH-RS zu den Sonderwerkstoffen des Unternehmens, die sich für das Verpumpen von Schwefelsäure bis 180 °C oder Oleum eignen und beim Verpumpen dieser beiden Medien häufig im Einsatz sind.
Für alle Pumpen höherer Konzentration, von Gas-Trockner-Säure bis hin zur reinen hochkonzentrierten Schwefelsäure, ist die GVRN im Einsatz. Die vertikale Kreiselpumpe ist in der Ausführung GVRN 450/500 in der Lage, bis zu 3.000 m3 H2SO4/h zu verpumpen. Auch die RMKN, eine Magnetkupplungspumpe aus Metall, eignet sich zur Förderung von heißer Schwefelsäure. Allerdings stellen Horizontalpumpen im Herstellungsprozesses von Schwefelsäure eher die Ausnahme dar.
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