Biodiesel-Destillation: Warum der Kurzwegverdampfer im Vergleich zur Rektifikationskolonne die bessere Option ist

1. Hohe Effektivität der Kurzwegverdampfung

Die mehrstufige Rektifikationskolonne bietet Vorteile, wenn Fraktionen nochmals aufgetrennt und höhere Reinheiten erzeugt werden sollen. Typische Einsatzbereiche sind vor allem die Petrochemie und die großtechnische Herstellung von Grundchemikalien. Solange jedoch die erhöhten Trennschnitte einer Kolonne nicht gebraucht werden, ist die Kolonne ein sehr aufwendiges Verfahren, das auch im Betrieb erheblich schwieriger und kostenintensiver ist.

Für die Biodieseldestillation sind Rektifikationskolonnen überdimensioniert und geradezu Luxus, da lediglich ein Trennschritt zwischen Schwersiedern und Leichtsiedern erforderlich ist. Die thermische Trennung von nur zwei Komponenten lässt sich mit der einstufigen Kurzwegdestillation sehr viel effektiver und vor allem auch kosteneffizienter bewerkstelligen.

2. Schonende Abdampfung für thermisch-sensible Produkte

Ein wesentlicher Vorteil der einstufigen Kurzweg-Technologie liegt in der Sicherstellung der Produktqualität durch minimale Temperaturbelastung und kurze Verweilzeiten. Der eingebaute Kondensator minimiert den Weg der Brüden zwischen Verdampfung und Kondensation und führt im Feinvakuum zu einem schonenderen Verdampfungsprozess.

Wärmeempfindliche Produkte wie pflanzliche oder tierische Öle würden sich bei Verfahren in herkömmlichen Verdampfern zersetzen bzw. unerwünscht reagieren. Um dies zu vermeiden, wird das Produkt im Feinvakuum zwischen 1 und 0,001 mbara mit hoher Abdampfrate destilliert. Durch Absenkung des Arbeitsdruckes ist eine erhebliche Reduzierung der Verdampfungstemperatur gewährleistet, sodass auch empfindliche organischer Substanzen wie Biodiesel auf schonende Weise getrennt werden können.

In der Rektifikationskolonne verweilen Stoffgemische aufgrund der Einbauten und des Rücklaufverhältnisses deutlich länger. Damit verbunden ist auch der Nachteil, dass unerwünschte Nebenreaktionen begünstigt werden. Die Fahrweise des Kurzwegverdampfers ermöglicht somit einen weitaus produktschonenderen und stabileren Prozess bei besonders empfindlichen Produkten wie Biodiesel.

Der Kurzwegverdampfer mit eingebautem Kondensator eignet sich aufgrund der produktschonenden Arbeitsweise besonders gut für die Biodieseldestillation. © GIG Karasek

3. Geringer Druckverlust trotz hoher Abdampfrate

Kurzwegverdampfer weisen einen sehr geringen Druckverlust im System auf, da sie über einen Kondensator im Inneren der Verdampferkammer verfügen. Die optimierte Verdampfergeometrie reduziert den Druckverlust zwischen Verdampfer und Kondensator bei gleichzeitig hoher Abdampfrate auf vernachlässigbare Werte.

In einer Rektifikationskolonne ergibt sich jedoch durch die Kolonneneinbauten und dem abströmenden Rücklauf ein Widerstand. Das ungehinderte Durchströmen der Brüden ist eingeschränkt und führt je nach Art und Anzahl der Kolonneneinbauten zu einem entsprechenden Druckverlust.

4. Hohe Flexibilität durch dynamischen Betrieb

Eine Kolonne muss als statisches System über mehrere Tage eingefahren werden, bis sich ein stabiler Zustand einstellt. Treten Probleme im Vorprozess auf, dann wirkt sich dies sehr schnell und lange auf die Kolonne aus. Eine rasche Adaption ist nicht möglich, da die Kolonne nur sehr träge auf veränderte Eingangsstoffe und Eingangskonzentrationen reagiert.

Mit einem Kurzwegverdampfer ist hingegen ein weitaus dynamischerer Betrieb bei einstufigen Trennprozessen möglich. Vor allem für Roh-Biodiesel, der in seiner Zusammensetzung stark schwanken kann, bietet dies zahlreiche Vorteile. So können unter anderem verschiedene Mengenströme eingestellt, die Beheizung reduziert bzw. erhöht oder die Rotordrehzahl beeinflusst werden.

Erforderliche Anpassungen an schwankende Zusammensetzungen des Eingangsstoffes lassen sich überdies bei Kurzwegverdampfern durchführen, ohne die Anlage händisch auseinandernehmen zu müssen, wie dies bei einer Kolonne der Fall sein kann. Der Betrieb kann im Bedarfsfall unterbrochen und wieder angefahren werden. Chargenbetrieb ist somit möglich.

5. Fouling Effekt ist minimiert beim Kurzwegverdampfer

Eine Rektifikationskolonne läuft meist ein Jahr und länger ohne Abschaltung. Dies begünstigt speziell bei Naturprodukten wie Biodiesel die unerwünschte Belagsbildung auf den Flächen der Kolonnenpackungen (Fouling). Als Folge davon sinkt die Wärmeübertragungsleistung, der Druckverlust steigt und die Trennqualität sinkt.

Dieser enorme Nachteil der Kolonne entfällt bei der Biodieseldestillation im Kurzwegverdampfer. Die rotierende Bauweise verhindert Fouling bereits im Entstehungsprozess, da die Wischerblätter unentwegt am Film an der Heizwand entlangstreichen. Auf diese Weise ist die kontinuierliche fluid-mechanische Reinigung der Heizfläche gewährleistet.

Die Wischerblätter des Kurzwegverdampfers reinigen kontinuierlich die Heizfläche und machen ihn ideal für Fouling-Anwendungen. © GIG Karasek

6. Unkomplizierte Reinigung und Wartung

Grundsätzlich müssen beide Destillationssysteme zu Wartungszwecken einmal pro Jahr heruntergefahren werden. Zusätzliche Stillstände und Reinigungen sind bei der Kolonne allerdings nicht möglich, ohne den Betrieb stark zu beeinflussen. Im Gegensatz dazu lässt sich ein Kurzwegverdampfer auch unterjährig sehr einfach reinigen, etwa durch Vollstellen mit Reinigungsmittel und langsam drehende Rotoren.

Vorteile bietet der Kurzwegverdampfer auch in Hinblick auf die Reinigungsdauer: Während der Reinigungsaufwand bei einem Kurzwegverdampfer lediglich einige Stunden beansprucht, dauert die Reinigung von Kolonnen zumindest einige Tage. Für die Reinigung von großen Kolonnen, deren Packungen für die Reinigung mit dem Kran herausgehoben werden müssen, ist ein Stillstand der Anlage von mehreren Wochen zu veranschlagen.

7. Betriebskosten doppelt bis dreifach geringer

Die Betriebskosten beider Trennverfahren sind zu 95 Prozent vom thermischen Energieverbrauch bestimmt. Dieser beläuft sich bei der Rektifikationskolonne in Abhängigkeit vom Rücklaufverhältnis auf das Doppelte bis Dreifache eines gleichwertigen Kurzwegverdampfers. Folgendes gilt:

• Je geringer die Kolonnenstufenzahl, desto höher ist das notwendige Rückflussverhältnis, um die gewünschten Trenngrade und Reinheiten zu erzielen.
• Je höher das Rücklaufverhältnis, desto höher ist auch der spezifische thermische Energieverbrauch einer Kolonne, da mehr Flüssigkeit im „Kreis" gefahren werden muss.
• Mit einem hohen Rückflussverhältnis ist auch eine Zunahme des Kolonnendurchmessers verbunden.

Rektifikationskolonnen können mit sehr großen Durchmessern gebaut werden, um hohe Durchsätze zu erreichen. Kurzwegverdampfer sind aufgrund der Geometrie mit einer Fläche von maximal 80 m2 Verdampferfläche begrenzt. Höhere Durchsätze sind erreichbar, indem mehrere Kurzwegverdampfer nebeneinander oder hintereinander geschaltet werden.

Letztlich muss im Einzelfall und je nach Aufgabenstellung abgewogen werden, welche Vorteile überwiegen. Eine Kolonne ermöglicht zwar einen höheren Durchsatz, ist jedoch auch mit signifikant höheren Energiekosten verbunden.



Im GIG Karasek Technikum steht eine große Auswahl an hochwertigsten und miteinander verschaltbaren Anlagen für Versuchszwecke zur Verfügung, um das optimale Verfahren zu finden. © GIG Karasek

Investitionskosten: Kurzwegverdampfer um Vielfaches günstiger

GIG Karasek entwickelt individuelle, massgeschneiderte Lösungen und Anlagen, die auf Basis der Zulaufmenge ausgelegt werden. Der Vergleich zweier gleichwertiger Anlagen mit einer Zulaufmenge von 7,5 Tonnen/Stunde ergibt bei aktuellen Materialpreisen eine Kostenrelation von 3,5 zu 1 zugunsten des Kurzwegverdampfers. In die Kalkulation wurden die zur Verdampfung, Stofftrennung sowie Kondensation nötigen Apparate einbezogen.

Der drastische Investitionsunterschied ist zum einen durch die hohen Kosten der Kolonnen-Packungen determiniert, zum anderen muss die Kolonne im Vergleich zum Kurzwegverdampfer sehr groß gebaut werden. Letzteres treibt aufgrund der Differenz in Gewicht und Stahltonnage die Materialkosten der Rektifikationskolonne in die Höhe.

Technikum: Testinfrastruktur für Kurzwegverdampfer

GIG Karasek verfügt mit dem Technikum über ein eigenes Test- und Entwicklungszentrum. Dort bieten wir interessierten Unternehmen die Möglichkeit, ihren Biodiesel Grundstoff testweise im Kurzwegverdampfer aufreinigen zu lassen. Die Versuchsreihen werden mit Drücken und Temperaturen durchgeführt, die sich auf Basis Hunderter Versuchsreihen als zielführend erwiesen haben. Nach Abschluss der Versuche erhält der Kunde 30 bis 40 Proben sowie einen detaillierten Technikum-Versuchsbericht zur weiteren Analyse der Trenngrade.

Fazit: Biodieseldestillation

Eine Rektifikationskolonne für die Biodieseldestillation einzusetzen, ist wie mit Kanonen auf Spatzen zu schießen. Das Verfahren ist für Anwendungen mit nur einem Trennschnitt suboptimal, da es sehr aufwendig und teuer ist. Ein Kurzwegverdampfer ermöglicht nicht nur eine schonendere Stofftrennung, sondern bietet auch ein höheres Maß an Effektivität und Flexibilität. Einfache Reinigung und deutlich geringere Betriebs- und Investitionskosten sind weitere Vorzüge der Kurzweg-Technologie.