Projekt des Monats: Klein aber oho – Mikrostrukturreaktoren im Blickpunkt

Die Anforderungen an den Anlagenbau sind so vielfältig wie die Palette der erzeugten Produkte. Der Rührkessel, eine der ältesten Bauformen für chemische Reaktionen, hat auch heute noch nicht ausgedient. Er wird stetig weiterentwickelt und an die neuen Anforderungen in der Produktion angepasst. In den letzten Jahren wurde viel Engagement in die Entwicklung von Mikrostrukturreaktoren gesteckt. Durch ihre dreidimensionalen Strukturen verfügen sie über ein größeres Oberflächen-Volumen-Verhältnis als konventionelle Reaktoren. Dadurch lassen sich Flüssigkeiten innerhalb von Millisekunden aufheizen. In den Mikrokanälen sind die Stoffwiderstände gering. Bei vielen industriellen Anwendungen in der Chemie, Pharmazie und Lebensmitteltechnologie kann so die Energie- und Stoffeffizienz deutlich gesteigert werden. Die Reaktionen sind schneller und besser kontrollierbar, die Selektivität steigt und der Lösemitteleinsatz kann minimiert werden. Das vereinfacht die Aufarbeitung der Produkte, spart Kosten und erhöht die Nachhaltigkeit des Verfahrens. Bisher konnte sich dieses innovative Verfahren in der breiten Anwendung allerdings noch nicht durchsetzen, da die die dünnwandigen Mikrokanäle (0,5 – 1,0 mm) einen besonderen Korrosionsschutz benötigen. Damit die Bauteile auch in aggressiver Reaktionsumgebung keinen Schaden nehmen, untersuchen Wissenschaftler in diesem Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung, inwieweit hochlegierte Nickelbasislegierungen und stähle als Werkstoffe für mikroverfahrenstechnische Anlagen geeignet sind und wie sich der Herstellungsprozess optimieren lässt. Als hochlegiert bezeichnet man Stähle, bei denen die Summe der Legierungselemente einen Gehalt von 5 Massenprozent überschreitet.

Mikroverfahrenstechnische Apparate sind aus dünnen Lagen mit Mikrostrukturen aufgebaut. Durch Diffusionsschweißen entstehen vollflächige Verbindungen. Damit besitzen sie eine hohe Druckfestigkeit. Allerdings sind die Bauteile bei diesem Prozess lange Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt, die bei 80 % ihrer Schmelztemperatur liegen. Das führt neben der Diffusion von Metallatomen über die Fügeebene auch zu einem Kornwachstum sowie unerwünschten Veränderungen bei der Korrosionsbeständigkeit. Deshalb wird geprüft, ob Laserschweißtechniken und verschiedene Beschichtungskonzepte den Korrosionsschutz verbessern. Lässt sich die Lebensdauer der mikroverfahrenstechnischen Bauteile deutlich verlängern, steht auch einer breiten Anwendung nichts mehr im Wege.

Mehr zum Projekt IGF 18034: Untersuchungen zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit mikroverfahrenstechnischer Bauteile für aggressive chemische Prozessmedien

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Projekt des Monats: Scheuerfest – neue Werkstoffe bei der Biomasseverbrennung

Fast 600 Biomasseheizkraftwerke waren 2013 nach Angaben der FNR in Betrieb – Tendenz steigend. Längst nutzen nicht nur holzverarbeitende Betriebe ihre Reststoffe zur Energiegewinnung, auch in der Landwirtschaft und in der kommunalen Versorgung gewinnt der Einsatz von Biomasse als Energielieferant an Bedeutung. Dabei handelt es sich in der Regel um kleinteilige Reststoffe, die für keine andere Nutzung geeignet sind. Spelzen, Restholz oder Stroh sind oft stark mit Sand verunreinigt; aber auch Kalium- und Chlorverbindungen gelangen mit der Biomasse in größerem Umfang in die Öfen. Für die Werkstoffe stellt das eine erhebliche Belastung dar: Während Sand abrasiv wirkt – also physikalisch an den Oberflächen „scheuert“ – entstehen in der Hitze aus Kalium und Chlor Verbindungen, die die Werkstoffe zusätzlich chemisch angreifen und bei chromlegierten Stählen zu giftigen Korrosionsprodukten führen. Das Ergebnis: Korrosion, die Lauf- und Lebenszeiten der Anlagen herabsetzt und hohe Kosten verursachen kann.

Gerade das Zusammenwirken von Abrasion und Korrosion wurde bisher nur wenig erforscht. Im Rahmen eines IGF-Vorhabends wollen Wissenschaftler deshalb neue Schutzschichten entwickeln, die auch den harschen Bedingungen bei der Biomasseverbrennung standhalten. Dazu untersuchen sie gezielt, welche Wirkung einzelne Elemente (Ni, Fe, Mo, W, Nb, Si) auf die Beständigkeit eines Werkstoffs haben. Ziel ist es, eine korrosions- und gleichzeitig abrasionsbeständige kostengünstige und chromfreie Alternative zu den bekannten teuren Mehrkomponentenmaterialien zu entwickeln.

Neben dem Einfluss der Schichtzusammensetzung auf die Korrosionsmechanismen werden die Auswirkungen der Temperatur und der Art der chlorreichen Umgebung (z.B. gasförmiges HCl, KCl-reiche Asche oder Schmelze) auf die mechanischen Eigenschaften und die thermische Ausdehnung der Schicht untersucht. Der kombinierte Angriff wird u.a. mittels eines Labor-Wirbelschichtreaktors in chloridhaltigen Atmosphären zusammen mit chloridreicher Bioasche bzw. synthetischen Aschen und durch Bewegung von Probestäben in chloridreichen Salzschmelzen untersucht. Im Hinblick auf die weitere Verwertung der Asche z.B. als Düngemittel sind niedrige Schwermetallgehalte wichtig. Daher ist die die Ermittlung der in der Asche enthaltenen Metalle geplant.

Ergebnis des Projekts soll eine Verwertungsmatrix sein; anhand einer Datenbank kann der Anwender die am besten geeigneten Beschichtung entsprechend seines spezifischen Problemfalls auswählen. Damit lassen sich über die bestehenden Anwendungen hinaus zudem neue Technologiefelder im Bereich der Hochtemperaturanwendungen erschließen.

Mehr zum Projekt: IGF 18118 N – Entwicklung korrosions- und gleichzeitig abrasionsfester Hochtemperaturschutzschichten für hochchlorhaltige thermochemische Prozesse

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Spielerei oder „Game Changer“? Additive Fertigung in der Prozessindustrie

Was man mit 3D-Druck so alles machen kann… zum Beispiel sich selbst als Actionfigur drucken, eine (noch ziemlich rudimentäre) Hand-Prothese herstellen oder essbare Kunstwerke aus Ziegenkäse produzieren. Der Fantasie sind kaum Grenzen gesetzt. Das gilt auch für Apparate- und Anlagenbauer – der Traum von der maßgeschneiderten Anlage rückt ein gutes Stück näher. Im Labor druckt sich schon heute mancher Wissenschaftler seine Wunschapparatur „mal eben“ selbst.

„Miniature human face models made through 3D Printing (Rapid Prototyping)“ von S zillayali – Eigenes Werk. Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons – https://commons.wikimedia.org /wiki//File:Miniature_human_face_models_made_ through_3D_Printing_(Rapid_Prototyping).jpg

Die Technologien, die dafür zur Verfügung stehen, sind vielfältig: Gedruckt wird beispielsweise mit Kunststoffen, Silikon, Aluminium oder Stahl. Je nach Material können unterschiedlichste Verfahren zum Einsatz kommen, vom Lasersintern oder Laserschmelzen über Pulverkleben, bei dem der feingemahlene Werkstoff mit Harzen oder Polymeren vermischt wird, bis zum 3D-Druck mit Photopolymeren. Aus den verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten ergibt sich eine schier unüberschaubare Vielfalt an Methoden, mit denen die unterschiedlichsten Anforderungen erfüllt werden können.

Auch in der Prozessindustrie beflügeln die neuen Technologien die Fantasie: Statt Ersatzteile zu produzieren und im Container oder per Luftfracht um die halbe Welt zu schicken, könnten zukünftig einfach die Daten an den Drucker gesendet werden, der dann vor Ort das benötigte Teil in kürzester Zeit passgenau „ausspuckt“. Und wenn es eine Apparatur mit den gewünschten Spezifikationen nicht auf dem Markt gibt, wird sie eben berechnet und selbst gedruckt. Spezialanfertigungen und kleine Losgrößen spielen keine Rolle mehr, Werkzeuge und Formen werden überflüssig, und Material kann auch noch gespart werden.

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Projekt des Monats :Strickmuster statt Edelstahl – Geflechtverstärkte Rohrleitungselemente mit festigkeitsoptimiertem Eigenschaftsprofil

Faserverstärkte Kunststoffe gehören zu den Tausendsassas der Werkstofftechnik. Von Flugzeugteilen über Fahrradrahmen, Helikopter-Fahrwerke bis zu Stoßfängern lassen sie sich einsetzen und überzeugen nicht nur durch ihre Haltbarkeit, sondern auch durch ihr geringes Gewicht.

Womit man über Stock und Stein brausen oder Hubschrauber landen kann, eignet sich auch für den chemischen Behälter- und Apparatebau.

Voraussetzung ist allerdings, dass die Bauteile sich kostengünstig und automatisiert herstellen lassen. Neue Flechttechniken sollen das möglich machen. Bisher wurden Bauteile aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen vor allem in Wickeltechnik hergestellt, das heißt, die Fäden wurden um einen Zylinder gewickelt

„31twill“ by Jauncourt – Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons – http://commons.wikimedia.org/wiki/File:31twill.png

Geflechte erlauben, auch weniger stark oder gar nicht gekrümmte Bauteile herzustellen. Einen Nachteil haben die bisher eingesetzten Flechtstrukturen allerdings: Beim Wickeln oder beim Legen in Schichten werden alle Fasern ganz gleichmäßig ausgerichtet und liegen sehr glatt. In Faserrichtung hat man dann eine maximale Festigkeit. Beim Flechten treten so genannte „Ondulationswinkel“ auf, das heißt, die Fasern schlingen sich umeinander und liegen nicht mehr alle exakt in einer Ebene; dadurch wird die Festigkeit etwas geringer. Dieser Ondulationswinkel hängt unter anderem vom Flechtmuster ab. Wer schon einmal gestrickt hat – „zwei rechts, zwei links, zwei fallenlassen“ – weiß, wie viele verschiedene Möglichkeiten es gibt, ein Geflecht zu erzeugen. Im Allgemeinen ist ein Geflecht mit weniger Kreuzungspunkten in der Faserrichtung reißfester, während Geflechte mit vielen Kreuzungspunkten Stößen besser standhalten.

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Projekt des Monats: Flexible angewandte Schraubverbindung? – Flansch

Quelle: DECHEMA/Stettin

Laut Duden ist das Wort „Flansch“ verwandt mit „flennen“. Die naheliegendste Verknüpfung ist sicherlich, dass man weinen muss, wenn der Flansch nicht dicht ist… Spaß beiseite, Flansche gehören zu den wichtigsten Komponenten im Anlagenbau. Sie verbinden Rohre miteinander und müssen gewaltigen mechanischen Beanspruchungen standhalten. Es gibt sie nicht nur aus Stahl, sondern auch aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK); dieses Material ist chemisch sehr beständig und kann gezielt für bestimmte Beanspruchungsprofile gestaltet werden. Dafür braucht man allerdings ein gutes Verständnis der Werkstoffeigenschaften. Im Idealfall werden schon bei der Herstellung der GFK-Flansche Verfahren eingesetzt, die gezielt eine bestimmte Faserorientierung einstellen. So können die Eigenschaften des Flansches auf die Anforderungen beim Einsatz passgenau ausgerichtet werden.

Im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung haben sich bereits mehrere Projekte mit der Entwicklung von Fertigungsverfahren und der Untersuchung von GFK-Flanschen befasst. Im aktuell laufenden Projekt sollen allgemeingültige Verbesserungsstrategien für die Fertigung unterschiedlich großer Flansche entwickelt werden. Gleichzeitig sollen Methoden erarbeitet werden, mit deren Hilfe man anhand von Messwerten vorhersagen kann, wie stark ein Flansch im Lauf der Zeit nachgibt („Schraubenkraftrelaxation“). Solche Erkenntnisse sind für den wirtschaftlichen Betrieb von Anlagen und die Wartung extrem wichtig.

Mehr zum Projekt Verbesserte Fertigung von GFK-Flanschverbindungselementen und werkstoffgerechte Beschreibung des Bauteilverhaltens im Betrieb IGF-Nr. 460 ZN

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Projekt des Monats: Leichtgewicht mit starker Schutzhülle

Magnesium besitzt die geringste Dichte aller Metalle. Seine Legierungen sind als Konstruktionswerkstoffe überall dort sehr gefragt, wo Gewicht gespart werden soll. Trotz des geringen Gewichts besitzen sie nämlich eine hohe Festigkeit. Ihr Einsatzgebiet reicht von Automobil- über Fahrrad- und Flugzeugteilen bis hin zu Produktionsequipment. Aber Magnesiumlegierungen sind sehr reaktiv und damit anfällig für Korrosion und Verschleiß. Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme in Dresden und dem DECHEMA-Forschungsinstitut in Frankfurt versuchen im Rahmen eines Projekts der Industriellen Gemeinschaftsforschung die Oberfläche der Legierung noch besser zu schützen. In einem neuen Verfahren kombinieren sie die gepulste plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) mit chemischer Nanotechnologie. Mit dieser Methode soll eine möglichst verdichtete, glatte Oberfläche erzeugt werden, die zudem noch selbstheilende Eigenschaften besitzt.

Die PEO ist ein gängiges Verfahren zum Oberflächenschutz von Leichtmetallen. Damit lässt sich die Oberfläche der Magnesiumlegierung mit einer extrem harten und dichten keramischen Schicht überziehen. Das zu beschichtende Werkstück wird in eine Salzlösung getaucht, die als Elektrolyt dient. Dann wird eine Stromquelle angelegt, wobei das Werkstück die Anode bildet.Die Anodisation erfolgt über Plasmaentladungen im Elektrolyten an der Oberfläche des zu beschichtenden Teiles: Es bildet sich ein Sauerstoff-Plasma, dass das Magnesium an der Oberfläche zum Schmelzen bringt und einen fest haftenden Oxidkeramik-Metallverbund erzeugt. Dies geschieht üblicherweise bei Spannungen von 300 – 500 V. Um die Korrosionsbeständigkeit noch weiter zu erhöhen, kann zusätzlich noch eine schützende Lackierung aufgebracht werden. Da diese Versiegelungen organische Substanzen erhalten, wird der bessere Korrosionsschutz aber mit einer schlechteren thermischen Beständigkeit erkauft. Neben der Korrosionsbeständigkeit spielen für Magnesiumwerkstoffe oft auch die thermische und/oder mechanische Belastbarkeit eine große Rolle, beispielsweise für Motorenkomponenten oder Magnesiumfelgen. Mit anorganischen korrosionsschützenden, verschleißbeständigen und thermisch stabilen Überzügen lassen sich diese Nachteile umgehen.

Durch die Kombination der PEO mit dem Einbau mesoporöser oxidischer Nanopartikel – diese Partikel besitzen einen Porendurchmesser zwischen 2 und 50 nm – wollen die Forscher nun die Oberflächenstruktur optimal gestalten, um die thermische Belastbarkeit der Legierung weiter zu verbessern. Außerdem rechnen sie für diesen Prozess mit einer deutlichen Energieeinsparung durch geringere Spannungen, so dass das Verfahren auch für die industrielle Massenproduktion attraktiv ist. Ein besonderes Novum ist die Integration einer Selbstheilungsfunktion in die Schutzschicht. Wird die Schutzschicht beispielsweise durch Kratzer beschädigt, werden Korrosionsinhibitoren, wie z.B. Seltenerdverbindungen, aus den mesoporösen Nanopartikeln freigesetzt und führen und schützen so die darunter liegende Materialschicht. Hierdurch bleibt der Korrosionsschutz auch nach dieser Beschädigung der Oberfläche erhalten.

Mehr zum Projekt: Erweiterung des Einsatzbereiches von funktionalen Beschichtungen gegen Metal Dusting für reduzierend-oxidierend wirkende Wechselatmosphären, IGF-Nr. 16898 N

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Projekt des Monats: Funktionale Beschichtungen gegen Metal Dusting

Vorher… [Copyright DECHEMA-Forschungsinstitut]

Ob bei der Nutzung fossiler Rohstoffe oder der Verarbeitung von Biomasse: Synthesegas  und ähnliche Gemische aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Wasserdampf bilden einen wichtigen Zwischenschritt in vielen chemischen Prozessen. Vereinfacht gesagt liefert das Synthesegas – egal woher es stammt – die kleinsten „Bausteine“, aus denen die v

erschiedensten Grundchemikalien aufgebaut werden können.  Seine Umsetzung in der Prozesstechnik stellt jedoch hohe Anforderungen an das Material: In Crack-Anlagen und Reformer-Einheiten der petrochemischen Industrie wird bei Temperaturen zwischen 450 und 900 °C gearbeitet. Unter diesen Bedingungen reagieren die heißen Gase mit dem Anlagenmaterial. Durch die Bildung von Graphit oder Metallkarbiden

…und nachher [Copyright DECHEMA-Forschungsinstitut]

kann im Werkstoff eine sogenannte „Aufkohlung“ statt.. Dadurch kommt es zu einer Versprödung der Bauteile. Als Extremform tritt bei einer hohen Kohlenstoffkonzentration das „Metal Dusting“ auf. Dabei scheidet sich Kohlenstoff als Koks und Ruß auf der Oberfläche und im Material an den Korngrenzen ab. Das metallische Bauteil zerfällt zu „Staub“, der aus Graphit und Metallpartikeln bzw. Metallkarbiden besteht.

Das Forschungsgebiet der Inhibierung von Aufkohlung und Metal Dusting mittels Beschichtungen ist noch jung. Am DECHEMA-Forschungsinstitut untersuchen Wissenschaftler die Abscheidung von Kohlenstoff auf Werkstoffoberflächen mittels Katalyse. Bisher wurden intermetallische Nickel-Zinn-Schichten untersucht. Sie zeigten eine sehr gute Beständigkeit gegenüber Aufkohlung und Metal Dusting. Allerdings werden sie vergleichsweise schnell durch Oxidation in synthetischer Luft geschädigt. Da viele Anlagen in Luft hochgefahren werden, muss eine funktionale Beschichtung auch bei höheren Sauerstoffpartialdrücken unversehrt bleiben.

In einem von der Industriellen Gemeinschaftsforschung geförderten Projekt werden daher weitere Konzepte untersucht, um auch in wechselnden Atmosphären (reduzierend und oxidierend) einen guten Schutz vor Metal Dusting zu erreichen. Dabei werden zwei Strategien verfolgt: Es wird untersucht, ob durch die co-Diffusion von oxidschichtbildenden Elementen wie Aluminium oder Chrom in die intermetallische Schicht eine Oxidbarriere über der kohlenstoffbeständigen intermetallischen Phase gebildet wird. Außerdem wird überprüft, inwieweit durch diese oxidationsbeständige Deckschicht über der intermetallischen Nickel-Zinn-Schicht die Schutzwirkung weiter erhöht werden kann.

Als Schwermetall ist Zinn in vielen Anlagen unerwünscht. Außerdem werden die natürlichen Zinnvorkommen in absehbarer Zeit erschöpft sein. Deshalb soll alternativ zur Nickel-Zinn-Beschichtung auch eine zinnfreie-Variante entwickelt werden, die ähnliche katalytische Eigenschaften besitzt.

Wenn es gelingt, eine Beschichtung zu entwickeln, die in reduzierenden/oxidierenden Wechselatmosphären resistent gegen Metal Dusting ist, kann die Laufzeit von Reformern für die Wasserstoffproduktion im mobilen und Kleinanlagensektor erheblich verlängert werden. Auch die Konstruktion der Komponenten im kritischen Temperaturbereich zwischen 400 und 900°C vereinfacht sich. Und zu guter Letzt: Es können kostengünstige Werkstoffe für kritische Bauteile eingesetzt werden.

Mehr zum Projekt Erweiterung des Einsatzbereiches von funktionalen Beschichtungen gegen Metal Dusting für reduzierend-oxidierend wirkende Wechselatmosphären, 16898 N

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