Wie Schwefelsäure die Pumpe herausfordert

Bei reiner hochkonzentrierter Schwefelsäure mit einem Konzentrationsgehalt von 96 – 99 Prozent wirkt das Medium nicht nur extrem korrosiv, sondern erreicht während des Verarbeitungsprozesses auch sehr hohe Temperaturen von bis zu 240 °C. Durch diese Eigenschaften, denen viele Werkstoffe nicht gewachsen sind, stellen sich auch hohe Anforderungen an Pumpen, die in Schwefelsäureanlagen verbaut sind.

Eines der wenigen Unternehmen weltweit, das Pumpen für den gesamten Produktionsprozess von Schwefelsäure – vom Beginn bis zur Wiederaufbereitung – anbieten kann, ist das Traditionsunternehmen Rheinhütte Pumpen GmbH aus Wiesbaden. Je nach Anwendungsbereich, Säurekonzentration, Feststoffgehalt und Strömungsgeschwindigkeit setzt Rheinhütte auf Werkstoffe aus Kunststoff oder Metall zur Herstellung von Pumpen, die durch die Werkstoffvielfalt optimal auf das jeweilige Einsatzfeld zugeschnitten werden können.

Durch die weltweit stetig wachsenden Bevölkerungszahlen wird auch der Bedarf an Düngemitteln kontinuierlich größer. Das wiederum hat zur Folge, dass die Produktion von Schwefelsäure immer weiter ansteigt: Während 2005 weltweit ca. 194 Millionen Tonnen Schwefelsäure produziert wurden, waren es nur zehn Jahre später bereits 214 Millionen Tonnen und im Jahr 2017 bereits 272 Millionen Tonnen. Rund 50 Prozent der gewonnenen Schwefelsäure wird zur Düngemittelherstellung verwandt. H2SO4 kommt aber auch bei der Papierherstellung, zum Beizen von Stählen oder in der Titandioxid-Produktion zum Einsatz.

Je nach Anwendung sind in Industrieprozessen Schwefelsäuren in unterschiedlichen Konzentrationen und Gemischen vorzufinden. Verdünnte Schwefelsäure oder Dünnsäure weist nur einen geringen Schwefelsäureanteil von maximal 25 Prozent auf und fällt in vielen Prozessen als Abfallsäure an, die im Anschluss wieder aufbereitet wird. Weitere häufig anzutreffende Schwefelsäuren sind Trockner-Säure (75 Prozent – 98 Prozent) sowie Oleum, ein Gemisch aus 100 Prozent Schwefelsäure mit SO3-Gas, das häufig als „über 100-prozentige“ Schwefelsäure bezeichnet wird.

Wohl am anspruchsvollsten in der Handhabung ist die reine hochkonzentrierte Schwefelsäure (96 Prozent – 99 Prozent), die während des Verarbeitungsprozesses Temperaturen von bis zu 240 °C erreicht – eine Herausforderung für Pumpen im Einsatz.

Rheinhütte ist einer der wenigen Hersteller weltweit, die Pumpen für den gesamten Prozess der Schwefelsäureherstellung liefern können, von der Beförderung des – häufig feststoffbeladenen – Rohschwefels bis hin zur Wiederaufbereitung von Dünnsäure. Das Unternehmen greift dabei auf jahrelange Erfahrung mit korrosions- und verschleißbeständigen Werkstoffen aus den Werkstoffgruppen Kunststoff, Metall und Keramik zurück. Für Schwefelsäureanwendungen eignet sich vornehmlich der Einsatz von Metall oder Kunststoff, wie folgende Beispiele belegen.

Für Schwefelsäureanwendungen, bei der hochkonzentrierte Schwefelsäure gefördert wird, fertigt Rheinhütte häufig Pumpen aus der metallischen Legierung 1.4136S, einem ferritischen Werkstoff mit 30 Prozent Chrom, 2,5 Prozent Molybdän und ohne Nickel in der Legierung. Neben 1.436S gehört auch der RH-RS, ein hochlegierter, ferritischer Stahlguss, zu den Sonderwerkstoffen von Rheinhütte, die sich für das Verpumpen reiner Schwefelsäure eignen. Die beiden Werkstoffe sind beispielsweise bei hochkonzentrierter Schwefelsäure bis 180 °C und Oleum im Einsatz und äußerst korrosions- und erosionsbeständig.

Wenn aufgrund einer mittleren Säurekonzentration und hohen Temperaturen die meisten gängigen Werkstoffe versagen, greift man bei Rheinhütte auf den Werkstoff Siguss zurück. Siguss ist die einzige metallische Legierung, die für H2SO4 in allen Konzentrationen bis zur Siedetemperatur chemisch beständig bleibt. Die Legierung enthält etwa 15 Prozent Silizium und bis zu 5 Prozent Chrom. Siguss-Pumpen sind zwar extrem anspruchsvoll in der Verarbeitung und Wartung, da der Werkstoff äußerst spröde ist. Ansonsten ist Siguss aber höchst leistungsfähig. Rheinhütte ist derzeit der einzige Pumpenhersteller weltweit, der Pumpen für Schwefelsäureanwendungen aus chromhaltigen Siguss produziert.

Eine dem Siguss vergleichbare Korrosionsbeständigkeit hat der Kunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE). Allerdings ist die Festigkeit, je nach Baugröße, nur bis max. 180 °C gegeben. An seine Grenzen stößt PTFE, wenn die zu verpumpende Säure feststoffbeladen ist. Der Kunststoff ist im Vergleich zu Edelstahl bedeutend weicher, entsprechend würden PTFE-Pumpen durch das Verpumpen von verunreinigten Medien schneller verschleißen.

Für die Herstellung von Schwefelsäure wird zunächst flüssiger Schwefel bei Temperaturen zwischen 135 °C und 155 °C verpumpt. Die GVSO und RCEV-Pumpen sind dafür besonders geeignet, da sie beheizt werden und damit den flüssigen Aggregatszustand des Rohschwefels garantieren können. Der flüssige Schwefel kann verunreinigt und feststoffbeladen sein. Eine weitere Herausforderung, die für die GVSO aber kein Problem darstellt. Bei stark feststoffbeladenen Medien wird die RCEV eingesetzt.

Während Kunststoff-Pumpen für hoch konzentrierte Schwefelsäure und bei hohen Temperaturen ungeeignet sind, sind sie im niedriger konzentrierten Bereich häufig im Einsatz, beispielsweise zur Verpumpung von Waschsäure, einem Gemisch aus 15- bis 75-prozentiger Schwefelsäure und Schwefeldioxid.

Für alle Schwefelsäuren höherer Konzentration, von Gas-Trockner-Säure bis hin zur reinen hochkonzentrierten Schwefelsäure, ist die GVRN-Pumpe im Einsatz. Die vertikale Kreiselpumpe ist in der Ausführung GVRN 450/500 in der Lage, bis zu 3.000 Kubikmeter Schwefelsäure pro Stunde zu verpumpen. Auch die RMKN von Rheinhütte, eine Magnetkupplungspumpe aus Metall, eignet sich zur Förderung von heißer und aggressiver Schwefelsäure, wobei Horizontalpumpen während des Schwefelsäureherstellungsprozesses eher die Ausnahme darstellen.

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