Fallstudie: Wärmeausdehnungskompensatoren für eine Wirkstoffanlage

Ein CDMO für pharmazeutische Wirkstoffe hat eine neue Anlage gebaut. Sie fährt im Auftragsbetrieb wechselnde Säuren und Basen durch Leitungen, die zwischen den Armaturen abgesperrt sind. Erwärmt sich das Medium dort, steigt der Druck, das Sicherheitsventil spricht an, und es folgen Stillstand, Störfall und Dokumentation.

Der Betreiber wollte das im Neubau vermeiden. Dieser Beitrag zeigt, wie wir die Absicherung gemeinsam mit ihm ausgelegt haben.

Ausgangslage

Der Kunde setzt bereits seit längerem SAIP-Wärmeausdehnungskompensatoren in anderen Anlagen seines Werks ein. Bisher hat er sie einzeln beschafft und in bestehende Anlagen integriert. Für den Neubau hat er die Auslegung direkt mit uns durchgeführt und die Komponenten anschließend dem Anlagenbauer vorgegeben.

Das Ziel war ein stabiler Prozess ohne Produktionsstopps durch Überdruck.

Auslegung

Der Kunde lieferte Temperaturen, Minimal- und Maximaldrücke und die Leitungsdaten. Daraus haben wir je Leitung das eingeschlossene Volumen berechnet. Mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des jeweiligen Mediums ergibt sich die Volumenzunahme und daraus die Kompensatorgröße.
Das Ergebnis sind sieben Kompensatoren in vier Größen (0,05 / 0,1 / 0,35 / 0,75 Liter).

Das Auslegungskriterium bei jedem einzelnen:
Der Druck bei der höchsten Prozesstemperatur bleibt unter dem zulässigen Anlagendruck.

Werkstoffe und Ausführung

Die Behälter sind SAIP-Flachmembranspeicher der Baureihe APTX (APT: Flachmembran, X: ATEX-Ausführung).

Bereich	Körper und medienberührte Teile	Membran	Anschluss
Essigsäure	316L	TFM	TRICLAMP ISO 1127 Reihe B
Wechselnde Säuren und Basen	Hastelloy C-276	TFM	DN15 TRICLAMP ASME BPE (Reihe C), in Hastelloy

Für Hastelloy C-276 wurde sich wegen der Beständigkeit gegen die vorgesehenen Säuren und Basen entschieden. Alle medienberührten Flächen sind auf Ra 0,8 µm elektropoliert, alle Anschlüsse geschweißt.

Dokumentation

Mitgeliefert wurden Konformitätserklärung nach DIN EN 13445-3, Zeugnisse 2.2 und 3.1, FDA-Konformität, BSE/TSE-Freiheitsbestätigung, Zeichnung und die ATEX-Exemption-Declaration für Zone 1 und 2.

Ablauf

1. Berechnung und technische Abklärung mit dem Kunden
2. Angebot an den Anlagenbauer
3. Technische Revision gemeinsam mit Anlagenbauer und Kunde
4. Bestellung und Lieferung an den Anlagenbauer

Ergebnis

Die sieben Wärmeausdehnungskompensatoren sind in der neuen Anlage eingebaut und erfüllen ihre Aufgabe: Sie stabilisieren den Prozess, ohne im Betrieb aufzufallen und genau das ist bei einer Absicherung gewollt.

Auslegung mit Reserve. In allen sieben Berechnungen bleibt der Druck bei der höchsten Prozesstemperatur unter dem zulässigen Anlagendruck.
Rechnerisch dürfte die Temperatur bei jedem Behälter noch um mindestens 15° C über die Maximaltemperatur der Auslegung steigen, bevor der zulässige Druck erreicht wäre.
Eine Erwärmung der Leitung über den Planungswert hinaus führt deshalb nicht sofort zu Überdruck.

Geschlossenes System. Der Wärmeausdehnungskompensator nimmt das zusätzliche Volumen auf und gibt es bei Erkalten direkt in die Leitung zurück. Die Auslegung zielt darauf, dass das Sicherheitsventil durch thermische Ausdehnung gar nicht erst anspricht. Es bleibt als Absicherung für andere Störfälle in der Anlage.

Eine Auslegung für wechselnde Medien. Die Werkstoffe sind auf die vorgesehenen Säuren und Basen abgestimmt. Der Betreiber kann die Anlage im Auftragsbetrieb einfach zwischen den Medien wechseln.

Betrieb und Wartung. Die Vorspannung lässt sich ohne Ausbau prüfen. Für einen Membranwechsel wird der Behälter aus der Leitung ausgebaut, das Wechselintervall hängt vom Medium ab.