Gasmischer für Pyrolysereaktoren der nächsten Generation

Keramischer 3D-Druck revolutioniert die Herstellung von e-fuels

27.06.2022

Autor: Berthold Heinrich, Gründer und Eigentümer, Keramik Innovation Berthold, Erlangen

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Beschreibung des Bauteils: Das Projekt von ExxonMobil R & E Co. und Keramik Innovation Berthold befasste sich mit der Entwicklung eines Gasmischers. Der Mischer ist eine Komponente der neuen Generation von Chemieanlagen zur Pyrolyse von Kohlenwasserstoffausgangsmaterialien. Eine von vielen Anwendungen ist die Herstellung von e-fuels. 

Der Mischer ist mittels keramischen FDM- 3D-Drucks aus Aluminiumoxid gefertigt. Das dazu verwendete Filament hat Keramik Innovation Berthold in Kooperation mit der Krahn Ceramics GmbH hergestellt.

Keramik Innovation Berthold Gasmixer mit Daten
Gasmischer mit Details zum Aufbau (mit Klick vergrößern)

Herausforderung: Die neue Generation von Pyrolysereaktoren arbeitet mit höheren Temperaturen als ihre Vorgänger. Zusätzlich bewegt sich eine „Hitzewelle“ im Reaktor hin und her. Dadurch sind die Komponenten dauerhaft einer Temperaturdifferenz von bis zu 1.200 °C ausgesetzt. Durch diese neue Prozessführung ist es möglich, die Anlagengröße um bis zu 40% zu reduzieren. Trotz der höheren Prozesstemperaturen benötigen die neuen Anlagen durch die Größenreduktion weniger Energie. 

Es ist aber zunehmend der Einsatz technischer Keramik nötig. So werden Honeycomb-Rohre zum Gastransport vor und nach der Mischeinheit an Stelle von Metallrohren verwendet. 

Die Schwachstelle der ersten Testanlagen war die Mischeinheit. Diese wurde aus einer 25 cm hohen Säule aus keramischen Mehrlochscheiben gebildet. Nach maximal fünf Tagen Betrieb fielen einzelne Scheiben der Säule durch Risse aus. Als Ursache wurde die thermische Spannung, die in der Säule entsteht, identifiziert. Simulationsrechnungen bei ExxonMobil zeigten, dass eine massive Dickenreduzierung der Mischeinheit die Lösung ist.

Lösung: Gemeinsam wurde ein neues Mischkonzept entwickelt, welches über eine spezielle Zwangsführung des Gases durch die feinen Stäbe erreicht wurde. Diese Gasführung wird durch den Versatz der Stäbe in jeder Lage erreicht. Dadurch gibt es keine frei durchströmbaren Kanäle wie bei einer normalen Siebstruktur. Der so entstandene Mischer hat in der kleinsten Version 702 solcher Stäbe.

Traditionelle Alternativen der Keramikherstellung wären:

  1. Die Extrusion eines Ringes, Grünbearbeitung der 1404 Bohrungen und Einfädeln von 702 ebenfalls extrudierten Stäbchen
  2. Herstellung von vier Presswerkzeugen und anschließendes Zusammensetzen vor dem Brand (= Garnieren). Dabei müssen 0,8 mm dicke Bauteile gepresst werden, was erhebliche Schwierigkeiten bei der Handhabung bereitet.

Somit ist der Mischer ein Bauteil, welches nur mit keramischem 3D-Druck kostengünstig hergestellt werden kann.

Fazit: Dieser Mischer kann von allen Anwenderinnen und Anwendern verwendet werden, die eine homogene Gasmischung auf niedrigstem Raum benötigen. 

Er zeigt auch eindrücklich, dass 3D-gedruckte Keramiken durch die Freiheit bei der Bauteilgestaltung bei komplexen Herausforderungen die kostengünstigste Lösung sein können. In der nächsten Entwicklungsstufe ist der Mischer als widerstandsbeheizbare Version geplant. Dies macht dann den direkten Eintrag der Prozessenergie möglich.

Allgemeine Informationen zum Bauteil:
Material: Keramik Verfahren: Material Extrusion Wertschöpfungskette: In-Processing Branche: Chemietechnik Produktionsmenge: bisher 20 Stück. Größere Version im Bau Hersteller: Keramik Innovation Berthold Kunde: ExxonMobil R&E Co.