Reindampferzeuger in der pharmazeutischen Industrie

Zur Erzeugung von Reindampf gibt es verschiedene Verfahren, denen in der Regel eine Entgasung vorangestellt wird und eine Tröpfchenabscheidung folgt.

Nicht kondensierbare Gase entfernen

Eine Entgasung dient zum Entfernen von nicht kondensierbaren Gasen im Dampf. Nach EN285 darf der Bestandteil an nicht kondensierbaren Gasen nicht größer als 3,5Vol.-% sein. Als Messverfahren zur Messung von nicht kondensierbaren Gasen ist das Verfahren mit Glasbürette nach EN285 (Labormessverfahren) sehr zeitaufwendig, aber genau und mit geringem Investitionsaufwand verbunden. Darüber hinaus gibt es ein automatisches Messverfahren zur Messung nicht kondensierbarer Gase, wie etwa den Vapocontrol-Gas-Detector.

Entgasungen sind dem Reindampferzeuger entweder vorgeschaltet oder in diesen integriert. Um nicht kondensierbare Gase zu reduzieren, muss das Speisewasser entgast werden. Zur Entgasung des Speisewassers gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine ist die Entgasung mittels Membranentgasung, eine weitere die Entgasung mittels Entgasungsbehälter. Das Speisewasser wird mit einem Sterilwärmeübertrager vorgewärmt und in einen Entgasungsbehälter gefördert, in dem das Speisewasser – für den Reindampferzeuger – konstant bei 90 bis 95°C gehalten wird. Das ausgetretene Gas wird über eine Entgasungsleitung aus dem Behälter gefördert.

Isoliertes Fallrohr als treibende Kraft

Im Naturalumlaufverfahren wird das zum Verdampfen erforderliche Speisewasser über das in den Röhrenwärmeübertrager integrierte Fallrohr zugeführt. Die hierzu verwendeten Wärmeübertrager sind nach dem Stand der Technik mit doppelter Rohrplatte (Leckagesicherung) ausgeführt. Das Fallrohr ist mit einem luftgepolsterten Isolierrohr ausgestattet. Das durch die Isolierung des Fallrohres von oben nach unten entstehende Temperaturgefälle bewirkt, dass vor dem Wärmeübertrager kühleres Wasser ist als nach bzw. oberhalb des Wärmeübertragers. Die beheizten Rohre des Rohrbündelwärmeübertragers erwärmen das sich in ihnen befindende Wasser, so dass dieses aufgrund der hiermit verbundenen Dichteänderung im Rohrbündel nach oben steigt. Kühleres Wasser strömt von unten aus dem Fallrohr kommend in den Wärmeübertrager ebenfalls nach oben nach.

Durch das Fallrohr , das wie ein Kühler wirkt, sinkt kälter werdendes Wasser nach unten und ersetzt das im Wärmeübertrager aufgestiegene Wasser. Das isolierte Fallrohr ist damit quasi die treibende Kraft für den ständig stattfindenden Umlauf. Der hierdurch entstehende Kreislauf gibt diesem Verfahren seinen Namen „Naturalumlaufverfahren“.
Das in dem Wärmeübertrager aufsteigende Wasser wird in diesem so stark erhitzt, dass sich hier Dampfblasen bilden, die kontinuierlich nach oben steigen. Die in dem komplett mit Wasser gefluteten Wärmeübertrager nach oben steigenden Dampfblasen treten an der Wasseroberfläche aus und bilden eine kontinuierliche Dampfströmung aus. Die beim Austritt der Dampfblasen von der Wasseroberfläche abgelösten Wassertropfen werden ab einer bestimmten Größe von dem Dampfstrom mitgerissen. Größere Wassertropfen fallen aufgrund der auf sie wirkenden Gravitationskraft wieder nach unten (Gravitationsabscheidung).

Tröpfchengröße ist entscheidend

Wichtig hierbei: Je geringer die Dampfstromgeschwindigkeit ist, desto kleiner sind die mitgerissenen Tropfen und damit auch die insgesamt mitgerissene Wassermasse. Dies ist für die spätere Tropfenabscheidung und der insgesamt erreichten Pyrogenverringerung von Bedeutung, die mindestens drei log10-Stufen zwischen dem Kondensat und dem Rohwasser des Reindampferzeugers erreichen sollte. Die vom Reindampf mitgerissenen feinsten Wassertröpfchen werden nun in einer Grobabscheidung mit Umlenkblechen (Massenträgheit) und danach in einem sogenannten Glockenbodenabscheider (Massenträgheit) separiert. Der Reindampf verlässt den Reindampferzeuger mittig am oberen Reindampfaustritt.

Beim Fallstromverfahren wird das Speisewasser von unten durch ein durch den kompletten Reindampferzeuger verlaufendes Rohr oberhalb des sich im oberen Bereich des Reindampferzeugers angeordneten Wärmeübertragers zugeführt. Das Wasser wird fallend durch den Wärmeübertrager in den unteren Bereich gedrückt und dabei erhitzt.
Beim Reindampferzeuger mit externem Wärmeübertrager liegt der Wärmeübertrager zur Erhitzung außerhalb des eigentlichen Reindampferzeugers. Das Speisewasser wird mit einer Pumpe in den Reindampferzeuger gefördert. Der Füllstand wird hierbei durch eine Niveauregulierung auf einer konstanten Höhe gehalten. Das Wasser fließt durch eine Rohrverbindung in den externen Wärmeübertrager und wird hier auf die erforderliche Verdampfungstemperatur erhitzt. Das erhitzte Wasser strömt aus dem Wärmeübertrager zurück in den Reindampferzeuger, wo Dampf entsteht. Durch die geringe Strömungsgeschwindigkeit im Dampferzeuger fallen hier auch kleine Tröpfchen nach unten in den Reindampferzeuger zurück, während der Dampf oben nach einer zusätzlichen Tröpfchenabscheidung austritt. Durch die Erhitzung des Wassers im Wärmeübertrager bildet sich eine Zirkulation zwischen Wärmeübertrager und Reindampferzeuger.

Fein- und Grobabscheidung

Wichtige Komponenten der Reindampferzeuger sind die sogenannten Tröpfchenabscheider. Man unterscheidet hier zunächst nach ihrem Abscheidegrad in Grobabscheidung und Feinabscheidung. Bei der Grobabscheidung werden größere vom Wasserdampf mitgerissene Wassertröpfchen abgeschieden. Gängige Verfahren zur Grobabscheidung sind:

• Gravitationsabscheidung: Bei entsprechend geringer Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes können Wassertropfen ab einer bestimmten Größe nicht weiter mitgerissen werden.
• Umlenkbleche: Die Strömungsrichtung des Dampfes wird durch Umlenkbleche abrupt geändert. Aufgrund der höheren Massenträgheit der Wassertropfen im Verhältnis zum Dampf können diese den Richtungswechsel nicht vollziehen. Sie prallen an die Bleche und werden abgeschieden. Die Strömungsgeschwindigkeit hat hierbei wesentlichen Einfluss auf den Abscheidegrad, darf aber auch nicht so hoch sein, dass wieder neue Wassertröpfchen aus dem Abscheider mitgerissen werden.

Bei der Feinabscheidung werden auch feinste vom Wasserdampf mitgerissene Wassertröpfchen abgeschieden. Gängige Verfahren zur Feinabscheidung sind:

• Glockenbodenabscheider: Der Glockenbodenabscheider funktioniert auch, genau wie die Umlenkbleche, nach dem Prinzip der Massenträgheit. Durch mehrfache schnelle Richtungswechsel der Reindampfströmung werden auch kleinste Wassertröpfchen abgeschieden.
• Demister: Wird aus hygienischen Gründen heute in Reindampfsystemen nicht mehr eingesetzt.
• Zyklonabscheider: Auch der Zyklonabscheider funktioniert nach dem Prinzip der Massenträgheit. Hier wird allerdings die Reindampfströmung mit hoher Strömungsgeschwindigkeit spiralförmig umgeleitet, so dass die auf die Wassertröpfchen wirkende Zentripetalkraft diese gegen außenliegende Abführbleche drückt und diese somit abgeschieden werden.

Qualitätsrelevante Messungen

Als qualitätsrelevante Anlagenparameter sind für Reindampferzeuger Temperatur (Druck), Leitfähigkeit und TOC-Gehalt anzusehen. Diese Größen werden mit geeigneten und kalibrierten Messgeräten online überwacht. Einzig der TOC-Gehalt des Wassers (Kondensat) wird häufig im Labor ermittelt, da eine Online-Messung noch nicht vorgeschrieben ist und Online-TOC-Messgeräte sehr teuer sind. Ebenfalls im Labor wird das Kondensat auf Pyrogene untersucht.

Beim Naturalumlaufverfahren ist das isolierte Fallrohr quasi treibende Kraft für den ständigen Umlauf