Vor fast 200 Jahren entdeckte der Schwede Nils Gabriel Sefström ein neues Element. Von der Farbenpracht seiner chemischen Verbindungen inspiriert, nannte er es „Vanadium“, nach der skandinavischen Göttin der Schönheit Vanadís (Freyja). Heute stellt U.S. Vanadium die reinsten Vanadiumverbindungen der Welt in industriellem Maßstab her. Gleitschieberventile von Schubert & Salzer sorgen dafür, dass dabei die ideale Prozesstemperatur erreicht und gehalten wird.
U.S. Vanadium in Arkansas, USA, ist einer der führenden Hersteller von Vanadiumverbindungen. Vanadiumlegierter Stahl wird in Brücken, Gebäuden, Autoteilen, in der Luft- und Raumfahrt sowie in Schiffen, Pipelines und vielen anderen Bereichen eingesetzt. Durch die damit ermöglichte Leichtbauweise können diese Bereiche ressourcenschonender und effizienter gestaltet werden.
Bekannt ist das Unternehmen vor allem für die von ihm hergestellten Verbindungen Vanadiumpentoxid (V2O5) und Vanadiumtrioxid (V2O3). Nach eigenen Angaben werden bei der Produktion der beiden Stoffe die weltweit höchsten Reinheitsgrade erzielt. Diese hochreinen Verbindungen werden in Spezialanwendungen wie Farbstoffen, Speziallegierungen oder als Katalysator in der Schwefelsäureproduktion eingesetzt. Vor allem die Energiewende treibt derzeit die Nachfrage, denn hochreine Vanadiumoxide sind der entscheidende Grundbaustein für den Betrieb sogenannter Vanadium-Redox-Flow-Batterien, mit denen Energie im großen Maßstab nachhaltig und ressourcenschonend gespeichert werden kann. Denn Vanadium-Redox-Flow-Batterien sind als Energiespeicher nahezu unbegrenzt skalierbar und weisen mit 15.000 bis 20.000 Lade- und Entladezyklen eine hohe Lebensdauer auf.
Produktion von Vanadiumoxiden ist Präzisionsarbeit
Als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Vanadiumoxiden dient eine Vielzahl von Industrieabfällen, wie zum Beispiel Schlacken aus der Stahlindustrie. Diese wird fein gemahlen und mit Natriumsalzen zu wasserlöslichen Natrium-Vanadium-Verbindungen oxidiert. Um diese möglichst effizient aus der Schlacke herauszulösen, wird die Suspension auf exakt 95 Grad Celsius erhitzt.
Bei diesem kontinuierlich ablaufenden Prozess kam es in der Vergangenheit immer wieder zu Temperaturschwankungen. Aufgrund der ständig zugeführten und wechselnden Einsatzmengen ist es schwierig, die optimale Suspensionstemperatur von 95 Grad Celsius exakt zu erreichen und zu halten. Um dieses Problem zu lösen und die Effizienz zu steigern, hat U.S. Vanadium eines der ersten in den USA gefertigten Flanschschieberventile Typ 8621 von Schubert & Salzer an einer zentralen Stelle im Prozess getestet. „Die Inbetriebnahme des Ventils hätte nicht einfacher sein können. Der Stellungsregler ist selbsteinstellend. Sobald die Anschlüsse für die Zuluft und die Stromversorgung hergestellt sind, muss nur noch die Selbstjustierung eingeleitet werden. Die Gleitschieberkonstruktion des Ventils macht die Installation zu einem Klacks, da ein kleinerer Stellantrieb zur Steuerung des Ventils ausreicht, wodurch die Gesamtgröße kompakter wird“, erklärt Ben Davis, Prozessingenieur und Projektleiter bei U.S. Vanadium.
Gleitschieberventile ermöglichen bessere Prozesssteuerung und mehr Effizienz
Dies ist auf das physikalische Grundprinzip der Gleitschieberventile zurückzuführen: Zwei senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnete, geschlitzte Dichtscheiben werden gegeneinander verschoben. Der Antrieb muss lediglich die Gleitreibung zwischen den beiden Scheiben über einen Ventilhub von sechs bis neun Millimetern überwinden. Die erforderliche Stellkraft ist um bis zu 90 Prozent geringer als bei anderen Ventilbauarten, so dass deutlich kleinere Antriebe eingesetzt werden können. Gleitschieberventile Typ 8621 sind daher bei gleicher Baulänge kompakter und einfacher zu handhaben als vergleichbare Sitzkegelventile.
„Der kleinere Antrieb ist auch im Hinblick auf die Energiekosten von Vorteil. Durch den kürzeren Hub und die geringere Kraft, die zum Absperren und Regeln des Ventils erforderlich ist, wird weniger Luft benötigt", erklärt Davis. „Wir haben dieses Ventil in einer Dampfleitung installiert, die zum Beheizen der Suspension in einem rund 50.000 Gallonen fassenden Tank (entspricht rund 190.000 Litern) verwendet wird, in dem wir Vanadium auslaugen. Dabei handelt es sich um einen kontinuierlichen Prozess, bei dem 100 bis 140 Gallonen (etwa 400 bis 550 Liter) kalte Suspension pro Minute zugeführt und die gleiche Menge abgezogen wird. Die Suspension im Tank wird dabei auf 95 Grad Celsius Temperatur gehalten.”
Schon nach kurzer Zeit war klar, dass sich der Austausch des zuvor installierten Sitzkegelventils gegen ein Gleitschieberventil vorteilhaft auf den Prozess auswirkte und somit die Effizienz der Herstellung extrem reiner Vanadiumoxide erheblich verbessert werden konnte. „Mit dem neuen Ventil können wir den Prozess besser steuern, so dass wir die benötigte Wärmeenergie für die ankommende kalte Suspension anpassen können, was die Temperaturschwankungen reduziert”, sagt Davis.
Gute Aussichten für die Energiewende
Die Umstellung auf Gleitschieberventile von Schubert & Salzer leistet einen tiefgreifenden Beitrag beim kontinuierlichen Bestreben von U.S. Vanadium, die Effizienz des Herstellungsprozesses zu steigern und Betriebskosten weiter zu senken. Direkt angrenzend an die verbesserte Anlage zur Gewinnung der Vanadiumoxide wurde nun eine neue Anlage zur Herstellung der Elektrolyte für Vanadium-Redox-Flow-Batterien in Betrieb genommen. Der Hersteller deckt damit nun die gesamte Lieferkette für ultrareine Vanadium-Elektrolyte ab.
