Oszillierende Verdrängerpumpen

Die Lebensmittel- und die Pharmaindustrie stellen bei der Extraktion von Wirk- und Wertsubstanzen, Aroma- und Geschmacksstoffen notwendigerweise sehr hohe Anforderungen an die Qualität und Wirtschaftlichkeit des Extraktionsprozesses. Obwohl die gute Eignung des Kohlendioxids als Lösemittel seit längerem bekannt ist, wird es erst seit einigen Jahren als Trennmittel industriell eingesetzt. Eine bevorzugte Anwendung findet das Verfahren in der Extraktion pflanzlicher Rohstoffe.

Die Hauptvorteile der Extraktion mit CO2 sind einerseits die thermisch sehr schonende Behandlung der Stoffe und andererseits die Reinheit des Endproduktes, d.h. Extrakte enthalten keine Restlösemittel mehr. Außerdem gestattet das Verfahren eine hohe Selektivität der Extraktion. Aus demselben Rohstoff können durch geeignete Wahl der Prozeßparameter (Druck und Temperatur) auch unterschiedliche Wirkstoffe extrahiert werden. Diese Eigenschaft des CO2 verlangt, daß die Parameter Prozeßdruck, Prozeßtemperatur und Volumenstrom der Extraktionsanlage sehr genau auf den erforderlichen Sollwerten gehalten werden.

Die Druckerzeugung und Volumenstromregelung erfolgt bevorzugt durch eine Verdrängerpumpe, die den hohen Anforderungen an die Regelfähigkeit und den konstanten Volumenstrom gerecht wird und sich damit sehr gut den Eigenschaften des CO2 anpassen kann. Durch entsprechende Schad-raumminimierung kann mit einer oszillierenden Verdrängerpumpe trotz der hohen Kompressibilität des flüssigen Kohlendioxids ein sehr guter volumetrischer Wirkungsgrad erreicht werden. Aufgrund der hohen Prozeßdrücke und der relativ geringen Volumenströme ist dieser Pumpentyp für die CO2-Extraktion besonders gut geeignet. Verdrängerpumpen stellen daher eine Pumpengattung dar, die bei gutem Gesamtwirkungsgrad, d.h. wirtschaftlich, die geforderten Prozeßdaten erreicht und eine genaue Einhaltung der Parameter gewährleistet. Diese Stabilität folgt aus der guten Drehzahlproportionalität des Volumenstroms und seiner weitgehenden Unabhängigkeit vom Prozeßdruck.

Eine CO2-Extraktionsanlage besteht im wesentlichen aus vier Komponenten:

• einer Hochdruck-Verdrängerpumpe zur Verdichtung und Förderung des flüssigen Extraktionsmediums CO2,

• einem Druckbehälter zur Durchführung der Extraktion, dem sogenannten Extraktor,

• einem weiteren Druckbehälter, in dem der gewonnene Extrakt vom Trägergas getrennt wird, dem sogenannten Abscheider,

• aus verschiedenen Wärmetauschern zur Einstellung der Extraktions- und Abscheidetemperaturen.

Im Bezug auf die Auslegung der Pumpe, die das CO2 für die Extraktion fördern soll, werden besondere Anforderungen gestellt. Um das CO2 in den überkritischen Zustand zu überführen, muß es zunächst in der Pumpe auf den erforderlichen überkritischen Druck verdichtet werden. Im Vergleich zu Wasser zeigt flüssiges Kohlendioxid eine erheblich höhere Kompressibilität. Die für die Fördermenge wesentlichen Dichtewerte (saugseitig und druckseitig) lassen sich aus Tabellen der thermodynamischen Zustandsgrößen entnehmen. Jedoch verbleiben beim Druckaufbau Abweichungen, die vermieden werden müssen. Die Abweichungen resultieren aus der nicht berechenbaren Temperatureinstellung während des Verdichtungsvorganges. Bei großer Pumpenleistung entstehen dadurch Fördermengenfehler, die nur durch praktische Erfahrung und Messungen an der laufenden Pumpe beseitigt werden können.

Daneben sind die Erfordernisse nach hoher Dauerfestigkeit der Bauteile sowie einer kavitationsfreien Förderung bei hohem Gesamtwirkungsgrad der Pumpe zu beachten. Die Verdrängerabdichtung und die Dichtheit der Saug- und Druckventile sind dabei besonders gefordert. Die Anforderungen an die flüssigkeitsberührten Teile sind nur durch ganz spezielle Konstruktionen in Verbindung mit dem Einsatz von Sonderwerkstoffen zu erfüllen. Einziges Standardelement einer solchen Pumpe ist das Triebwerk mit Kreuzkopf und Kurbeltrieb.

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