Chemie-Armaturen im Einsatz

Dipl.-Ing. Torsten Wieck

Jede Armaturen-Bauart hat konstruktionsbedingte Vor- und Nachteile. Welches Design der Anwender bevorzugt, hängt deshalb stark vom Einzelfall ab. Kommen umweltgefährdende Medien zum Einsatz, ist auf Emissionsfreiheit zu achten. Speziell bei höheren Temperaturen lösen dann metallisch-dichtende Bauarten die weich-dichtenden Armaturen ab.

Die Medienvielfalt, die zu beherrschenden Drücke (Vakuum bis Hochdruck) und auch die sehr unterschiedlichen Temperaturniveaus (tiefkalte Flüssiggase, kochende Säuregemische) machen die Chemie zur wohl anspruchsvollsten Anwenderbranche für Armaturen. Selbstverständliche Forderungen sind hier eine hohe Standzeit und gleichzeitig ein hohes Maß an Funktionssicherheit. Hinzu kommen Reparatur- und Servicefreundlichkeit und, nicht zu unterschätzen, der Beratungsbedarf. Die am besten geeignete (und kostengünstigste) Armatur findet der Anwender im Normalfall nur zusammen mit dem Hersteller – auf der Basis der zu erwartenden Temperaturen, den Druckverhältnissen bzw. den zulässigen Druckverlusten und der Viskosität des Mediums. Doch nicht nur die Armaturenkonstruktion selbst ist von Bedeutung. Neben Handarmaturen sind in der Chemie automatisierte Armaturen besonders gefragt: Das Vermeiden teurer manueller Arbeit ist der eine Grund, hinzu kommt die Möglichkeit der Einbindung in das zentrale Prozessleitsystem.

Chemietypisch ist aufgrund der TA Luft die Forderung höchster Dichtheit nach außen. So ist denn auch bei der GE Bayer Silicones GmbH, Leverkusen, die Dichtheit einer Armatur die zentrale Forderung. Im Blickpunkt steht aber auch immer der Aufwand für die zugehörigen Antriebe, weil diese in der Regel mindestens so teuer sind wie die Armatur selbst. In diesem Unternehmen sind rund 50% aller Armaturen automatisiert, was einen nicht unerheblichen Kostenblock ausmacht. Da spielt es schon eine ausschlaggebende Rolle, dass die Stellkräfte bei Klappen in der Regel kleiner sind als bei anderen Armaturen-Bauarten, was wiederum geringere Kosten für die Antriebstechnik bedeutet. Die Konsequenz ist damit für Dipl.-Ing. Hauke Laufenberg, Betriebsingenieur bei GE Bayer Silicones, klar: „Ich entscheide mich normalerweise bevorzugt für Klappen, weil sie gegenüber Ventilen oder Kugelhähnen vom Preis her attraktiver sind.“ Hinzu komme, dass nach seiner Erfahrung die Standzeiten von Klappen denen anderer Armaturen in nichts nachstehen. Auch Betriebsingenieur Marian Groborz sieht das so: „Bei unseren Anwendungen, also beispielsweise der Reaktionsumsetzung mit Methylchlorid, im Wärmeträgerkreislauf mit Diphylöl oder auch in den großen Dampfleitungen, sprechen alle abzuwägenden Parameter für den Einsatz von Klappen.“ Dies gelte insbesondere ab einer Größenordnung von DN 150, also Nennweiten, für die beispielsweise die Ventilpreise bereits sehr hoch sind. Bleibt die Frage nach den Einsatzgrenzen für weich- bzw. metallisch-dichtende Klappen. Bei GE Bayer Silicones setzt man weich-dichtende EPDM- oder PTFE-Klappen bis zu deren Temperaturgrenze von etwa 150 °C auch aus Kostengründen gern ein. Vielfach erreichen die Prozesstemperaturen jedoch 300 oder auch 400 °C. Dann kommen vor allem auch wegen der hohen Dichtheitsforderungen nur noch metallisch-dichtende Klappen in Frage.

Seit etwa zwei Jahren setzt GE Bayer Silicones auch metallisch-dichtende Klappen der Serie MS ein. Solche MS-Klappen mit Doppelflanschgehäuse (ein Sonderwunsch des Betreibers) befinden sich beispielsweise im Methylchlorid-Kreislauf. Hier wird Methylchlorid als Reaktionsgas bei einem Druck bis 5 bar im Kreislauf gefahren. Im Wirbelschichtreaktor kommt es bei unterschiedlichen Drücken zu einer Reaktion des Ausgangsstoffs Silizium mit Methylchlorid zu den gewünschten Silanen. In diesem Kreislauf arbeiten nur metallisch-dichtende Klappen. Denn Methylchlorid ist als kritisches Medium eingestuft – zwar nicht giftig, aber doch brennbar und gesundheitsschädlich; deshalb muss die Klappe eine hohe Dichtheit gewährleisten. Verfahrenstechnisch gesehen reichen die Drücke zwar nur bis etwa 5 bar. Da die Gesamtanlage aber bis zu 10 bar zugelassen ist, muss auch die Druckbeständigkeit der Armaturen entsprechend ausgelegt sein. MS-Klappen erfüllen diese Anforderungen. Sie sind nach API 607 sogar auf Feuersicherheit getestet. Die in dieser Norm geforderte Dichtigkeit wurde in beiden Durchflussrichtungen nachgewiesen. Darüber hinaus funktionieren die Klappen klemm- und reibungsfrei, was eine hohe Lebensdauer erwarten lässt.

Bei Klappen dreht sich der Abschlusskörper (Klappenscheibe) quer zur Strömung um die eigene Achse. In Offenstellung steht die Klappenscheibe – je nach Einbausituation – horizontal oder vertikal in der Rohrleitung und wird dabei vom Medium umströmt. Absperrklappen sind im Gegensatz zu Schiebern oder Ventilen 90°-Schwenk-Armaturen. Absperrklappen haben generell folgende Vorteile:

• einfacher Aufbau und daher im allgemeinen sehr robust.

• kleine Gehäuseabmessungen und geringes Gewicht,

• für verschiedene Einbaulagen geeignet,

• einfach automatisierbar.

Bei den metallisch-dichtenden Klappen Serie MS kommen einige Besonderheiten hinzu. Die reibungsfreie Arbeitsweise der MS-Klappen wird durch eine dreifach exzentrische Bauweise erreicht: Die Spindel ist im Gehäuse doppelt-exzentrisch angeordnet, während der Sitzkonuswinkel die dritte Exzentrizität bildet. Dadurch hat die metallische Lamellendichtung mit dem Gehäusesitz nur Kontakt, wenn die Klappe vollständig geschlossen ist. Die Lamelle, die als einzige Komponente Kontakt mit dem Gehäuse hat, besitzt exakt die gleiche Konusform wie der Gehäusesitz und dichtet tropfen- und gasdicht ab. Sie ist mit einer Dichtung aus Reingraphit fest mit der Scheibe verspannt und abgedichtet.

Die besondere Konstruktion der Scheibenlagerung stellt sicher, dass die Scheibe ohne jegliche Befestigungselemente in der korrekten Position gehalten wird (schwimmende Scheibe). Dadurch passt sich die Lamellendichtung auch dann dem Gehäusesitz genau an, wenn sich die Spindel aufgrund von Temperaturänderung ausdehnt oder zusammenzieht. Die Lamelle findet somit immer ihre ideale Position und gewährleistet ein reibungs- und verschleißfreies, zuverlässiges Abdichten. Das unmittelbare Ausschwenken der Scheibe aus dem Gehäusesitz beim Öffnen der Klappe verhindert Klemmen und Fressen der Lamelle im Sitz (ein Problem, das andere Bauarten übrigens nicht nur bei extremen Temperaturen zeigen). Entsprechend verhalten sich die Drehmomente der MS-Klappen nicht nur linear zum Differenzdruck, sondern sind auch beträchtlich niedriger als bei anderen Konstruktionen. Das führt zu einer leichteren Bedienung, gleichgültig ob dies manuell oder automatisch erfolgt. Diese Bauart erfüllt die höchsten Ansprüche in der Kraftwerks- und Prozessindustrie in einem großen Druck- und Temperaturbereich. Die Einsatztemperaturen reichen von -196 bis +550 °C.

Mit diesem Armaturen-Konzept fährt GE Bayer Silicones offensichtlich gut – Fazit der beiden Betriebsingenieure: „Wir haben die metallisch-dichtenden MS-Klappen seit zwei Jahren im Einsatz und machen durchweg positive Erfahrungen damit.“ Die Klappen werden zudem im Dampfkreislauf (5 bar, ca. 180 °C) eingesetzt; weitere Klappen steuern Diphylöl als Wärmeträgermedium.

Hauke Laufenberg hat als Praktiker aber einen großen Wunsch an alle Armaturen-Hersteller, nämlich einen standardisierten Adapter zwischen Antrieb und Klappe.

Last, but not least, wünscht man sich einen verbesserten Verschleißschutz für die Scheibe in Offenstellung.

E cav 229

Die GE Bayer Silicones GmbH, Leverkusen – seit Mitte 1998 ein Joint Venture zwischen der Bayer AG und dem US-Unternehmen General Electric – produziert und verkauft mit rund 900 Mitarbeitern Silikon-Polymere (Harze, Elastomere und Öle). Das ist nur auf den ersten Blick ein eintöniges Geschäft, besitzt doch diese Verbindungs-Klasse ein breites Anwendungsfeld: Während Silikonharze z. B. als Hochtemperaturanstriche dienen, werden Silikonkautschuke in der Bautechnik und im Fahrzeugbau als Dichtungsmaterial genutzt. Von der Kosmetik über die Gebäudetechnik bis hin zu praktisch allen industriellen Feldern besitzen Silikone vielfältigste Anwendungen.