Mit Sicherheit Vakuum

Dr. Jürgen Dirscherl

Zahlreiche chemische Prozesse, wie beispielsweise Eindampfen, Destillieren und Trocknen, werden vorteilhaft oder zwingend unter Vakuum durchgeführt. Viele der in der Chemie gängigen Lösemittel sind bei Atmosphärendruck brennbar und besitzen einen hohen Dampfdruck, können also explosionsfähige Gemische mit Luft bilden. Anlagen, die mit solchen Stoffen arbeiten, müssen vom Betreiber sicherheitstechnisch beurteilt werden. Während für große Produktionsanlagen und Technikumsbereiche eine Ex-Bewertung übliche Praxis ist, werden Laboranlagen nicht immer in dieser Hinsicht beurteilt. Hauptkriterium für eine Ex-Einstufung ist meist die verwendete Lösemittelmenge: 1-2 l Lösemittel pro Versuch werden häufig als Grenze angesehen.

Gerade im chemischen Labor und in kleineren Anlagen hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten die Chemie-Membranvakuumpumpe, bei der alle medienberührten Komponenten aus chemisch beständigen Materialien aufgebaut sind, durchgesetzt. Chemie-Membranpumpen bieten dank ihrer hohen Chemikalienbeständigkeit, ihrer Ölfreiheit und der hermetischen Abdichtung des Schöpfraumes gegen den Antriebsbereich ohne gleitende Oberflächen hervorragende Voraussetzungen für die Vermeidung von Zündquellen.

Stellt die Vakuumpumpe nur für eine einzelne Anwendung das Vakuum bereit, ist die Gefährdungsbeurteilung meist problemlos durchführbar. Die Lösemittelart und -menge sowie der Prozessablauf erlauben meist eine genaue Abschätzung, ob und wie häufig eine explosionsfähige Atmosphäre vorliegt. Aufwendiger wird es, wenn unterschiedliche Prozesse gefahren werden. Grundsätzlich müssen für die Sicherheitsanalyse von Vakuumanlagen der Außenbereich (also z.B. im Laborraum) und der Innenbereich (im Kontakt mit den gepumpten Medien) getrennt betrachtet werden. Häufig gelangt man zu sehr unterschiedlichen Beurteilungen und dementsprechenden Anforderungen an den Innen- und Außenbereich der Geräte.

Typische Anwendungen Ex-geschützter Chemie-Membranvakuumpumpen sind größere Rotations- oder Parallelverdampfer, Vakuum-Trockenschränke mit ihren oft erheblichen Lösemittelmengen sowie Mini-Plants und Technikumsanlagen. Vacuubrand bietet Atex-konforme Chemie-Membranvakuumpumpen mit einem Saugvermögen von 1,9 m3/h bis 8,1 m3/h sowie Endvakua von 12 bis 2 mbar für das gelegentliche Fördern (Gerätekategorie 2) von explosionsfähigen Gemischen an. Damit lassen sich viele Anwendungen mit explosionsfähigen Gemischen im Labor und Technikum ohne großen Aufwand abdecken.

Auch Atex-konforme Chemiepumpstände mit saugseitigem Abscheider und Emissionskondensator zur Lösemittelrückgewinnung sind erhältlich. Bei Pumpständen ist aufgrund der freistehenden Glasteile anwenderseitig ein Stoß- und Splitterschutz, beispielsweise durch Einbau in einen Schrank oder Abzug, vorzusehen.

Zentrale Vakuumversorgungsanlagen (sog. “Hausvakuumanlagen“) stellen ein inhärentes Risiko im Hinblick auf die Bildung zündfähiger Gemische der abgepumpten Medien mit Luft dar. Dazu trägt sowohl die Menge der gepumpten Stoffe infolge der Vielzahl an Anschlussstellen als auch die Unterschiedlichkeit der Anwendungen bei (z. B. häufig nahezu Atmosphärendruck im System infolge hoher Gaslast).

Lokale Vakuumnetzwerke, die nur einen Labortisch oder einen Laborraum versorgen, sind wesentlich übersichtlicher. Die verschiedenen Benutzer stehen in unmittelbarem Kontakt miteinander und können Gegenmaßnahmen wie Evakuieren oder Spülen mit Inertgas einleiten. Meist können solche lokalen Netzwerke als Nicht-Ex-Bereich eingestuft werden, falls sie permanent unter Vakuum gehalten werden. In diesem Falle wird häufig nur der Innenbereich der Netzwerk-Vakuumpumpe (wegen der Verdichtung auf Atmosphärendruck) als Ex-Zone eingestuft.

Häufig wird gerade im Labor übersehen, dass bei Ex-Anlagen auch die Zubehörteile den Anforderungen gemäß Atex genügen müssen. So müssen auch die Vakuumleitungen beispielsweise von der Ex-Pumpe zum (Groß-)Rotationsverdampfer oder Trockenschrank antistatisch ausgelegt sein. In Verbindung mit korrosiven Medien stellt dies ein nicht zu vernachlässigendes Problem dar. Häufig werden für Ex-Anwendungen Edelstahlwellschläuche eingesetzt. Gepumpte Medien tendieren jedoch dazu, sich in den tiefen Wellen im Schlauchinneren zu sammeln. Nicht selten führt dies zu Korrosion am dünnwandigen Edelstahl und Leckage.

Eine deutlich bessere Alternative bezüglich chemischer Beständigkeit sind PTFE-Schläuche. Herkömmliche PTFE-Rohre sind jedoch insbesondere bei größeren Nennweiten sehr steif oder knicken leicht und sind meist nicht antistatisch. Seit einiger Zeit sind von Vacuubrand PTFE-Wellschläuche mit großer Nennweite erhältlich, die aus antistatischem PTFE gefertigt sind und zudem eine nahezu glatte Innenwand aufweisen. Dies ist nicht nur strömungstechnisch sehr günstig, sondern vermeidet auch die Ansammlung von Kondensaten. Diese PTFE-Schläuche sind nicht nur für Ex-Anwendungen, sondern auch für viele andere Vakuumanwendungen in der Chemie mit größeren Dampfmengen oder tiefem Vakuum (unter 10 mbar) das ideale Verbindungselement.

Auch heute kommen für die Vakuummessung im Ex-Bereich häufig noch mechanische Messgeräte zum Einsatz. Obwohl bezüglich des Ex-Schutzes sehr vorteilhaft, sind solche Messgeräte kaum mehr zeitgemäß, da sehr teuer, groß und empfindlich (auf Gasstöße und Vibrationen). Eine elektronische Datenauslesung ist kaum möglich. Als Alternative werden teilweise elektronische Vakuummessgeräte mit Edelstahl-Membran eingesetzt. Diese sind jedoch sehr nachteilig bezüglich Korrosion oder außerordentlich teuer, falls aus hochkorrosionsfesten Edelstählen aufgebaut.

Als Alternative haben sich vollelektronische Vakuummessgeräte mit Aluminiumoxid-Keramik-Membran bewährt. Die druckabhängige Verbiegung der Keramik-Membran wird kapazitiv ausgelesen. Die Keramik-Membran zusammen mit den entsprechend ausgelegten anderen Materialien im Vakuumsensor bieten größtmögliche Korrosionsbeständigkeit, besonders wichtig für Anwendungen in der chemischen Verfahrenstechnik. Der Vakuumsensor erlaubt präzise Absolutdruckmessungen mit hoher Temperatur- und Langzeitstabilität. Die Messgeräte besitzen keine empfindliche Mechanik und sind weitgehend erschütterungs- und druckstoßunempfindlich. Eine integrierte Stromschnittstelle ermöglicht das ferngesteuerte Einschalten und Auslesen der Messgeräte.

Die Datenverarbeitung erfolgt mit Hilfe einer eigensicher ausgelegten Elektronik für explosionsgefährdete Bereiche. Solche Geräte erfüllen höchste Anforderungen an den Ex-Schutz (bis Einsatz an Zone 0). Besonders vorteilhaft ist der netzunabhängige Betrieb mit Hilfe einer integrierten Stromversorgungseinheit mit eigener Ex-Zulassung, sodass diese auch im Ex-Bereich ausgetauscht werden darf.

Mit diesen Geräten werden Maßstäbe in Bezug auf Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Kompaktheit und Bedienungsfreundlichkeit gesetzt. Damit gibt es heute auch für den Ex-Bereich moderne elektronische Messgeräte, die gegenüber mechanischen Vakuummessgeräten die gleichen Vorteile bieten, die man im Nicht-Ex-Bereich längst zu schätzen gelernt hat.

Online-Info www.cav.de/0110435