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Für anspruchsvolle Förderaufgaben

Magnetgekuppelte Peripheralradpumpen
Für anspruchsvolle Förderaufgaben

Peripheralradpumpen machen vor allem dort ihre Vorteile geltend, wo es gilt, kleine Förderströme pulsationsfrei gegen vergleichsweise hohe Förderdrücke zu pumpen. Werden Peripheralradpumpen zudem auf Systemdrücke bis 350 bar und Temperaturen bis 350 °C ausgelegt und mit einem magnetgekuppelten Antrieb zur Sicherstellung eines hermetisch dichten Förderraumes versehen, stellen sie außerordentlich anspruchsvolle Förderaggregate für Chemie, Pharmazie, Petrochemie und andere Industriezweige dar.

Dipl.-Ing. Dieter Fink

Um die Vorteile von Peripheralradpumpen auch bei zunehmend steigenden Anforderungen im Technikum von Chemie und Pharmazie nutzen zu können, war es erforderlich, die Pumpen konstruktiv und in der Werkstoffauswahl so zu spezialisieren, dass sie auch schwierigsten Ansprüchen gerecht werden können. Nahezu selbstverständlich ist bei der Auslegung aller Pumpen die Sicherstellung eines leckagefreien und druckdichten Betriebes. Dem ist umso mehr Rechnung zu tragen, je gravierender die Forderungen nach hohen Systemdrücken und Prozesstemperaturen werden und vor allem dort, wo toxische, korrosive, giftige und umweltbelastende Medien wie Säuren, Laugen und Lösemittel das Gefahrenpotenzial erhöhen. Die hier vorgestellten Peripheralradpumpen werden deshalb ausschließlich mit magnetgekuppelten Antrieben ausgerüstet. In dieser Bauausführung sind die Pumpen hermetisch verschlossen, vollkommen leckagefrei und erfüllen automatisch die Auflagen der TA-Luft. Bei besonders kritischen Produkten können für eine weitere Gefahrenminimierung Doppelspalttöpfe, teils gekoppelt mit einer Druck- und Temperaturüberwachung, vorgesehen werden. Die Gefahren eines Trockenlaufs, eines Lagerverschleißes oder gar einer Beschädigung des Spalttopfs durch Verunreinigungen werden frühzeitig diagnostiziert.
Hohe Chemikalienbeständigkeit
Neben der absoluten Dichtheit der Pumpe ist häufig eine hohe Chemikalienbeständigkeit notwendig. Alle mediumberührenden Teile werden deshalb mit hochwertigen Edelstählen bis hin zu Sonderwerkstoffen wie Tantal oder Titan gefertigt. Im Bedarfsfall kommen auch PFA-, PTFE- oder Keramikauskleidungen für den Förderraum und den Spalttopf oder auch vollständig gekapselte PTFE-Einsätze und keramische Spalttöpfe aus Zirkonoxid zum Einsatz. Pumpenwelle und Gleitlager werden in SiC oder WoC hergestellt, Doppelkugellager in Si3N4.
Die Auslegung der Pumpenköpfe und des Magnetantriebs für Systemdrücke bis 350 bar, erfordern einen Spalttopf in einer druckbehälterkonformen Ausführung. Die Abmessungen des Außenrotors sind den größeren Wandstärken des Spalttopfs anzupassen und in dessen Folge sind auch die Magnetabstände anzupassen. Die hohen Fluidtemperaturen wiederum stellen besondere Ansprüche an die Magnetkupplung, da sich in Abhängigkeit zur Temperatur das übertragbare Drehmoment ändert. Ebenso sind die Lagerspiele den jeweiligen Temperaturbedingungen anzupassen. Oftmals reicht allein eine hohe Temperaturbeständigkeit des Pumpenkopfs nicht aus. Bei kritischen Fluiden besteht unter Umständen die Gefahr einer Viskositätsänderung während des Fördervorganges oder gar die Gefahr einer Auskristallisation im Förderraum und im Spalttopfbereich. Dann ist zwingend eine Beheizung des Pumpenkopfs oder auch des gesamten fluidumspülten Förderraums erforderlich. Für beide Varianten werden beheizbare Pumpenköpfe, auch in Kombination mit beheizbaren Doppelspalttöpfen, angeboten. In Analogie zu den beheizten Pumpenkopfvarianten können die Peripheralradpumpen auch gekühlt werden. Hier stehen u. a. ein Reduzieren von Ausgasungseffekten und ein stabiler Förderprozess im Vordergrund.
Feststoffe im Fördermedium
Feststoffe in der Förderflüssigkeit können leicht die Lager erodieren, den Spalt zwischen Spalttopf und Rotor, besonders in weniger gut gespülten Bereichen im hinteren Spalttopfbereich, verblocken und den Spülvorgang einschränken sowie im Extremfall sogar den Spalttopf selbst aufreißen. Diesen einschränkenden Bedingungen wird mit Separatspülungen entgegen gewirkt. Das kann beispielsweise durch eine Produktentnahme im Pumpendruckstutzen und den Einsatz geeigneter Filter erfolgen, bevor das Fluid in den Magnetkupplungsraum zurückgeführt wird. Auch das Einleiten mit dem Förderfluid verträglicher Spülmedien in den Magnetkupplungsraum ist möglich. Durch die Druckdifferenz zwischen Ein- und Austritt der Zirkulation werden zudem auch die Lager von Feststoffen frei gehalten. In gewissem Umfang stehen in Abhängigkeit von Partikelgröße, Partikelform und Anteil der Partikel im Förderfluid weitere konstruktive Maßnahmen wie spezielle Auslegungen von Laufrad, Spalttopf und Wellenlagerung zur Verfügung, um dem Verschleiß durch Feststoffanteile in ausreichendem Maße entgegenzuwirken.
Elektronische Drehzahlregelung
Peripheralradpumpen werden in aller Regel nicht durch ein Abdrehen des Laufrads an den Anlagenbetriebspunkt angepasst. Die Förderhöhe im Nullpunkt (Fördermenge = 0) wird überwiegend vom Laufrad und die Nullförderhöhe bei Qmax durch die Kanalgeometrie bestimmt. Eine Verringerung der Förderrate wird immer noch sehr häufig durch eine druckseitige Androsselung des Förderstromes erreicht. Dies kann jedoch zu erheblichen Einschränkungen in der konkreten Anwendung führen. Eine Androsselung oder eine Bypass-Lösung führen zu einem erhöhten Energieeintrag, einhergehend mit einer Temperaturerhöhung des Fluids. Als Alternative bieten sich die vielfältigen Möglichkeiten einer frequenzumrichterbetriebenen Fahrweise an, die in Kombination mit den vorgestellten Peripheralradpumpen eingesetzt werden können. Die Vorteile sind vielfältig. Hier sind z. B. das Anfahrverhalten mit einer Reduzierung von Verschleißzuständen oder das Einstellen von Mindestförderströmen anzuführen, das eine ausreichende Wärmeabfuhr aus dem Spalttopfbereich garantiert und somit die Ausgasungsgefahr des Fluids und letztendlich auch die Gefahr von Trockenlauf reduziert zu nennen. Darüber hinaus können das plötzliche Eintreten hoher Gasbeladungen oder gar der Abriss des Förderstromes über den Leistungsbedarf der Pumpe vom Frequenzumrichter erfasst werden. Dieser reduziert durch geeignete Programmierung von Grenzwerten und Zeitgliedern die Drehzahl automatisch und steuert automatisch ein erneutes Anfahren der Pumpe. Die Gefahr von Trockenlauf und Prozessstörungen wird praktisch ausgeschlossen.
Einsatz in der Praxis
Überall dort, wo es gilt, Förderraten von wenigen Litern pro Stunde im Labormaßstab bis in den unteren m³-Maßstab im Technikum oder der Kleinproduktion zu realisieren, finden die Peripheralradpumpen ihren Einsatz. Beispielhaft seien u.a. Gemische aus Ameisensäure, Wasser- und Kaliumformiat, 99%ige Schwefelsäure bei Temperaturen von 240 °C, hochprozentige Salpetersäuren, Mischsäuren von HNO3, Perchlorsäure und H2SO4, niederviskose Flüssigkeiten, heiße Lösemittel, Amalgamschmelzen oder auch Salzschmelzen, aber auch wässrige Lösungen, Salzlösungen, Kraftstoffe oder andere nichtschmierende Flüssigkeiten genannt.
Für eine konkrete Projektrealisierung in einem Chemieunternehmen stand die Aufgabe, ein Lösemittel mit Butadien in einem Reaktor zu mischen und bei gleichzeitiger Reaktion einen Teilstrom der Polymerschmelze im Kreislauf über den Reaktor zu fahren. Um bei vergleichsweise geringen Förderraten von ca. 200 l/h einen Druckaufbau von 4 bar erzielen zu können, wurden für den Fördervorgang Peripheralpumpen eingesetzt. Während des Betriebs zeigte sich jedoch sehr schnell, dass sich das Reaktionsprodukt an metallischen Oberflächen ansetzt und schrittweise Rohrleitungen, aber auch Ausgleichsbohrungen, Lager und Spalttopfbereiche einer traditionellen Peripheralpumpe zugesetzt werden. Querschnittverengungen und damit einhergehende Druckaufbauten in der Anlage führten zu geringeren Leistungsumsätzen, Verfälschungen der Versuchsbedingungen in der Anlage und schwer zu interpretierbaren Stoff- und Energiebilanzen.
Erst der Einsatz einer speziell auf diese Anwendung ausgelegten Peripheralradpumpe konnte die Probleme lösen. Zunächst wurde der Nennförderdruck der Pumpe auf 6 bar ausgelegt, um das Anwendungspotenzial und die Verfügbarkeit der Anlage zu erhöhen. Vor allem galt es aber, dem Verkrustungsprozess durch die Polymerlösung so wenig wie möglich Angriffspunkte zu geben. Deshalb wurde das Laufrad in einer Peek-Version (Polyetheretherketon) gewählt, um die Anhaftungen am Laufrad selbst und an deren Ausgleichsbohrungen zu reduzieren. Der Pumpenkopf wurde zudem mit einem zusätzlichen Separatspülanschluss für den Spalttopfbereich versehen. So konnte zu jedem Zeitpunkt auch der hinterste und gleichzeitig gefährdetste Spalttopfbereich mit einem geeigneten Lösemittel gespült und von Ablagerungen frei gehalten werden.
Ein dritter konstruktiver Eingriff zielte auf die Pumpenlager. Anstelle von Gleitlagern, die zwischen dem Lager und der Pumpenwelle stets auch Ansatzpunkte für Ablagerungen bieten können, wurden nun Si3N4/ZrO2-Keramikkugellager eingesetzt. Über den Separatspülanschluss wurden die Kugellager in den Spülvorgang eingebunden, so dass auch dieser gefährdete Bereich ständig mit Lösemittel umspült wurde. Die Standzeiten der Lager ließen sich damit entscheidend erhöhen. Mit diesen Maßnahmen konnte eine wesentliche Stabilisierung des Umpumpprozesses und damit der Verfügbarkeit der Pilotanlage erzielt werden.
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