Kreiselpumpen

Dr.-Ing. K.-H. Kleifges, Dipl. -Ing. S. Koch, M. Lahey

Bei der Herstellung von Schwefelsäure steht als erster Schritt häufig die Verbrennung von elementarem Schwefel zu Schwefeldioxid. Daran anschließend erfolgen: SO2-Wäsche, Gastrocknung sowie die Säureaufkonzentrierung mittels Zwischen- und Endabsorbern. Für alle diese Verfahrensschritte werden Pumpenkonstruktionen benötigt, die besonderen hydraulischen und werkstofftechnischen Anforderungen genügen müssen.

Die Übersicht in Tabelle 1 zeigt wichtige Faktoren auf, die bei der Förderung der Ausgangskomponente, dem flüssigen Schwefel, zu berücksichtigen sind. Zur Förderung der Schwefelschmelze, deren Temperatur etwa 140 °C beträgt, eignen sich sowohl horizontale als auch vertikale Pumpen. Diese Pumpen werden vorteilhaft mit Heizmantel ausgeführt, um einem Absinken der Schmelztemperatur in der Pumpe entgegenzuwirken. Die kritischen Faktoren wie Temperatur, Verunreinigungen, pH-Wert und Feststoffe können zu einer erhöhten Beanspruchung der Pumpe führen und müssen bei der Pumpenausführung berücksichtigt werden. Der werkstofftechnischen Ausführung kommt im besonderen in Anwesenheit von abrasiven Feststoffen oder z.B. sauren Verunreinigungen eine hohe Bedeutung für die Standzeit der Pumpe zu.

Nach der Verbrennung des Schwefels wird das resultierende schwefeldioxidhaltige Gas zunächst einer Wäsche unterzogen. Als Waschsäure wird Schwefelsäure eingesetzt. Das resultierende Fördermedium ist daher eine verdünnte schwefeldioxidhaltige Schwefelsäure mit Feststoffen. In der Praxis finden in Abhängigkeit von den Verfahrensparametern Tauchpumpen aus hochkorrosionsbeständigen austenitischen bzw. halbaustenitischen Werkstoffen oder Kunststoffen Anwendung. Bei der anschließenden SO2-Trocknung kann der Erosionskorrosion durch Anpassung der Pumpendrehzahl und den Einsatz spezieller hochkorrosionsbeständiger halbaustenitischer oder ferritischer Werkstoffe wirkungsvoll begegnet werden (Tabelle 2).

Das getrocknete SO2-haltige Gas wird durch Sauerstoff an Katalysatoren zu Schwefeltrioxid (SO3) oxidiert. Durch die Absorption von Schwefeltrioxid im Zwischen- und Endabsorber wird schließlich eine etwa 98%ige Schwefelsäure, die Produktsäure, erhalten (Tabelle 3). Im Bereich des Zwischen- und Endabsorbers werden schwere Chemietauchpumpen in hochkorrosionsfester metallischer Ausführung eingesetzt. Dabei liegt der Werkstoffwahl die genaue Kenntnis der Zusammensetzung des Mediums mit den Schwankungsbreiten der Schwefelsäurekonzentration und der Mediumstemperatur zugrunde. In der Praxis haben sich hochkorrosionsfeste ferritische Werkstoffe als besonders widerstandsfähig in bezug auf die Erosionskorrosion erwiesen.

Die erhaltene Produktsäure wird in zahlreichen Prozessen eingesetzt. Dabei wird hauptsächlich die starke Säurewirkung genutzt, um bestimmte chemische Reaktionen einzuleiten, mit deren Hilfe gezielt Produkte hergestellt aber auch unerwünschte Stoffe abgetrennt werden können.

Zum Transport von flüssigem Schwefel werden horizontale oder vertikale Pumpen eingesetzt. Da flüssiger Schwefel nur in einem begrenzten Temperaturbereich pumpfähig ist, kommen vorwiegend heizbare Pumpen zum Einsatz. Wegen der hohen Dichte von flüssigem Schwefel und der kritischen Viskosität sind schwere Chemiepumpen für diese Anwendung zu empfehlen, insbesondere wenn der Schwefel verunreinigt ist.

Die Chemiepumpe vom Typ RCE (Abb. 1) hat neben einer intensiven Dampfbeheizung und der robusten Bauweise noch eine hydrodynamische Wellenabdichtung. Während des Betriebes wird die Pumpe durch die hydrodynamische Entlastung abgedichtet, im Stillstand erfolgt die Abdichtung über ein fliehkraftgeregeltes Ringventil. Die hydrodynamische Wellenabdichtung kann auch zur Förderung von feststoffbeladenem Schwefel eingesetzt werden, was bei Gleitringdichtungs- oder Magnetkupplungspumpen nicht möglich ist.

Auch beim Einsatz vertikaler Chemiepumpen werden vorwiegend heizbare Ausführungen eingesetzt. Es ist wichtig, das Fördergut im Bereich der gesamten Pumpe auf einer konstanten Temperatur zu halten. Die Beheizung der Pumpe sorgt für eine gleichmäßige Erwärmung des Wellenführungs- und des Druckrohres, was eine Verspannung der Pumpe verhindert. Abbildung 2 zeigt die vertikale Chemiepumpe vom Typ GVSN, die den Anforderungen vollauf entspricht. Beim Einsatz in flüssigem Schwefel werden Gleitlager aus gehärtetem Material eingesetzt oder im Extremfall werden die Gleitlager extern mit Fett geschmiert.

Je nach Einsatzfall der Pumpen ergeben sich spezifische Anforderungen an die Pumpenkonstruktion. So ist beim Einsatz in Schwefelsäure zunächst die Werkstoffauswahl entscheidend. Je nach Konzentration und Temperatur werden Werkstoffe mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften eingesetzt.

Eisensiliziumguß (Siguß) bietet sich beispielsweise wegen seiner sehr guten Korrosions- und Verschleißbeständigkeit zum Einsatz in Schwefelsäure an. Die Konstruktion der Pumpe ist den werkstoffspezifischen Eigenschaften angepaßt.

Bei den Chemiepumpen vom Typ RNSi (Abb. 3) ist das Spiralgehäuse aus Siliziumguß in einen Panzer eingebettet, der die Pumpe vor äußeren Einflüssen schützt. Die Panzerung bietet außerdem einen zusätzlichen Schutz der Pumpe. Als Wellenabdichtung wird auch bei dieser Ausführung vorwiegend eine hydrodynamische Wellenabdichtung eingesetzt.

Bei vertikalen Chemiepumpen kann die Pumpenstandzeit durch besondere konstruktive Maßnahmen erheblich erhöht werden. Bei der Auslegung der Hydraulik ist auf niedrige Strömungsgeschwindigkeiten zu achten, da konzentrierte Schwefelsäure besonders zu Erosionskorrosion neigt. Angriffsstellen für Spaltkorrosion sollten möglichst vermieden werden. Die Temperatur der Schwefelsäure hat einen erheblichen Einfluß auf die Werkstoffauswahl, bei höheren Temperaturen ist es deshalb erforderlich, selbst die Rohre der Tauchpumpe aus gegossenem Material zu fertigen.

Das Beispiel in Abbildung 4 hat neben den beschriebenen Eigenschaften einen weiteren konstruktiven Vorteil: Das Aufhänge- und Druckrohr bilden eine verbundene Einheit, was die Festigkeit der Konstruktion erheblich verbessert. Die platzsparende Lösung ermöglicht zusätzlich den einfachen Einbau auf einen Behälterdom.

Die hydraulischen Teile sind sehr stark durch die Betriebsweise der Pumpe beeinflußt. Zu berücksichtigen sind hier Faktoren wie Teillastbetrieb der Pumpe, hohe Strömungsgeschwindigkeiten, Kavitationsverhalten, Schwingungen. Diese Faktoren wirken sich nicht nur auf den sicheren Betrieb der Pumpe sondern auch auf das Beständigkeitsverhalten der verwendeten Werkstoffe in dem Fördermedium aus. Besonders zu beachten ist, um welche grundsätzliche Belastungsart es sich handelt. Ob z. B. nur eine Einzelbeanspruchung wie Korrosion oder Verschleiß auftritt, oder mehrere Belastungen gleichzeitig als Beanspruchungskollektiv wirken. Entsprechend sind die Konstruktion der einzelnen Pumpenteile und die hydraulische Auslegung anzupassen und ein geeigneter Pumpenwerkstoff zu verwenden.

Grundsätzlich kommen bei der Förderung schwefelsäurehaltiger Medien mit Kreiselpumpen folgende Werkstoffgruppen zum Einsatz: metallische Werkstoffe, Kunststoffe und keramische Werkstoffe. Für die meisten Anwendungsfälle lassen sich innerhalb dieser Gruppen geeignete Pumpenwerkstoffe auswählen, die eine ausreichende Standzeit erreichen und einen sicheren Anlagenbetrieb gewährleisten. In der Praxis treten dennoch gelegentlich Schäden auf, die oftmals zu verhindern sind, wenn die spezifischen Werkstoffeigenschaften mit den Anforderungen der Anlage verglichen werden.

Der Großteil der Kreiselpumpen im Bereich der Schwefelsäureproduktion besteht aus metallischen Werkstoffen. Bei metallischen Werkstoffen sind die Beständigkeit und weitere Eigenschaften der einzelnen Werkstoffe im wesentlichen von der Legierungszusammensetzung und der Nachbehandlung des Abgusses abhängig. Vorteilhaft dabei ist, daß man dadurch „maßgeschneiderte“ Legierungen einsetzen kann, die eine hohe Anlagenverfügbarkeit gewährleisten. Hierzu ist jedoch die genaue Kenntnis der spezifischen mechanischen Eigenschaften sowie des Beständigkeitsverhaltens erforderlich. Oftmals genügen geringfügige Verunreinigungen der Förderflüssigkeit (z.B. Chloride), die aus einem zunächst höchst beständigen einen äußerst anfälligen Werkstoff mit nur wenigen Wochen Standzeit werden lassen.

Kunststoffe sind im allgemeinen bei niedrigen und mittleren Schwefelsäure-Konzentrationen problemlos einsetzbar. In der Praxis ist vor allem zu beachten, daß die maximale Einsatztemperatur nicht überschritten wird, da ansonsten die Festigkeitswerte drastisch abnehmen.

Zur Förderung von schwefelsäurehaltigen Medien mit Kreiselpumpen stehen somit eine Vielzahl von Werkstoffen zur Verfügung. Den optimalen Werkstoff und die für den spezifischen Anwendungsfall geeignete Pumpenkonstruktion kann nur in enger Abstimmung zwischen den Fachabteilungen des Betreibers, Planungsunternehmens und dem Pumpenlieferanten gefunden werden. Dabei steht der intensive Informationsaustausch hinsichtlich sämtlicher relevanter technischer Daten und bisherigen Betriebserfahrungen im Mittelpunkt. Die Berücksichtigung der o.g. Faktoren sowie die Werkstoffkompetenz und das Know-how des Pumpenherstellers sind die Grundlage für den sicheren und störungsfreien Betrieb der Anlage.

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