Sichere Rührwerkstechnik

Abb. 1 Technische Systeme zur Überwachung von sicherheitsrelevanten Betriebsparametern von Rührwerken

Abb. 2 Konzept des BelTorq-Systems. Die Riemenspannkraft wird am Rührwerk im Ex-Bereich gemessen und digital oder analog einem Prozessleitsystem zur Verfügung gestellt.

Abb. 3 Drehmomentabfall bezogen auf das Rührerwellendrehmoment eines unbeschädigten Rührorgans in Abhängigkeit vom Füllstand bei einem 16 000-l-Rührbehälter

Abb. 4 DIN-Gleitringdichtung mit angebauten Sensoren zur Erfassung von Rührerdrehzahl, Sperrmitteldruck und -temperatur sowie Anzeigeeinheit (Reactor Telemonitoring Hub)

Abb. 5 Ermitteln der Hotspots an einem Rührwerksgetriebe mit Hilfe von Thermobild-Aufnahmen

Abb. 6 Levelpuls, eine stahl-emaillierte Radar-Füllstandssonde

Die Europäische Richtlinie 94/9/EG (Atex-Richtlinie) hat zum Ziel, ein vergleichbares Sicherheitsniveau für explosionsgeschützte elektrische und nicht elektrische Geräte zu schaffen und damit den freien Warenverkehr in Europa zu gewährleisten. Als Hersteller von Rührwerken bietet Pfaudler ein umfassendes Lösungspaket an, um dem Betreiber explosiongefährdeter Anlagen die Umsetzung der erforderlichen technischen Maßnahmen zur kontinuierlichen Überwachung explosionsschutz-relevanter Betriebsparameter von Rührwerken zu erleichtern.

Die nationale Umsetzung der Atex-Richtlinie erfolgte in Deutschland bereits 1996 über eine Verordnung zum Gerätesicherheitsgesetz (GSG). Die Übergangsfrist endet am 30.06.2003. Nach diesem Datum dürfen nur noch Geräte, Komponenten und Schutzsysteme zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen in Verkehr gebracht werden, die den grundlegenden Sicherheitsanforderungen der Richtlinie entsprechen.

Die Umsetzung der Richtlinie führt insbesondere bei Herstellern von nicht elektrischen Geräten zu neuen Anforderungen im Bereich der Konformitätsbewertung, der Dokumentation und der Kennzeichnung von Geräten und Komponenten. Im Vergleich zu elektrischen Geräten ist die Bescheinigung von mechanischen Geräten Neuland. Technische Normen sind nur teilweise vorhanden. Erfahrungen mit der Anwendung dieser Normen bzw. der Normentwürfe liegen kaum vor. Da das Ende der Übergangsfrist näher rückt, muss jeder Hersteller einen Weg finden, wie er seine Produkte zukünftig Atex-konform anbieten kann.

Speziell für die Überwachung von Rührwerken hat Pfaudler eine Reihe von Lösungen entwickelt. Im Wesentlichen basieren sie auf speziell an das Rührwerk bzw. den zu erfassenden Betriebsparametern adaptierten Sensoren, durch die sicherheits- und betriebsrelevante Parameter einem übergeordneten Prozessleitsystem zur Verarbeitung bzw. zur aktiven Beeinflussung des Prozesses bereitgestellt werden. Daneben existieren aktive Komponenten, die unabhängig von übergeordneten Leitsystemen aktive Regelungs- und Überwachungsaufgaben übernehmen können.

Abbildung 1 zeigt ein typisches Rührwerk, wie es beispielsweise auf stahl-emaillierten Rührbehältern von Pfaudler angeboten wird. Das Rührwerk ist gemäß den Anforderungen der DIN28161 ausgeführt und weist neben einer doppelt wirkenden Gleitringdichtung ein Antriebssystem, bestehend aus einem Elektromotor (aus Ex-Schutz-Gründen druckfest gekapselt), einem Vielkeilriementrieb sowie einem einfach untersetzenden Stirnradgetriebe, auf. Die Abbildung zeigt weiterhin die wesentlichen Betriebsparameter bzw. Zustandgrößen an Bauteilen des Rührwerkes auf, die im Hinblick auf einen sicheren Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen überwacht werden müssen.

Aufgrund begrenzter Platzverhältnisse oder anderer technischer Randbedingungen werden in der chemischen Industrie eine Vielzahl der Rührwerke mit Riementrieben in Verbindung mit einem Zahnradgetriebe ausgeführt. Der Riementrieb ist ein mechanisches Übertragungsglied, das im Wesentlichen durch eine prinzipbedingt schlupfbehaftete Kraftübertragung gekennzeichnet ist. Daher stellt der Riementrieb eine potenzielle Wärmequelle dar und muss überwacht werden. Da die unmittelbare Ermittlung von Oberflächentemperaturen am umlaufenden Riemen aufwändig und teuer ist, wurde das BelTorq-System entwickelt, das sicherstellt, dass der Riemen in seinen optimalen Einbau- und Betriebsbedingungen betrieben wird, um so die unzulässige Erwärmung zu verhindern. Das Grundprinzip des BelTorq ist einfach und damit kostengünstig und jederzeit an solchen Rührwerken mit Riementrieb einbau- oder nachrüstbar, bei denen der Motor an einer Motorschwingplatte fixiert ist und das Nachspannen des Riementriebs über eine Abdrückschraube erfolgt: Ein Ex-geeigneter Kraftaufnehmer wird anstelle der Abdrückschraube eingebaut. Die daran angeschlossene Elektronik wandelt das Riemenkraft-proportionale Signal des Kraftaufnehmers in ein weiterverarbeitbares analoges oder digitales Signal. Dieses Signal kann in einem übergeordneten Prozessleitsystem ausgewertet werden (Abb. 2).

Die Tabelle fasst alle Funktionen zusammen, die neben der eigentlichen Sicherheitsüberwachung des Riementriebes durch Verwendung des Beltorq-Systems zusätzlich möglich werden. Besondere Bedeutung hat dabei die Erfassung des Drehmomentes des Rührantriebs, wodurch das Rührerdrehmoment auch für die aktive Prozessbeeinflussung zur Verfügung gestellt werden kann.

Steht ein Drehmomentsignal zur Verfügung, kann dieses unter bestimmten Umständen zur Feststellung eines Rührerbruches genutzt werden. Versuche haben ergeben, dass ein plötzliches Abfallen des Rührerdrehmoments bei langsam laufenden Rührwerken in den meisten Fällen ein sicheres Indiz für das Versagen des Rührers darstellt. Abbildung 3 zeigt den Verlauf des Rührerdrehmomentes in Abhängigkeit von dem Grad der Zerstörung des Rührers bei einem dreiflügeligen Impeller in einem 16 000-l-Rührbehälter im Vergleich zu einem unversehrten Rührer bei unterschiedlichem Füllstand im Behälter. Man erkennt deutlich, dass schon das Fehlen eines halben von drei Rührerflügeln zu einem Drehmomentabfall um etwa 20% gegenüber einem unbeschädigten Rührorgan führt. Ist nun der Momentenverlauf im Normalbetrieb bekannt, kann ein plötzliches Abfallen des Drehmomentes auf einen Rührerbruch hindeuten und durch das Prozessleitsystem detektiert werden.

Der Überwachung der Betriebsparameter der Gleitringdichtung kommt eine besondere Bedeutung zu. Eine Gleitringdichtung ist im Sinne des Artikels 1, Absatz 3 der Richtlinie eine Komponente. Gemäß Artikel 8, Absatz 3, finden die Konformitätsbewertungsverfahren für Geräte auch Anwendung bei Komponenten nach Artikel 4, Absatz 2. Für eine Gleitringdichtung, die in der Zone 1 (Gerätekategorie 2) betrieben wird, muss der Hersteller demnach eine Konformitätserklärung nach Anhang VIII ausstellen. Da die Gleitringdichtung den Wellendurchgang zum Behälter hin abdichtet, gibt es durchaus Zoneneinteilungen, die im Behälter die Zone 0 vorsehen. Damit könnte die Dichtung in die Gerätekategorie 1 fallen. Die Richtlinie fordert in diesem Fall eine EG-Baumusterprüfung durch eine benannte Stelle. Da bekannt ist, dass Gleitringdichtungen im Falle von Mangelschmierung bzw. unvorhergesehenem Trockenlauf sehr schnell extrem hohe Oberflächentemperaturen im Bereich der Gleitpaarungen entwickeln können, sind hier kontinuierlich arbeitende, redundante technische Überwachungssysteme unabdingbar, ohne jedoch parallel dazu erforderliche organisatorische Maßnahmen zu vernachlässigen.

Bei nass laufenden Gleitringdichtungen ist sicherzustellen, dass ein Trockenlauf ausgeschlossen werden kann. Dazu ist der Füllstand einer Sperrflüssigkeitsvorlage kontinuierlich zu überwachen und bei Unterschreitung eines Grenzstandes Alarm auszulösen. Beim Einsatz trocken laufender Gleitringdichtungen fehlt die Schmierwirkung des Sperrmediums. Ein Betrieb in der Ex-Zone ist nur möglich, wenn die Entstehung einer explosionsfähigen Atmosphäre durch Inertisierung des Behälters sicher ausgeschlossen wird. Da als Sperrgas für trocken laufende Gleitringdichtungen fast immer Stickstoff eingesetzt wird, ist auch diese Forderung zu erfüllen. Besondere Bedeutung kommt bei trocken laufenden Dichtungen der Überwachung des Sperrdrucks und des Sperrgasstroms zu.

Zur Überwachung der Betriebsparameter nass laufender Gleitringdichtungen lässt sich das Reactor Telemonitoring Hub (RTH) einsetzen. RTH ist ein integriertes System, das darüber hinaus auch Rührerdrehzahl und Oberflächentemperatur am Getriebe erfassen und zur Anzeige bringen kann (Abb. 4). Ein Sensor, der in das Gehäuse der Gleitringdichtung eingebaut werden kann, erfasst kontinuierlich den Sperrdruck und die Temperatur des Sperrmediums. Die Werte werden vor Ort angezeigt und parallel dazu an einer analogen oder digitalen Schnittstelle bereitgestellt.

Gleitringdichtungen von Pfaudler verfügen im Standard über einen Kühlmantel, der zum unmittelbaren Kühlen der Gleitringdichtungseinheit eingesetzt werden kann. So können die potenziellen Risiken eines Betriebs mit einem Thermosiphonsystem, beispielsweise das Aussetzen der Kühlung der Dichtung infolge Unterbrechung der Sperrmedienversorgung, sicher verhindert werden. Außerdem ist eine Notkühlung der Gleitringdichtung möglich.

Eine Überwachung der Gasversorgung trocken laufender berührender und gasfilmgeschmierter Gleitringdichtungen kann mit Hilfe des Barrier Gas System (BGS) erfolgen. Diese Einheit verfügt über einen Druck- und Durchflussschalter. Im Falle der Unterschreitung eines eingestellten Mindest-Sperrgasdrucks oder bei Überschreitung eines definierten Durchflusses kann das BGS eigensichere Stromkreise schalten und so Alarmsignale an ein Prozessleitsystem liefern. Selbstverständlich müssen gasgesperrte Gleitringdichtungen mit inerten Gasen, z. B. Stickstoff, gesperrt werden.

Auch das Rührwerksgetriebe ist aufgrund der Leistungsübertragung eine potenzielle Wärmequelle am Rührwerk. Hier bieten sich die Überwachung des Ölstandes im Getriebe sowie die Messung der kritischen Oberflächentemperaturen am Getriebegehäuse an. Während die Überwachung des Ölstandes im Getriebe durch organisatorische Maßnahmen (regelmäßige Überprüfung am Ölschauglas) einfach und für die Praxis ausreichend realisiert werden kann, ist die Erfassung der eigentlich relevanten, kritischen Oberflächentemperaturen nicht trivial.

In Verbindung mit dem oben beschriebenen RTH-System bietet Pfaudler daher einen speziell adaptierten Temperatursensor an, der an den, für alle Getriebeausführungen jeweils versuchstechnisch ermittelten Hotspot des Rührwerksgetriebes (Abb. 5) angebracht werden kann. Der Sensor ermöglicht die kontinuierliche Messung der höchsten, am Getriebe auftretenden Oberflächentemperatur und die Bereitstellung des Signals für das Prozessleitsystem.

Beim Durchtrittsbetrieb überstreicht oder durchdringt das Rührorgan die Flüssigkeitsoberfläche im Behälter, wodurch die Rührwelle zu Schwingungen angeregt bzw. stark radial ausgelenkt werden kann. Kommt es zum Brechen des Rührorgans oder zur Berührung des Rührorgans mit der Behälterwand oder Einbauten, können zündfähige Funken entstehen. Sofern das Rührwerk nicht explizit für den Durchtrittsbetrieb dimensioniert ist, ist die Überwachung des Behälterfüllstandes zwingend erforderlich, um das Rührwerk während des Durchtritts abzuschalten oder langsamer drehen zu lassen.

Das LevelPuls-System (Abb. 6) zur kontinuierlichen Messung von Füllständen ist speziell für emaillierte Rührbehälter ausgelegt. Das Messprinzip ist eine Radar-Füllstandmessung mit einer emaillierten Radarantenne, die auch gegen größte chemische Beanspruchung resistent ist. Das Füllstandsignal kann wiederum zur Feststellung des Durchtrittsbetriebes eines Rührorgans genutzt werden.

Halle 9.1, Stand B37-C40

Dr.-Ing. J. Reinemuth