Übersicht Vakuumpumpen Die große Leere: Vakuumtechnik und Vakuumpumpen

Autor: Dominik Stephan

Alles muss raus: Manchmal hilft nur Vakuum – Destillation, Gefriertrocknung oder Polykondensation: die Vakuumtechnik ist ein unerlässlicher Helfer für nahezu jede Branche. Doch ist Vakuumpumpe nicht gleich Vakuumpumpe. Was treibt die Branche um? Was ist beim Einsatz von Vakuumtechnologien zu beachten, und welche Lösungen gibt es?

Firmen zum Thema

Die große Leere findet man nicht nur im Weltraum: Auf der Erde ist technisches Vakuum ein untebehrlicher Helfer für nahezu jede Industrie.
Die große Leere findet man nicht nur im Weltraum: Auf der Erde ist technisches Vakuum ein untebehrlicher Helfer für nahezu jede Industrie.
(Bild: ©fergregory - stock.adobe.com)

Weniger ist mehr: Während viele Prozesse bei enormen Drücken ablaufen, ermöglicht der Unterdruck Verfahren von der Destillation im Feinvakuum bis zur Gefriertrocknung. Ob die Vakuumtechnik genutzt wird, um den Siedepunkt herabzusetzen oder die Polykondensation von Monomeren im Vakuum die Reaktion unerwünschter Nebenprodukte verhindert – das „Nichts“ macht es möglich.

Natürlich handelt es sich technisch nicht wirklich um ein „Nichts“: Absolutes Vakuum, also die vollständige Abwesenheit der Materie, ist technisch unerreichbar. Nicht einmal die unendlichen Weiten des Weltraums sind wirklich „leer“, sondern enthalten feinste Gase, kosmischen Staub und Elementarteilchen. Auf der Erde ist Vakuum dennoch ein unentbehrlicher Helfer für nahezu jede Industrie: Von Instant-Kaffee bis zum Corona-Impfstoff hat wahrscheinlich jeder Mensch mit Produkten zu tun, zu deren Herstellung Vakuumprozesse genutzt wurden.

Bildergalerie

Der derzeit größte Abnehmermarkt für die Vakuumtechnik ist die Halbleitertechnik: Aktuelle Zahlen des VDMA zeigen, dass etwa 45 Prozent des Marktvolumens auf die Semiconductor-Prozesse entfallen. Ebenfalls in den Top-Drei sind Industrie und Verfahrenstechnik mit 17 bzw. 7 Prozent. Das beginnt bei der Grundstoffindustrie: Bei der Destillation von Rohöl bleibt ein nicht siedendes Stoffgemisch (der sogenannte „Sumpf“) in der Kolonne zurück. Würde man einfach die Temperatur erhöhen, würden sich die Ölbestandteil thermisch zersetzen, also „cracken“. In einer Vakuumdestillation bei einem gewissen Unterdruck sinkt jedoch der Siedepunkt weit genug, so dass der Sumpf aufgeschlossen und in seine Bestandteile getrennt werden kann.

Vakuum-Destillationskolonnen sind mit ihrer gedrungenen Bauweise sowie Durchmessern von 15 Metern und mehr ein typisches Bild in Raffinerien. Große Anlagen können bis zu 160.000 Barrel pro Tag umsetzen, wobei Unterdrücke von etwa 10-2 mbar typisch sind. Es geht aber auch deutlich kleiner: Auch bei der Gewinnung von Cannabis-Ölen hilft die Vakuumdestillation, das als Lösungsmittel verwendete Ethanol abzutrennen, ohne das Produkt zu schädigen.

Diese Verfahren brauchen Vakuumtechnik

Doch Vakuum kann noch mehr: Um überhaupt getrocknete Pflanzenteile für die Produktion zur Verfügung zu haben, nutzen nicht nur die Hersteller von Cannabis- Produkten die Gefriertrocknung. Das Verfahren macht sich die Sublimation von Wassereis zu Dampf im Vakuum zunutze, um auch empfindliche Produkte schonend zu trocknen.

Das Nichts macht’s – aber wie schafft man eigentlich dieses „Nichts“? Dafür braucht es Vakuumpumpen: Diese Aggregate wiederum können ganz unterschiedlich ausgeführt sein, etwa als Membranpumpen, Hub­kolbenpumpen, Drehschieber- oder Wälzkolbenpumpen. Doch auch Schraubenvakuumpumpen, Molekularpumpen und sogar „gasbindende“ Aggregate sind keine Seltenheit.

Im luftleeren Raum? Warum es beim Vakuum auf das Ambiente ankommt

In der Industrie arbeiten die meisten Vakuumpumpen nach dem volumetrischen oder Verdrängerprinzip, wobei die Leistungs­fähigkeit entscheidend von der Dichtheit der Pumpe abhängt. Geht es darum, eine geeignete Technologie auszuwählen, spielen Saugvermögen (also die Leistung und Ansprechzeit des Aggregats in Litern pro Sekunde ) sowie die mögliche Menge des erzeugten Vakuums (der Ausblasedruck bzw. die im Behälter verbleibende Restdruckmenge) eine entscheidende Rolle.

Leider gibt es auch bei Vakuumpumpen kein für jeden denkbaren Einsatzzweck perfekt geeignetes Aggregat oder System. Das Verfahren, die anfallende Gasmenge und der Arbeitsdruck müssen genauso beachtet werden, wie die zu fördernden Medien und ihre Eigenschaften – Aspekte, die gerade bei ganz neuen Produkten oder Verfahren schnell zur Herausforderung werden. Und natürlich bestehen Vakuumsysteme, insbesondere in Großanlagen der Chemieindustrie, nicht nur aus der Vakuumpumpe: Gasanalysesysteme und Leck­sucher gehören genauso selbstverständlich dazu wie Kalibrierpumpstände.

Läuft wie geschmiert: Vakuumpumpen mit Öl oder ohne?

Nicht nur die Frage nach dem Grad des Unterdrucks – unterschieden in Grobvakuum (bis 1 hPa), Feinvakuum (bis 10−3 hPa), Hoch- (bis 10-8 hPa) oder Ultrahochvakuum (bis 10-11 hPa) – oder dem Durchsatz einer Vakuumpumpe sind entscheidend. Auch, ob eine Ölschmierung der Pumpe möglich ist, spielt bei der Auswahl einer passenden Technologie eine wichtige Rolle: Ölgeschmierte Vakuumpumpen (etwa Paletten-Vakuumpumpen) kombinieren eine hohe Effizienz mit einer größeren Widerstandsfähigkeit. Allerdings müssen sie regelmäßig gewartet werden und können nicht in Anwendungsbereichen eingesetzt werden, in denen das Öl die Produkte kontaminieren könnte – etwa in der Lebensmittelindustrie.

Dafür eignen sich Trockenpumpen (Membranpumpen, Turbomolekularpumpen, Flüssigringpumpen oder Scrollvakuumpumpen), die jedoch feuchtigkeitsempfindlicher und – als ungekühlte Vakuumpumpen – auch temperatursensibler als die robusten und langlebigen (ölgeschmierten) Palettenpumpen.

Natürlich werden auch Vakuumpumpen nicht im „luftleeren Raum“ betrieben: Vernetzung und Digitalisierung sind im Industrie- 4.0-Zeitalter auch für die Vakuumtechnik unerlässlich. Entsprechend hat sich der VDMA Fachverband Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik mit dem Fachverband Pumpen und Systeme zusammengetan, und eine OPC UA Companion Specification erarbeitet (OPC 40223 „Pumps and Vacuum Pumps“), die kürzlich von der OPC Foundation veröffentlicht wurde. ●

(ID:47446038)

Über den Autor

 Dominik Stephan

Dominik Stephan

Redakteur, PROCESS - Chemie | Pharma | Verfahrenstechnik