Die Kraft des Vakuums

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08.02.2007Redakteur: Redaktion PROCESS

Die Powtech ist für viele Besucher wieder die Gelegenheit, sich über Verbesserungen des innerbetrieblichen Pulver- und Schüttguttransportes zu informieren. Unter Berücksichtigung der verschärften rechtlichen Bedingungen (Atex, MAK-Werte etc.) ist insbesondere für einen staubfreien Pulvertransfer zu sorgen.

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Zum einfachen Beschicken von Anlagen und Befüllen von Gebinden haben sich die im geschlossenen System arbeitenden Vakuumförderer seit langem bewährt. Dieser Beitrag zeigt, wozu sich der Unterdruck darüber hinaus effektiv verwenden lässt. Vakuumförderer haben gegenüber konventionellen Saugförderern den Vorteil, dass Sie das Material bei einem wesentlich höheren Unterdruck transportieren können.

Damit erschließt sich ein weitaus größeres Anwendungsfeld. Während klassische Saugförderer bei schwierigen Schüttgütern wie Titandioxid, Ruß oder Talkum-Pulver regelmäßig durch Verstopfungen den Betrieb einstellen, ist dies bei Vakuumförderern nicht der Fall. Die enorme Druckdifferenz von bis zu 960 mbar ist in der Lage, Agglomerate und Pfropfen durch die Förderleitung hindurch zu ziehen.

Bei herkömmlichen Saugförderern jedoch zwingt die geringe mögliche Druckdifferenz zur Flugförderung, welche durch die hohe Luftgeschwindigkeit zu einer starken mechanischen Belastung des Fördergutes und/ oder hohem abrasivem Verschleiß führt.

Schonend fördern und Entmischungen vermeiden

Beim Vakuumförderer hingegen wird in der Regel die Strähnen- oder Pfropfenförderung angestrebt, um schonend zu fördern und potentielle Entmischungen des Fördergutes zu vermeiden. Der dabei zum Fördern notwendige Unterdruck und Saugvolumenstrom werden zweckmäßigerweise durch mehrstufige, gasstrahlbetriebene Vakuumpumpen erzeugt. Diese Hochleistungsejektoren zeichnen sich insbesondere durch die Wartungs- und Verschleißfreiheit, die Taktbarkeit (diskontinuierliche Förderung), die geringe Baugröße und die einfache Installation aus.

Der Energiebedarf ist gering, da das eingesetzte Treibgas (i.d.R. Druckluft) bis zu fünfmal ausgenutzt wird. Darüber hinaus ist eine Multijector-Vakuumpumpe absolut zündquellenfrei (keine elektrischen Teile, keine Wärmequellen, keine mechanische Reibung und Funkenschlag, keine elektrostatischen Aufladungen) und fällt damit nicht unter den Geltungsbereich der neuen Atex-Richtlinien. Es liegt folglich nahe, die besonderen Vorteile dieser Unterdruckerzeuger in zahlreichen anderen Bereichen zu nutzen.

Neben dem Pulvertransfer setzen Anwender diesen Pumpentyp auch zur Absaugung und Förderung von Flüssigkeiten ein. In Anlehnung an die Pulverfördersysteme wird bei Flüssigkeiten mit einem Abscheider vor der Vakuumpumpe gearbeitet. Gerade beim Umgang mit brennbaren Lösemitteln ergeben sich durch die Zündquellenfreiheit besondere Vorteile gegenüber allen mechanischen und elektrischen Vakuumquellen. Selbst wenn nur brennbare Dämpfe abzusaugen sind, welche häufig chemisch aggressiv mit konventionellen Pumpenmaterialien reagieren, ist der Mehrstufenejektor die richtige Wahl, da dieser auch komplett aus Edelstahl erhältlich ist.

In diesem Zusammenhang wurden spezielle RVA-Multijectoren entwickelt, um beispielsweise mittels der Kraft des Vakuums aggressive Gasblasen aus einer zähen Silikonflüssigkeit zu entfernen. Der Edelstahl-Hochleistungsejektor evakuiert dazu den Raum im Kessel oberhalb der Flüssigkeit auf ein Endvakuum von 40 mbar absolut. In Folge dessen steigen die Blasen in der Flüssigkeit auf und werden nach dem Austritt abgesaugt.

Die Wichtigkeit der flexiblen Werkstoffwahl wird außerdem an diesem Beispiel deutlich: In einem chemisch-pharmazeutischen Betrieb war es gängige Praxis, das gesamte Rohrleitungssystem, welches an der Vakuumpumpe angeschlossen war, mit heißer Natronlauge CIP (Cleaning-In-Place) zu reinigen. Mit der verwendeten mechanischen Wälzkolbenpumpe sollte kurzzeitig ein Vakuum erzeugt werden, um damit die Reinigungsflüssigkeit durch die Rohrleitung zu saugen.

Es musste aber rechtzeitig die Vakuumpumpe abgeschaltet werden, damit eben nur die Leitung gespült wurde und keinesfalls die Wälzkolben selbst mit der aggressiven Natronlauge in Kontakt kamen. Dies misslang regelmäßig, sodass die mechanischen Pumpen bei den üblichen Werkstoffen nur eine sehr kurze Lebensdauer zeigten. Daher wurden sie durch die CIP-tauglichen Edelstahl-Multijectoren ersetzt. Diese können sogar intensiv mit Natronlauge gespült werden, und man findet sie zweckmäßigerweise vertikal eingebaut, damit anschließend die Spülflüssigkeit wieder vollständig herauslaufen kann.

Im Gegensatz zu Pulvern und anderen Partikeln lassen sich Dämpfe und Aerosole meist nicht vor der Vakuumpumpe vollkommen abscheiden. Dies führt bei herkömmlichen mechanischen Pumpen immer wieder zu Problemen, weil sich die abzusaugende Gas- oder Flüssigkeitsphase später entweder im Ölkreislauf der Drehschieberpumpe oder in der Betriebsflüssigkeit der Wasserringpumpe wiederfindet. Diese kontaminierten Betriebsmittel müssen dann teuer entsorgt oder separiert werden. Die trocken laufenden Multijectoren ersparen diesen Aufwand.

Ex-sichere Gebläsetechnik

Um zukünftig die Ex-Zoneneinteilung an verfahrenstechnischen Anlagen auf ein realistisches und wirtschaftliches Maß zu begrenzen, wird die Be- und Entlüftungstechnik stark an Bedeutung gewinnen. Die Multijectoren eignen sich aufgrund ihrer Zündquellenfreiheit aber nicht nur zum Absaugen und Fördern von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen, sondern durch das „Übersetzungsverhältnis“ auch zum gezielten Belüften und Einblasen. Es wird dann also Luft gefördert. Ein Volumenanteil Druckluft erzeugt das Fünffache(!) an Saugluft, so dass sechs Volumenanteile den Multijector verlassen. Ein solcher Volumenstromverstärker lässt sich daher nicht nur zur Evakuierung, sondern ebenso zur schnellen Frischluftversorgung eines Raumes einsetzten.

Die Ejektorpumpe kann obendrein einfach mit Stickstoff betrieben werden und sorgt beispielsweise durch die Umwälzung von Stickstoff in einem Rührkessel für eine homogene Gasverteilung. Überall dort, wo es nicht auf einen großen Anblasdruck, sondern auf einen möglichst hohen Volumenstrom ankommt, wird der Mehrstufenejektor effizient als Gebläse eingesetzt.

Vom Förderer zum Schleusensystem

Selbst bei der Förderung von Pulvern und Granulaten hört die Nutzung des Vakuums nicht nach dem eigentlichen Materialtransport auf. Beim Beschicken von Reaktoren oder Rührkesseln kann die übliche gravimetrische Entleerung des Vakuumförderers unter atmosphärischen Bedingungen nachteilig sein, insbesondere wenn der zu befüllende Raum inertisiert ist. In diesem Fall wird der Abscheidebehälter des Vakuumförderers zu einer Schleuse erweitert: Gegen Ende des Fördertaktes schließt sich ein saugseitiges Ventil. Durch den weiteren Betrieb der Multijector-Pumpe ist die Vorevakuierung des Pulvers im Vakuumförderer möglich.

Somit reduziert sich der Sauerstoffanteil in dem bereits geförderten Material. Mit den Hochleistungsejektoren sind Enddrücke von bis zu 40 mbar absolut möglich. In der Regel ist schon bei 500 mbar eine unkritische Sauerstoffkonzentration erreicht. Nach Beendigung der Vorevakuierung wird der Mehrstufenejektor abgeschaltet, und es erfolgt wie üblich der Druckausgleich über die Impuls-Filterabreinigung, hier dann natürlich nicht mit Druckluft, sondern mit Stickstoff.

Erst jetzt öffnet sich die Entleerklappe, und der Feststoff gelangt sicher unter gleichzeitiger Stickstoff-Beschleierung in den Reaktor oder Rührkessel. Strebt man extrem geringe Restsauerstoffkonzentrationen im Pulver an, werden die Vorevakuierung und der nachfolgende Druckausgleich auf Atmosphärenniveau in mehreren Schritten nacheinander durchgeführt. Hierbei wird eine außerordentliche Verdünnung der Sauerstoff-Restkonzentration erzielt, weil der Druckausgleich in jedem Einzelschritt mit Stickstoff erfolgt.

Dieses Prinzip ist beliebig erweiterbar, sodass der Vakuumförderer bei entsprechender Auslegung sogar als Überdruckschleuse dienen kann. In diesem Fall finden spezielle druckfeste Abscheider und Klappen Verwendung. Alternativ können Fördervorgang und Einschleusung auch separat stattfinden. Dies ist besonders für Anwendungen interessant, bei denen der Vakuumförderer mobil eingesetzt wird oder man anfangs nicht sicher ist, ob der Einschleusungsvorgang überhaupt notwendig wird. Durch den modularen Aufbau ist hier die Schleuse jederzeit nachrüstbar.

Noch ausgeklügelter wird das Fördersystem, wenn bereits der eigentliche pneumatische Fördervorgang nicht mittels normaler Umgebungsluft, sondern unter einem Schutzgas erfolgen soll. Dies kann aus explosionstechnischer Sicht oder bei oxidationsempfindlichen Pulvern im Wirkstoffbereich erforderlich sein. Hier kommen zusätzlich spezielle Injektionsdüsen an der Saugstelle zum Einsatz. Dabei kann das Fördergut über Aufgabetrichter, Sauglanzen oder mit dem Automatik-Gebinde-Entleersystem (AGES) in den Förderkreislauf eingebracht werden. Falls darüber hinaus eine portionsgerechte Dosierung erforderlich ist, bietet sich das Vakuum-, Wiege- & Dosiersystem (Vawidos) an.

Fazit: Zweckmäßigerweise sollte die industrielle Vakuumtechnik getrennt von der physikalischen (Hoch)vakuumtechnik betrachtet werden. Gerade das große Feld der industriellen Anwendungen führt immer wieder zu interessanten Lösungen für die tägliche Betriebspraxis. Während sich die physikalische Vakuumtechnik mit sehr hohen Unterdrücken befasst, finden die beschriebenen Absaug- und Förderbeispiele in erster Linie im Grobvakuumbereich von ca. 1013 bis 90 mbar absolut statt. Dies ist genau der Bereich, in dem mehrstufige Hochleistungsejektoren ihre Vorteile voll ausspielen können. Man darf also auf weitere, nutzerorientierte Entwicklungen gespannt sein.

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