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Pumpen

Nicht nur für’s Labor

| Autor/ Redakteur: Redaktion PROCESS / Redaktion PROCESS

Die Chemieindustrie stellt hohe Anforderungen an das Equipment – das gilt auch für Pumpen. Sie müssen außen sowie innen robust gefertigt sein, wirtschaftlich und umweltsicher arbeiten. Dazu gehört auch die Atex-konforme Bauweise. Im Beitrag werden Chemie-Membranpumpen vorgestellt, mit denen für viele Anwendungen eine maßgeschneiderte Lösung gestaltet werden kann – auch für die Vakuumerzeugung.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die Chemieindustrie stellt hohe Anforderungen an das Equipment – das gilt auch für Pumpen. Sie müssen außen sowie innen robust gefertigt sein, wirtschaftlich und umweltsicher arbeiten. Dazu gehört auch die Atex-konforme Bauweise. Im Beitrag werden Chemie-Membranpumpen vorgestellt, mit denen für viele Anwendungen eine maßgeschneiderte Lösung gestaltet werden kann – auch für die Vakuumerzeugung.

Zahlreiche Anwendungen in der Chemie werden vorteilhaft unter Vakuum durchgeführt. An ein für den „harten“ Chemieeinsatz geeignetes Vakuumsystem sind folgende Anforderungen zu stellen:

  • Vakuumtechnische, anwenderbedingte Anforderungen: Das Vakuumsystem muss so ausgeführt sein, dass der gewünschte Prozess durchführbar ist. Die wichtigsten Parameter sind hierfür Saugvermögen am Prozessdruck, Enddruck des Systems und chemische Kompatibilität zu den gepumpten Medien.
  • Wirtschaftliche Anforderungen: Neben den Anschaffungskosten sind auch die laufenden Kosten im Betrieb zu betrachten. Diese umfassen nicht nur Energie- und Wartungskosten, sondern auch den Zeitaufwand für die Bedienung. Vollautomatische Systeme sind teurer in der Anschaffung, ersparen aber wertvolle Bedienerzeit.
  • Umweltverträglichkeit: Gepumpte Stoffe sollten möglichst nicht in die Umwelt gelangen und es sollten keine kontaminierten Fluide entstehen. Wasserstrahlpumpen, Wasserringpumpen oder ölgedichtete Drehschieberpumpen sind in dieser Hinsicht eher nachteilig.

Als Vakuumerzeuger hat sich für chemische Prozesse im Labormaßstab die Chemie-Membranvakuumpumpe weitgehend durchgesetzt. Dieser Pumpentyp ist völlig ölfrei, die medienberührten Teile lassen sich aus chemisch beständigen Materialien wie Fluorkunststoffen aufbauen, und die Pumpe verbraucht kein Wasser. Durch die hermetische Abdichtung des Schöpfraumes sind keine empfindlichen Wellendichtringe, Gleitdichtungen oder ähnliches erforderlich. Aus verfahrenstechnischer wie auch wirtschaftlicher und ökologischer Sicht stellt dieser Pumpentyp für viele Anwendungen das Optimum dar.

Häufig werden diese Chemie-Membranvakuumpumpen mit Zubehör ausgestattet, beispielsweise:

  • saugseitigem Abscheider zum Schutz der Pumpe vor Partikel und Kondensattröpfchen,
  • atmosphärenseitigem Emissionskondensator zur Nachkondensation der durch die Pumpe geförderten Dämpfe,
  • einer Druckregelung z.B. mithilfe eines manuell oder elektronisch betätigten Ventils oder - die beste Methode, da punktgenau - einer Drehzahlregelung der Pumpe.

Für Technikums- und Produktionsanlagen werden häufig noch andere Pumpentypen eingesetzt. Kleinere derartige Anlagen lassen sich bei geeigneter Auslegung des Vakuumsystems durchaus auf Membranpumpen-basierte Chemie-Pumpstände umstellen. Chemie-Membranpumpen sind inzwischen bis zu maximalen Saugvermögen von 12 m3/h und Enddrücken bis unter 1 mbar erhältlich.

Aufwändiges Innenleben

Ein typischer Vertreter dieser Gattung ist die MD 12C mit einem maximalen Saugvermögen von 8,3 m3/h und einem Enddruck von 2 mbar. Die medienberührenden Teile dieser völlig ölfreien Pumpe bestehen aus (z.T. verstärktem) PTFE, ETFE, FFKM und Edelstahl. Die hohe Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit resultieren aus dem vergleichsweise aufwändigen inneren Aufbau des Pumpenkopfes.

Der äußere Gehäusedeckel aus Aluminium-Legierung umschließt das Gehäusedeckel-Innenteil aus verstärktem PTFE vollständig. Die Gase werden durch die FFKM-Ventile in den Schöpfraum ein- bzw. ausgelassen. Der Schöpfraum wird gebildet durch den Kopfdeckel, die Spannscheibe und die Membran. Diese ist als Flachmembran ausgeführt und wird durch Spann- und Stützscheibe präzise geführt und mittels Pleuel in eine Auf- und Ab-Bewegung versetzt.

Die Kernkomponenten müssen außerordentlich hohen Anforderungen genügen:

  • Nahezu universelle chemische Beständigkeit. Diese lässt sich praktisch nur durch vollfluorierte Kunststoffe erreichen.
  • Hohe Präzision der mechanischen Teile für geringes Geräusch und hohe Leistung.
  • Hohe mechanische Formstabilität (z.T. auf besser 0,1 mm) unter hohen Kräften, bei hohen Temperaturen (bis über 100 °C), über Jahre hinweg und auch nach Servicemaßnahmen.

Für die Ventile sind chemische Beständigkeit und gummielastische Eigenschaften entscheidend. Daher werden perfluorierte Elastomere (FFKM) verwendet. Die Flachmembran besteht meist aus einem Sandwich mit einer extrudierten PTFE-Folie hoher Dichte auf einem gewebeverstärktem Träger aus Elastomer. Wichtig ist hier die Diffusionsdichtigkeit der PTFE-Folie, um die darunterliegende Elastomerschicht vor chemischem Angriff zu schützen.

Insbesondere auf den Kopfdeckel und die Spannscheibe wirken sehr hohe Kräfte ein. Beim Endvakuum lastet der volle Atmosphärendruck auf diesen Komponenten entsprechend einer Gewichtskraft von etwa einem Kilogramm pro Quadratzentimeter. Gesinterte Fluorkunststoffe wie PTFE unterliegen prinzipiell einem Fließen unter Last, d.h. deformieren sich langsam unter Krafteinwirkung.

Es besteht die Gefahr, dass z.B. der Kopfdeckel nach einiger Zeit nachgibt, die Spannscheibe bzw. Membran anklopfen (lautes Betriebsgeräusch!), bis schließlich die Pleuel- und Motorlager aufgrund der Kraftspitzen zerstört werden. Um dies zu vermeiden, werden in modernen Chemie-Membranpumpen die Kopfdeckel und Spannscheiben als Zweikomponenten-Bauteile aus thermoplastischen Fluorkunststoffen mit mechanischem Versteifungskern gefertigt.

Der massive (häufig metallische) Versteifungskern ist von einer mindestens 1mm dicken Fluorkunststoffschicht umspritzt (nicht beschichtet!). Gepumpte Medien kommen ausschließlich mit dem Fluorkunststoff in Berührung. Die mechanische Verknüpfung des Fluorkunststoffes mit dem Kern verhindert ein Kriechen des Kunststoffes. Die Fluorkunststoffschicht erreicht durch ihre Dicke und das thermoplastische Herstellungsverfahren eine hohe Diffusionsdichtigkeit und mechanische Eigenstabilität.

Druckregelungsmethoden

Neben dem bekannten Verfahren der Druckregelung mittels 2-Punkt-Regelventils und elektronischen Vakuumcontrollers werden seit kurzem drehzahlgeregelte Chemie-Membranpumpen angeboten. Diese bieten zahlreiche Vorteile:

  • Im Vergleich zu Zweipunkt-Reglern mit Ventil ermöglichen sie durch die kontinuierliche Regelung eine wesentlich bessere Vakuumregelpräzision, die auch vollautomatische Algorithmen zur Siedepunktserkennung und -nachführung erlauben.
  • Die Pumpe wird mit genau dem Saugvermögen betrieben, das wirklich für die Anwendung gebraucht wird
  • im Gegensatz zu ventilgeregelten Systemen, bei denen die Pumpe mit fester Drehzahl läuft. Die Standzeit der einzigen Verschleißteile - Membran und Ventile - verlängert sich entsprechend. Die Drehzahlregelung reduziert die Geräusch- und Vibrationsentwicklung.
  • Die präzise Vakuumregelung erhöht die Verdampfungseffizienz - der Prozess läuft schneller - und verbessert zusätzlich die Lösemittelrückgewinnungsrate.
  • Die Drehzahlregelung nutzt höhere Drehzahlen im Abpumpvorgang - also schnelleres Abpumpen - sowie langsamere Drehzahlen bei tiefen Drücken, und erlaubt es so, die tiefsten Enddrücke von Chemie-Membranpumpen überhaupt zu erreichen.

Atex-konforme Pumpen

Viele Lösemittel sind bei Atmosphärendruck brennbar und besitzen einen hohen Dampfdruck, können also explosionsfähige Gemische mit Luft bilden. Gerade bei größeren Anlagen bzw. Pumpen müssen Explosionsschutzrisiken bewertet werden.

Chemie-Membranpumpen bieten dank ihrer hohen Chemikalienbeständigkeit, Ölfreiheit, Fehlen gleitender Oberflächen und der hermetischen Abdichtung des Schöpfraumes gegen den Antriebsbereich gute Voraussetzungen für die Vermeidung von Zündquellen. Typische Einsatzbereiche für Ex-geschützte Chemie-Membranpumpen sind das Eindampfen von Proben in großen Rotations- oder Parallelverdampfern, Vakuum-Trockenschränke mit ihren oft erheblichen Lösemittelmengen sowie Mini-Plants und Technikumanlagen.

Die Chemie-Membranpumpen von Vacuubrand weisen durch ihre hochpräzise geführte Flachmembran deutliche Vorteile bezüglich kontrollierter Kompression auf. Die Atex-Chemie-Membranvakuumpumpen wurden gemäß EN 13463-1 bewertet und getestet. Sie sind Atex-konform gemäß Gerätekategorie 2 mit Temperaturklasse T3 (für gepumpte Gase).

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