PROCESS-Pumpenseminar 2008 Pumpen für feststoffhaltige Flüssigkeiten und deren Abdichtung

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Reine Flüssigkeiten, selbst wenn sie aggressiv oder zäh sind, bereiten bei der Pumpen-Auswahl und später im Betrieb die wenigsten Probleme. Besondere Aufmerksamkeit ist immer dann geboten, wenn Feststoffe ins Spiel kommen.

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Beim PROCESS-Seminar im Juni stand die Pumpe klar im Mittelpunkt.
Beim PROCESS-Seminar im Juni stand die Pumpe klar im Mittelpunkt.
( Bild: PROCESS )

Das Fördern feststoffhaltiger Flüssigkeiten – was ist die richtige Pumpe und was die richtige Abdichtung? Das PROCESS-Pumpenseminar im Juni 2008 befasste sich intensiv mit dieser Thematik. Die gute Botschaft: Wer einige grundlegende Gegebenheiten beherzigt, minimiert Probleme mit Feststoffen. So betonte Professor Helmut Jaberg von der TU Graz einleitend: „Alle Pumpen sind grundsätzlich für den Transport von zähen oder mit Feststoff beladenen Medien geeignet. Voraussetzung: Das Medium liegt als Fest/Flüssig-Suspension, als fließfähige Mischung kleiner und großer Körner vor.“ Solange das Medium zum Saugstutzen der Pumpe gelange, werde es auch gefördert.

Günstig zur Förderung von Feststoffsuspensionen sind laut Jaberg also Mischungen von kleinen und großen Körnern: „Feine Körner helfen beim Fördern der groben.“ Schlecht für die Förderung von Feststoffsuspensionen sei dagegen eine Separation: Je schneller Partikel ausfallen, desto höher die Förderhöhen-Einbuße, so die einfache Rechnung.

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Dazu gesellt sich noch die Verschleiß-Problematik, die – in gewissem Ausmaß – über die Materialauswahl in den Griff zu bekommen ist. Als geeignete Materialien, um dem bei Feststoffen nicht vermeidbaren Verschleiß zu begegnen, empfiehlt Jaberg generell duktile Metalle hoher Härte (CrMo-Stähle, Ni-Hart, Stellit, Ferro-Titanit), Mineralguss, Kunststoffe auf metallischem Träger (Gummi, PP, PE) sowie eine Oberflächenbeschichtung aus Silicium- oder Wolframcarbid und führt als Beispiel an: „In der österreichischen Wasserwirtschaft machen die Betreiber mit beschichteten Oberflächen die besten Erfahrungen.“

Keine Toleranzen, keine Sicherheitszuschläge!

Ansonsten müsse man bei abrasiven Medien eine möglichst niedrige Drehzahl wählen, rät Jaberg. Und keinesfalls dürfe man die Pumpe in Teillast betreiben – nicht allein wegen des unwirtschaftlichen Betriebs, sondern vor allem weil durch Sekundärströmungen zusätzlich Abrasion verursacht werde. Jaberg: „Einer der Teilnehmer erwähnte gerade, dass er 400 Pumpen betreibe. Ich wette, dass 360 davon tief im Teillastbereich arbeiten!“ Jabergs Credo deshalb: Keine Toleranzen, keine Sicherheitszuschläge – denn das führe nur zu überdimensionierten Pumpen, die überwiegend im Teillastbereich arbeiten.

Auch auf die Zwischenfrage eines weiteren Teilnehmers, wie er verhindern könne, dass ein sich veränderndes Produkt zum Teillastbetrieb der Pumpe führe (es dampft während des Prozesses allmählich ein, was die Viskosität erhöht), hat Jaberg die Lösung schnell parat: „Nehmen Sie eine Drehzahlregelung, die Pumpe und die Anlage werden es Ihnen danken!“

Die weiteren Empfehlungen des Experten aus Graz für den Fall feststoffhaltiger, abrasiver Medien:

  • große, gut gespülte Gleitringdichtungs (GLRD)-räume,
  • doppelwandige Ausführungen, nachstellbare und austauschbare Schleißwände und Spalte,
  • druckentlastete Gehäuse,
  • Einbau einer Wellenschutzhülse,
  • dicke Profile bei Laufradeintritt und Spiralensporn.

Abdichtung und Lager als Schwachstellen

Keine Überraschung ist, dass es bei allen Pumpen-Bauarten immer wieder die Dichtungen und Lager sind, die beim Fördern feststoffhaltiger Medien als Schwachstellen herausragen. Dichtungs-Fachmann Hans-Wilhelm Laarmann von Flowserve bestätigte denn auch in seinem Vortrag: „MTBR-Analysen nennen als Hauptausfallursache von Pumpenschäden ein Versagen der Gleitringdichtung.“ Das liege am Medium, an den in der Prozesstechnik vorherrschenden Temperaturen, Drücken und Viskositäten – sowie vor allem aber daran, dass es in der Prozesstechnik, vom Endmedium einmal abgesehen, keine reine Medien gebe. Und hier gelte: „Die kleinen Partikel sind das Problem.“

Die Praxis sehe allerdings anders aus, weiß Laarmann aus Erfahrung: Häufig geben die Betreiber die größten Feststoffpartikel an, was den GLRD-Dichtungshersteller aber weniger interessiere. Dieser müsse wegen der Spalte auf die kleinsten Partikel achten. „Eine Richtlinie für die Versorgung und den Schutz von Gleitringdichtungen bietet die API American Petroleum Industry, die auch außerhalb der Anwendungen in der Ölindustrie immer mehr Verwendung findet“, empfiehlt Laarmann.

Neben dem Hauptzweck vieler der von der API genannten Versorgungseinrichtungen, nämlich der Abfuhr der Reibwärme, bieten diese noch weitere Vorteile:

  • Sie verhindern das Altern des Fördermediums im Dichtungsraum (Eindicken, Polymerisation).
  • Sie spülen die Feststoffe aus dem Dichtungsraum.
  • Sie vermeiden Ablagerungen im Bereich des Dichtspalts und der Federn.

Prinzipiell gilt auch hier die Forderung, jede Pumpe anwendungsspezifisch auszulegen: „Die Gleitringdichtung kann nicht lange überleben, wenn die Pumpe außerhalb des Betriebspunkts läuft“, brachte es der zweite Dichtungsexperte des Seminars, Carsten Scholz von Burgmann Industries, auf den Punkt. Gleitringdichtungen: Insbesondere der Gummibalg bewährt sich bei feststoffhaltigen Medien

Von den vier Grundtypen von Gleitringdichtungen, bei denen die Feder im Kontakt mit dem Medium steht (O-Ring-Dichtungen mit Feder im Produkt; Metallfaltenbalg-Dichtung; Rollbalg-Dichtung; Gummibalg-Dichtung) bewährt sich bei feststoffhaltigen Medien insbesondere der Gummibalg: Hier ist keine Blockade in axialer Richtung möglich. Besser – und leider auch teurer –, so Scholz, seien natürlich die Variante ‚Feder geschützt‘ bzw. eine stationäre Auslegung der Gleitringdichtung.

Stationäre GLRD egalisieren sogar einen Versatz der Welle, beispielsweise wenn die Pumpe in Teillast betrieben wird. Wer dem in der Branche gefürchteten ‚Sudden death‘ wirksam gegenhalten möchte, muss zu Spezialausführungen wie stationäre und doppeltwirkende Heavy-duty-Ausführungen greifen. Für besonders hohe Feststoffbelastungen bis 70 Prozent bieten viele Hersteller Sonderausführungen an, beispielsweise eine gespülte GLRD mit integrierten Spülanschlüssen.

Als Grundsätze einer guten GLRD-Konstruktion empfiehlt Scholz:

  • stationäre Ausführung,
  • Federn nicht produktberührt,
  • Gleitflächen gut umspült,
  • möglichst großer, belüfteter, konischer Dichtungsraum,
  • scharfe Kanten vermeiden,
  • Materialquerschnitte maximieren,
  • Turbulenzen minimieren (Rückenschaufeln),
  • Einbringen einer sauberen Flüssigkeit,
  • richtige Werkstoffauswahl.

Der ideale Gleitwerkstoff ist korrosionsbeständig, verschleißfest, formstabil, notlauffähig und wärmeleitend. Mit einem Wort: Eine technische Keramik. Burgmann Industries empfiehlt SSiC-Keramik-Gleitringdichtungen als sehr gute Lösung. Wer noch mehr Wert auf Sicherheit legt: Keramiken mit einer DiamondFace-Beschichtung (Achtung: teuer!) ertragen einen temporären Trockenlauf bis zu 30 Minuten!

Exzenterschnecken- und Drehkolbenpumpen

Nachdem im Seminar somit ausführlich das Thema Gleitringdichtung behandelt worden war, richtete sich der Fokus dann auf die verschiedenen Pumpentypen und deren Abdichtungstechniken. Den Auftakt im „Wettstreit der Systeme“ machte Thomas Böhme von Netzsch Mohnopumpen mit den Abdichtungstechniken bei Exzenterschnecken- und Drehkolbenpumpen. Speziell Exzenterschneckenpumpen gelten schließlich als die Feststoffpumpe schlechthin.

Standarddichtung ist bei Netzsch eine Elastomerbalg-Dichtung von Burgmann. Aber auch die Stopfbuchspackung ist nach wie vor auf dem Markt relevant, obwohl der Personalaufwand zur Wartung beträchtlich ist. Drehkolbenpumpen empfehlen sich laut Böhme bis zu Feststoffgehalten von fünf bis sieben Prozent; sie bieten einen höheren Durchsatz als die typischerweise langsam laufenden Exzenterschneckenpumpen.

Zahnradpumpen

Bei Zahnradpumpen müssen beim Fördern feststoffhaltiger Medien eher die Hydraulik selbst (die Zahnräder) und das Lager im Auge behalten werden, die Gleitringdichtung sei weniger problematisch, so der ‚Vertreter‘ dieses Pumpentyps, Andreas Bachmann von Maag.

Zahnradpumpen kommen beispielsweise in der Polymerverarbeitung zum Einsatz, für den Druckaufbau zwischen Extruder und Werkzeug. Sie werden auch als Transfer-, Austrags- und Boosterpumpe oder zwischen Compounder und Pelletizer eingesetzt. Zur Abdichtung kommen im Grunde alle verfügbaren Dichtungstypen zum Einsatz – Wellendichtringe, Gleitringdichtungen in diversen Ausführungen, Magnetkupplungen, Stopfbuchspackungen und Gewindedichtungen.

Schlauchmembran-Kolbenpumpen und Faltenbalg-Ringkolbenpumpen

Kein Problem mit Feststoffen haben Schlauchmembran-Kolbenpumpen wie sie Feluwa im Programm hat; sie fördern Medien unterschiedlicher Viskosität und Konsistenz (chemisch aggressiv und mechanisch abrasiv, flüssig und hochviskos). Je nach Medium kann der Trockenstoffanteil 80 Prozent betragen – beispielsweise beim Einsatz in der Kohlevergasung.

Faltenbalg-Ringkolbenpumpen erfüllen, so Rudolf Voland von Blackmer, hermetisch abgedichtet die Anforderungen der TA Luft – und zwar ohne Gleitringdichtung und ohne Magnetantrieb. Abrasive Feststoffe erzeugen somit keinen Abrieb an Wellendichtelementen oder Magnetantriebsteilen (Medienspülung). Das Fördern von kurzfasrigen Medien ist möglich, wobei die kritische Größe der Feststoffe bei etwa 2 mm liegt.

Spezial-Kreiselpumpen mit hydrodynamischer Wellenspaltabdichtung

Eine Sonderstellung nehmen die Spezial-Kreiselpumpen von Bungartz mit hydrodynamischer Wellenspaltabdichtung ein: Dabei dichtet – allerdings nur während des Betriebs – die Primärdichtung mittels Laufradrückenschaufeln oder zusätzlichem Dichtungsrad rein hydrodynamisch ab. Bei Stillstand der Pumpe tritt eine anwendungsspezifische Sekundärdichtung in Aktion. Das kann eine Stopfbuchse sein, eine doppelte GLRD oder eine trockenlaufende Magnetkupplung. Die Vorteile der rein hydrodynamischen Abdichtung lägen auf der Hand, so Hans-Wilhelm Möllmann von Bungartz: „So lange die Pumpe läuft, gibt es keinen Dichtungsverschleiß und keine Leckage.“

Magnet- und Spaltrohrmotor: Was tun bei Feststoffen?

Magnet- und Spaltrohrmotorpumpen gelten gemeinhin nicht als besonders geeignet zum Fördern feststoffhaltiger Medien. Doch was tun, wenn die TA Luft für das Medium eine technisch dichte Wellenabdichtung fordert, aber keine Gleitringdichtung eingesetzt werden soll?

Ulrich Rennett von Richter Chemie-Technik erklärte in seinem Vortrag: „Geht es um einzelne, gelegentlich vorkommende Feststoffe, sind Partikel bis zur minimalen Kanalweite des Laufrads bei einer mit Kunststoff ausgekleideten Magnetkupplungspumpe der Baureihe MNK unkritisch.“ Eine Standardausführung würde er auch bei einem Volumenanteil kleiner 0,5 Prozent und einer Partikelgröße kleiner 2 mm nehmen; bei einem Volumenanteil bis 2 Prozent sollten die Feststoffe aber kleiner 0,3 mm sein. In Extremfällen könne das Spalttopfsystem vom Fördermedium getrennt und die Gleitlager mit feststoffreiem Spülmedium (Fremdspülung) versorgt werden.

Als weitere Lösung offeriert Richter Chemie-Technik Freistrompumpen der Baureihe MNK-X mit erweitertem Gehäuseraum und spezieller Laufrad-Geometrie – sie sind prädestiniert, wenn z.B. größere oder langfaserige Partikel oder höhere Feststoffanteile mitzufördern sind bzw. höhere Gasanteile bis fünf Volumpenprozent vorliegen.

Jürgen Konrad von Dickow Pumpen ergänzte: „Beim Einsatz einer Magnetkupplungspumpe ist die Art der Feststoffe zu berücksichtigen, z.B. ob es sich um ferritische Partikel handelt oder welche Korngröße vorliegt. Für die Auswahl der Werkstoffe der Magnetkupplung ist die Temperatur und Korrosivität des Fördermediums sowie der Systemdruck ausschlaggebend.“

Zum Thema ferritische Partikel: Die Magnetkupplung besteht aus mehreren Magnetelementen mit wechselnden Polen. Die homogenen Feldlinien erzeugen keine radialen Festhaltekräfte; die Feststoffe passieren diesen Bereich, ohne Spuren zu hinterlassen. Anders verhält es sich bei den inhomogenen Feldern, die sich in den Luftspalten zwischen den einzelnen Magneten ausbilden. Diese erzeugen hohe Kräfte, welche die Ferrite in diesen Bereichen festhalten. Den Festhaltekräften wirken die Rotorumfangsgeschwindigkeit und der durch den Spalt fließende interne Kühlstrom entgegen. Bei ausreichend bemessenem Spalt wird ein ständiges Festhalten der Ferrite verhindert. Auch Dickow offeriert zudem unterschiedliche Lösungen zum Fremdspülen der Gleitlager.

Magnetkupplungspumpen können durch gezielte Modifikationen also durchaus auch im Feststoffbetrieb eingesetzt werden!

Spaltrohrmotor: Fremdspülungen als Lösung

Bei der Spaltrohrmotorpumpe ist der Spaltabstand aus Gründen des Wirkungsgrads geringer als bei Magnetkupplungspumpen – sie sind deshalb weniger für den Feststoffeinsatz geeignet. Fremdspülungen sind aber auch hier eine Lösungsmöglichkeit: Zur Förderung von Flüssigkeiten mit Feststoffen, Aufschwemmungen oder Suspensionen werden Aggregate mit sekundärem Kühl-/Schmierkreislauf verwendet. Je nach Feststoffgehalt muss in solchen Fällen eine reine Flüssigkeit in den Rotorraum eingespeist werden – entweder die reine Phase der Suspension, ein neutrales, mit dem Fördergut verträgliches Fluid oder aber ein Stoff, der aus Prozessgründen sowieso eingespeist werden muss. Der benötigte Spülflüssigkeitstrom ist gering und bewegt sich je nach Motorgröße zwischen 2 und 10 l/h.

Fazit

Generell gilt die Empfehlung bei feststoffhaltigen Medien: Den Feststoff möglichst von der Gleitringdichtung und dem Gleitlager fernhalten – wenn erforderlich durch Spülen bzw. durch Fremdspülung. Und eines zeigte das PROCESS-Pumpenseminar wieder deutlich: Hersteller und Betreiber sollten möglichst früh möglichst eng zusammenarbeiten, sind doch Feststoffprobleme meist sehr individuell. Genau dies ist auch die Intention der Veranstaltung: Betreiber und Hersteller miteinander ins Gespräch zu bringen. Den Erfolg belegte die gut einstündige abschließende Podiumsdiskussion mit allen Referenten, in der konkrete Problemstellungen der Teilnehmer behandelt wurden. Live-Mitschnitte der Podiumsdiskussion stellen wir Ihnen in Kürze im PROCESS-Web-TV zur Verfügung.

Der Autor ist redaktioneller Mitarbeiter bei PROCESS.

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