9. PROCESS-Pumpenforum 2011 „Zuerst die Anwendung, dann die Pumpe“, war das Motto des 9. PROCESS-Pumpenforums in Würzburg

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

Beim 9. Pumpen-Forum von PROCESS stand die Aufgabenstellung „Feststoffbehaftete Medien in der Pharma- und Food-Industrie“ im Mittelpunkt. Diskutiert wurden u.a. die Vorteile und Einsatzgrenzen von Kreisel- bzw. Verdrängerpumpen ebenso wie Auswahlkriterien für die Wellenabdichtung und die Werkstoffwahl.

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Andreas Eiletz, EagleBurgmann, thematisierte den Stand der Technik bei der Wellenabdichtung von Pumpen. (Bild: PROCESS)
Andreas Eiletz, EagleBurgmann, thematisierte den Stand der Technik bei der Wellenabdichtung von Pumpen. (Bild: PROCESS)

Das PROCESS-Pumpenforum beschäftigt sich seit jeher mit schwierigen Fördermedien, beispielsweise mit zähen oder feststoffhaltigen Fluiden, empfindlichen Produkten oder Medien mit besonderen Anforderungen. Parallel findet das Schüttgutforum der Fachzeitschrift SCHÜTTGUT statt. Insgesamt 190 Experten kamen in diesem Jahr zum Veranstaltungsduo ins Vogel Convention Center in Würzburg.

Auf die Frage, was denn das von ihm, mittlerweile bereits zum 9. Mal moderierte Pumpenforum von anderen Veranstaltungen dieser Art unterscheide, hat Dr.-Ing. Friedrich-Wilhelm Hennecke – langjähriger Leiter des Pumpenzentrums der BASF – eine überaus selbstbewusste Antwort parat: „Wir sind bedeutend anspruchsvoller als vergleichbare Veranstaltungen – und bieten den Teilnehmern einen erheblich größeren Nutzen.“

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Ergänzendes zum Thema
Pumpen- und Schüttgutexperten vereint – Veranstaltungsduo mit Synergieeffekt

Das jährlich stattfindende PROCESS-Pumpenforum beschäftigt sich seit jeher mit schwierigen Fördermedien, beispielsweise mit zähen oder feststoffhaltigen Fluiden, empfindlichen Produkten oder Medien mit besonderen Anforderungen. Der lösungsorientierte Ansatz der Veranstaltung ist in dieser Art einzigartig in der Branche und erfordert ein breites Know-how über die gesamte Pumpentechnik hinweg. Neben Fachvorträgen ist genügend Raum für Diskussionsrunden, Networking und den Besuch einer begleitenden Ausstellung gegeben. Seit vergangenem Jahr findet parallel das Schüttgutforum der Fachzeitschrift SCHÜTTGUT statt. Es behandelt neben den Grundlagen der pneumatischen Förderung und der hierfür nötigen Druckluft erzeugung auch das wichtige Thema Verschleiß, betrachtet die verschiedenen Eintragsorgane und zeigt konkrete Anwendungsbeispiele aus der Chemie-, Kunststoff- und Lebensmittelindustrie auf. 2011 konnten die Veranstalter im Vogel Convention Center in Würzburg insgesamt rund 190 Teilnehmer begrüßen.

Problemstellungen und Lösungen

Um das Pferd von hinten aufzuzäumen: Offensichtlich wurde der Nutzwert ganz besonders in der Abschlussrunde des zweiten Tages. Hier wurden Teilnehmer-Fragen zu konkreten Praxisproblemen erörtert – und alle Vortragenden waren hier zu einer Einschätzung aufgerufen.

Beispielsweise stand diese Frage zur Diskussion: „Welche Pumpe ist zum kontinuierlichen Fördern geringer Mengen (20 bis 200 g/min) mittel- bis hochviskoser Stoffe wie Brei oder Teig geeignet?“ Die Empfehlung der Fachleute war, hier eine Drehkolbenpumpe oder eine Exzenterschneckenpumpe einzusetzen.

Die Frage, ob es eine herstellerunabhängige Software gibt, die alle erforderlichen Auslegungsdaten anfordert und dann die Bauart der Pumpe, einen passenden Hersteller sowie eine passende Pumpe ausgibt, musste allerdings abschlägig beantwortet werden: Nein, solch eine Software sei bislang nicht verfügbar. Allerdings, so der Ratschlag, gibt es neutrale Fragenkataloge in Papierform sowie Normblätter zu Pumpen- und Stoffdaten. Werden diese Blätter gewissenhaft ausgefüllt, könne jeder Hersteller eine Aussage zur Verfügbarkeit entsprechender Pumpen treffen.

Passend dazu mahnte Hennecke einmal mehr: „Die richtige Pumpe auswählen kann man nur, wenn der Betreiber sein Medium präzise beschreibt und auch seine Anlage charakterisiert.“

Was ist zu tun, so die Frage eines Teilnehmers, wenn aufgrund eines schlecht schmierenden Thermalöls die Lager einer Pumpe leiden? Als Lösung schlug die Expertenrunde den Einsatz einer weich-harten Lagerpaarung vor. Alternativ könne auch ein Lagerwerkstoff mit poröser Oberfläche und Notlaufeigenschaften getestet werden. Auch sei zu prüfen, ob die Temperatur gesenkt werden könne.

Schnell gelöst war das Problem, dass bei der Oben-Entleerung eines 8 m hohen Tanks (75-prozentige Phosphorsäure, Dichte 1,54) die Fördersäule immer wieder bei einer Höhe von 1,5 m abreißt und der Tank nicht vollständig entleert werde: Da stößt die installierte Verdrängerpumpe ganz einfach an ihre physikalischen Grenzen (maximale Saughöhe – Medium verdampft aufgrund des Unterdrucks). Vorgeschlagen wurde, eine auf dem Tankboden eingetauchte Spaltrohrmotorpumpe zu installieren.

Kreisel- oder Verdrängerpumpe: Entscheidet die Energieeffizienz?

Der überwiegende Teil aller in Betrieb befindlichen Pumpensysteme ist mit Kreiselpumpen ausgerüstet. Weltweit wird dieser Anteil auf ca. 73% geschätzt, branchenspezifisch (z.B. in der chemischen Industrie) kann der Anteil durchaus auch bei 85 bis 90% liegen.

Entscheidend für die Präferenz der Kreiselpumpe ist deren vergleichsweise einfache Konstruktion – eine Welle, eine Abdichtung – und die daraus resultierenden günstigen Investitionskosten. Hans-Wilhelm Möllmann (Bungartz) kennt weitere Vorteile: Beispielsweise die gute Eignung für feststoffhaltige Medien, weil Kreiselpumpen weder geschlossene Förderräume noch Ventile besitzen, dafür aber offene Kanäle.

Hinzu komme die Vielzahl der möglichen Volumenstromregelungen (Drossel-, Selbst-, Drehzahl-, Bypass-, Entrittsdrallregelung). Auch die pulsationsarme Förderung ist hervorzuheben. Eine Einschränkung bezüglich der Feststoffförderung ist bei mehrstufigen Kreiselpumpen anzuführen – wegen der mehrfachen Umlenkungen in der Hydraulik sind diese weniger gut geeignet. Das ist übrigens der Grund, warum im Bergbau oft in Reihe geschaltete einstufige Pumpen anzutreffen sind.

Doch ist der Aspekt der günstigen Investitionskosten noch die zeitgemäß vernünftigste Entscheidungsgrundlage? Professor Eberhard Schlücker, Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik an der Universität Erlangen-Nürnberg, ist da dezidiert anderer Meinung. Er plädiert vielmehr für die stärkere Gewichtung der Energieeffizienz: „Eine große Zahl der in der Industrie eingesetzten Kreiselpumpen laufen bei Wirkungsgraden um 10% – demgegenüber weisen Verdrängerpumpen deutlich höhere Wirkungsgrade auf!“

Insbesondere empfehlen sich Kolben-Membranpumpen als äußerst energieeffiziente Arbeitsmaschinen. Der Wirkungsgradvorteil im Vergleich zu Kreiselpumpen steigert sich bei Teillastbetrieb, hohen Drücken und kleinen Volumenströmen. Schlücker ist davon überzeugt, dass die Wirkungsgrade der Verdrängerpumpen sogar noch weiter verbessert werden könnten.

Auch die Natur habe sich aus Effizienzgründen für dieses Design entschieden: „Jeder Mensch ist mit einer oszillierenden Verdrängerpumpe ausgestattet, die einen niedrigviskosen Stoff – Blut – fördert.“ Der Wirkungsgrad einer solchen Pumpe liegt bei 95%.

Pumpen für Lebensmittel- und Pharma-Anwendungen

Rainer Pfeffer (Hilge) referierte über Pumpen für Lebensmittel- und Pharma-Anwendungen. Diese Konstruktionen unterliegen global anderen Gesetzmäßigkeiten und höheren Sicherheitsmaßstäben. Sie müssen trotz einfacher Bedienung ein Höchstmaß an biologischer Sicherheit bieten und dürfen durch ungünstige Hydraulik keine negativen Einflüsse auf scherempfindliche Produkte ausüben.

Was heißt eigentlich scherempfindlich? Professor Schlücker stellt dazu fest: Meist sei das Scher-Maximum die kritische Größe, weniger das Scher-Integral über den gesamten Fördervorgang.

Kriterien für die Reinigbarkeit von Pumpen sind, so Pfeffer, in erster Linie die reinigungsfreundliche Konstruktion, die spaltfreie Ausführung aller Innenteile und die Totraumfreiheit unter Beachtung des Verhältnisses von Länge zum Durchmesser, das zwischen 1 und 2 liegen sollte. Dies gilt u.a. für den Dichtungsraum der Gleitringdichtung und die Anordnung, Anbringung und Dimensionierung der Restentleerung.

Ebenso in die Kriterien für die Reinigbarkeit mit eingebunden ist die Oberflächen-Topographie der verwendeten Materialien im Hinblick auf die physikalischen Eigenschaften und möglichen Lebensräume für Keime.

Was fordert ein Pharmaunternehmen?

Manfred Thamm (Bayer Schering Pharma) berichtete als Betreiber über die zentralen Forderungen eines Pharmaunternehmens an die Gestaltung von Bauelementen und Anlagen – und da kommt eine Menge zusammen:

  • Die konstruktive Gestaltung muss dem Herstellungsverfahren und dem Produktfluss optimal angepasst sein.
  • Gesetzliche Anforderungen müssen erfüllt werden.
  • Die Anlagen, Bauelemente oder Komponenten müssen leicht reinigbar gestaltet sein.
  • Das Produkt darf in keiner Weise beeinflusst werden (z.B. durch Migration von Werkstoffbestandteilen).

Was versteht der Pharma-Betreiber unter einer reinigungsgerechten Gestaltung? Das Ziel ist klar: Die leichte Reinigbarkeit (easy to clean) durch das Vermeiden schlecht reinigbarer Bereiche. Hinzu kommt die Vermeidung einer Cross-Kontamination, das Wachstum von Mikroorganismen muss unterbunden werden. Ergebnis sollte die sichere Reinigung bei Verminderung des Reinigungsaufwandes (Kosteneinsparung, Umweltschonung) sein.

Was aber heißt sauber? Das ist der Zustand nach der Reinigung, der auf der Basis der jeweiligen Situation festgelegt wurde. Sauber kann bedeuten:

  • Visuell keine Rückstände auf der Oberfläche sichtbar,
  • Nicht mehr als xy mg Restmenge (Vorprodukt, Zersetzungsprodukte, Reagenzien etc.) in der Anlage,
  • Mikrobiologische Kontamination mit nicht mehr als xy KBE/definierte Fläche (KBE = Kolonie bildende Einheiten).

Thamm: „Die so genannte Reinigungs-Validierung belegt dann die Wirksamkeit eines Reinigungsverfahrens und stellt sicher, dass dieses Verfahren mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit zur Herstellung eines spezifikationskonformen Produktes führt.“

Sowohl Pfeffer als auch Thamm wiesen darauf hin, dass die Pumpe und auch deren Gleitringdichtung nicht allein hinsichtlich des Produkts auszulegen seien. Zu bedenken sei auch, dass die Komponenten den CIP-Medien und CIP-Temperaturen ausgesetzt sind.

Schlauchmembran-Kolbenpumpe für die sterile Verfahrenstechnik

Mit dem Thema Gleitringdichtung müssen sich Betreiber einer Schlauchmembran-Kolbenpumpe Multisafe von Feluwa nicht befassen. Der Hersteller offeriert nun auch eine Variante für die sterile Verfahrenstechnik mit Betriebsdrücken bis 200 bar, wie Heinz M. Nägel (Feluwa) berichtet. Konstruktionsbedingt zeichnet sich die Pumpe durch den schonenden, geradlinigen Durchfluss des Fördermediums ohne Umlenkungen aus.

Alle mit dem Fördermedium in Berührung kommenden Gehäuseteile sind aus nichtrostendem Stahl der Low Carbon-Klasse 1.4435 mit einem Ferritgehalt < 0,5 % gefertigt. Die Oberflächenbeschaffenheit im mediumberührten Bereich hat eine Rauigkeit von max. 0,6 µm. Die Pumpe ist nach Kriterien der Reinigungsmöglichkeit bzw. Sterilisierbarkeit konstruiert, sämtliche Verbindungsstellen sind spaltfrei ausgeführt.

Ausfallursache Nummer 1: Die Wellenabdichtung

Kreiselpumpen sind, wie beschrieben, vergleichsweise einfache Konstruktionen: Eine Welle, eine Abdichtung. Zur Auswahl stehen Stopfbuchspackungen (nach wie vor kein Auslaufmodell!), Gleitringdichtungen mit und ohne Versorgungssystemen sowie Gleitringdichtungen für sterile Anwendungen (zu 80% sind das Einzeldichtungen, weil ein Quench auf Dauer schwer steril zu halten ist).

Nach wie vor ist die Gleitringdichtung die universellste Abdichtung für Wellen. Die Bandbreite der am Markt verfügbaren Angebote reicht in der Einsatzbreite vom Vakuum bis 600 bar und für Temperaturen zwischen -197 und +500 °C, wie Andreas Eilitz (EagleBurgmann) vortrug.

Ein klarer Trend geht in Richtung der fertig montierten Cartridge-Dichtungen. Zunehmend viele Betreiber ordern auch gasgeschmierte Dichtungen sowie Dichtungen mit diamantbeschichteten Gleitflächen (Diamond Faces).

Die Anforderungen an sterile Gleitringdichtungen sind vielfältig:

  • Oberflächen: geschlossen, glatt, homogen,
  • kleinste Oberflächenrauhigkeiten, Elektropolitur/mechanische Politur,
  • wenig Spalte und Toträume – wenn nicht vermeidbar, sind große und offene Spalte und Toträume anzustreben,
  • CIP-gerechte Konstruktion,
  • SIP-gerechte Konstruktion,
  • chemische Beständigkeit gegen Produkt, Reinigungsmittel und Sterilisation (Dampfkondensat),
  • steriles Sperrmedium bei Doppeldichtungen.

Wie bei einer Pumpe, gilt auch für die Gleitringdichtung: Im bestimmungsgemäßen Betrieb erreicht sie die höchsten Standzeiten (rund 16 000 h). Praktiker wissen: Wenn die Gleitringdichtung nicht zur Anwendung passt, geht sie nach spätestens drei Monaten defekt. Fällt sie nach vielen Monaten aus, liegt das am Produkt (meist ist es dann zu abrasiv). Bleibt die Gleitringdichtung über Jahre funktionstüchtig, habe man alles richtig gemacht.

Übrigens: Es gibt keine Gleitringdichtungen ohne Leckage – als groben Anhaltspunkt kann man von einer Leckage von 1 g/h ausgehen. Deshalb, so Andreas Eilitz, sollte der Betreiber sich stets überlegen, was eigentlich mit dieser Leckage über rund 8000 h im Jahr passiert: Sind Ablagerungen zu befürchten? Tritt Sauerstoff in das System ein?

Spaltrohrmotorpumpen und Magnetkupplungspumpen kommen ohne Wellendichtung aus. Zur Kühlung des Magnetantriebs und zur Schmierung der Gleitlagerung werden Teilströme benötigt – und es ist, wie Dr. Thomas Herbers (Klaus Union) betont, unbedingt wichtig, dass diese Teilströme in jedem Fall flüssig bleiben und nicht etwa verdampfen.

Blick über den Tellerrand: Messtechnik und Stellarmaturen

Eine interessante Abrundung boten Vorträge zur pumpenspezifischen Messtechnik und zu Stellarmaturen. Auch hier wurde einmal mehr deutlich: Pumpen können nur als Systemlösung bestmöglich ausgelegt werden.

Fazit: Es ist nicht einfach, für jeden Einsatzfall im Hinblick auf Energieeffizienz und schonendes Förderverhalten die optimale Pumpe zu bestimmen. Der Anfang ist aber gemacht: Professor Schlücker hat eine Tabelle mit Anwendungsschwerpunkten der bekanntesten Verdrängerpumpen entwickelt, wagt sogar eine Rangliste hinsichtlich maximaler Viskosität, Energieeffizienz und schonender Förderung. „Hier liegt ein noch unbearbeitetes Forschungsfeld, das auch modifizierte Pumpentypen hervorbringen könnte“, so Schlücker.

* Der Autor ist freier Mitarbeiter bei PROCESS.

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