Artikel Zahnradpumpen im Polymerprozess

Ausgehend von den Monomeren entstehen am Ende der mehrstufigen Polymerisationsprozesse die langkettigen und hochviskosen Polymerschmelzen. Mithilfe von Pumpen wird die Schmelze dabei von einem Prozessschritt zum nächsten gefördert, mit jeder Stufe steigt auch die Viskosität der Polymermasse. Während die Förderaufgaben am Anfang des Prozesses noch von vielen Pumpentypen erfüllt werden können, sind für den Austrag der hochviskosen Polymerschmelzen aus dem Reaktor ausschließlich Zahnradpumpen im Einsatz.

Konstruktive Besonderheiten für den Polymeraustrag

Diese Polymeraustrags-Zahnradpumpen fördern das hochviskose Polymer unter Vakuumbedingungen und bei hohen Temperaturen aus dem „Finisher". Das Vakuum im Finisher dient dazu, leichtflüchtige Lösemittel aus der Polymerschmelze abzutrennen. Für diese Förderaufgabe sind Polymeraustrags-Zahnradpumpen speziell ausgelegt und weisen daher einige Besonderheiten auf. Damit die Polymerschmelze überhaupt gefördert werden kann, muss sie trotz Vakuumbedingungen und der hohen Viskosität erst einmal kavitationsfrei in die Pumpe gelangen. Gemäß dem Hagen-Poiseuillschen Gesetz ist der Druckverlust linear proportional zur Einlaufstrecke und umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Durchmessers. Aus diesem Grund sollte der Saugflansch daher so groß wie möglich ausgeführt werden. Ein zusätzlich strömungsoptimierter Saugflansch und seitlich neben den Zahnrädern angeordnete Einlaufkeile helfen, der Schmelze das Fließen in die Zahnzwischenräume zu ermöglichen. Diese Einlaufkeile, auch Kompressionszonen genannt, bewirken, dass die Fläche, an der das Polymer in die Zahnzwischenräume eindringen kann, wesentlich vergrößert wird und ein besserer Füllgrad der Zahnzwischenräume erreicht wird.

Die in Bild 1 dargestellte Pumpe hat ein spezifisches Fördervolumen von 12?000?cm3 pro Umdrehung. Mit Austragspumpen dieser Größe können zum Beispiel bis zu 21?000?kg/h PET mit einer Viskosität von 350?Pas oder bis zu 8?500?kg/h PS mit einer maximalen Viskosität von 4?000?Pas gefördert werden.

Für extrem hochviskose oder schäumende Medien bieten sich spezielle Low-NPSH-Polymeraustrags-Zahnradpumpen an. Wie in Bild 2 zu sehen ist, verfügt diese Pumpe über keinen eigenen Saugflansch. Mithilfe von Dehnschrauben wird das Pumpengehäuse zwischen dem Reaktoraustrittsflansch und der Flanschplatte fixiert. Durch die rechteckige Form ergibt sich die größtmögliche Querschnittsfläche am Pumpeneintritt. Das Polymer kann senkrecht und ohne Querschnittsveränderungen aus dem Reaktor in die Pumpe fließen.

Augen auf bei der Werkstoffwahl

Die richtige Werkstoffauswahl ist nicht nur bei diesem Zahnradpumpentyp entscheidend für den sicheren und zuverlässigen Betrieb. Für einen wirtschaftlichen Betrieb werden Polymeranlagen üblicherweise vier bis fünf Jahre ohne Unterbrechung betrieben, jeder Stillstand hat enorme Produktionsausfallkosten zur Folge. Bei dem Gehäusewerkstoff hat sich vor allem der rostfreie Chromstahl 1.4313 durchgesetzt. Neben sehr guten Schweißeigenschaften zeichnet sich dieser Edelstahl vor allem durch eine wesentlich höhere Zugfestigkeit im Vergleich zum 1.4571 aus. Dies ist insbesondere von Bedeutung, da das Pumpengehäuse die Kräfte und Momente des Reaktors und der Rohrleitungen aufnehmen muss und sich dabei nicht verformen darf. Hinzu kommt, dass der spezifische Wärmeausdehnungskoeffizient von 1.4313 bei einer Temperatur von 300?°?C mit k?=?12,0?·?10-6?mm/(mm?·K) deutlich niedriger ist als k?=?18,5?·?10-6?mm/(mm?·K) von 1.4571. Diese werkstoffbedingte Reduzierung der Betriebsspiele wirkt sich signifikant auf den Wirkungsgrad der Pumpe aus.

Verschleißfestigkeit und Beständigkeit sind für die Auswahl des Zahnradwerkstoffs maßgeblich, um den gewaltigen Belastungen im Betrieb gerecht zu werden. Daher werden entweder nitrierte Werkzeugstähle wie beispielsweise der 1.2344 oder Nitrierstähle wie der 1.8550 eingesetzt. Die getriebene Welle wird beim Ineinandergreifen der Zähne von der Antriebswelle mitbewegt, die Übertragung des Drehmoments erfolgt dabei einzig über die Zahnflanken der beiden Wellen. Bei dem zuvor erwähnten Beispiel für PET wird beispielsweise ein Antriebsdrehmoment von 37?000?Nm benötigt, bei dem Beispiel für Polystyrol sind es sogar 60?000?Nm. Durch den von der Pumpe aufgebauten Druck werden beide Wellen durchgebogen, die gleichzeitige Rotationsbewegung führt zu einer kontinuierlichen Belastung am gesamten Umfang. Es werden daher aus einem Stück gefertigte Zahnradwellen eingesetzt, auf Wellen aufgesetzte Zahnkränze haben sich hier nicht bewährt. Darüber hinaus könnten sich in den Spalten zwischen der Welle und dem Zahnkranz Polymerreste ablagern und später das Produkt verunreinigen. Die Wellen sind in den allermeisten Fällen schrägverzahnt ausgeführt. Die leichte Schrägstellung der Zähne sorgt für ein gleichmäßigeres Ausquetschen des Mediums aus den Zahnzwischenräumen und so zu einer druckschwankungsärmeren Förderung im Vergleich zur Geradverzahnung. Für sehr scherempfindliche Medien - oder wenn eine besonders pulsationsfreie Polymerförderung erforderlich ist - können alternativ auch pfeilverzahnte Zahnräder eingesetzt werden. Im Gegensatz zur Gerad- und Schrägverzahnung sorgt das sanfte Auskämmen bei der Pfeilverzahnung für ein gleichmäßiges und pulsationsarmes Verdrängen zur Druckseite.

Mangelschmierung der Gleitlager
vermeiden

Auch die Gleitlager sind im Betrieb hohen Belastungen ausgesetzt. Einzig ein hydrodynamischer Polymerschmierfilm trennt die Oberflächen von Wellenzapfen und Gleitlagerbohrung. So werden beispielsweise durchgehärtete Werkstoffstähle wie der 1.2379 eingesetzt, die sich auch dann eignen, wenn dem Polymer abrasive Pigmente wie Titandioxid beigemengt sind. Nachteilig wirkt sich allerdings bei Mangelschmierung die Neigung zum Fressen aus. Aluminiumbronzen oder Nickel-Silberlegierungen hingegen besitzen sehr gute Notlaufeigenschaften, so dass im Notfall der Reaktor, oftmals noch mit vielen Tonnen heißem Polymer gefüllt, kontrolliert entleert werden kann. Die geringere Härte dieser Bronzen hat andererseits zur Folge, dass dieser Werkstofftyp weniger für abrasive Medien geeignet ist. Hier gilt es, den für den jeweiligen Prozess optimalen Kompromiss zu finden.

Ein weiteres wichtiges Detail ist die Wellenabdichtung. Das kontinuierlich durch die Gleitlager fließende Polymer für die Lagerschmierung gelangt über Rücklaufbohrungen im Gehäuse zurück zur Pumpensaugseite. Dieses hat zur Folge, dass an der Wellendichtung der Antriebswelle unabhängig vom erzeugten Druck ausschließlich der niedrige Druck der Saugseite vorherrscht. Früher wurden für Polymeranwendungen doppelte, gesperrte Gleitringdichtungen eingesetzt. Bei diesem Dichtungstyp ist es aber oft schon nach verhältnismäßig kurzen Laufzeiten zu teuren Ausfällen gekommen, so dass sich ein völlig anderes Dichtungskonzept durchgesetzt hat. Heutzutage werden Polymeraustrags-Zahnradpumpen mit Vakuum-Gewindewellendichtungen in Verbindung mit gesperrten Stopfbuchsen ausgeführt.

Gewindewellendichtung oft mit
gesperrter Stopfbuchs kombiniert

Bei der Gewindewellendichtung an sich handelt es sich um ein außenliegendes Fördergewinde, dass das Polymer in die Pumpe zurückfördert. Der Wellenzapfen und das Gewinde berühren sich nicht, so dass mechanischer Verschleiß praktisch ausgeschlossen ist. Mehrere Faktoren haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Dichtwirkung. Neben der Steigung der Gewindegänge sind dies insbesondere die Viskosität des Fördermediums und die Drehzahl der Pumpe. Da der Rückstrom des Polymers zur Saugseite mithilfe eines Nadelventils angedrosselt wird, baut sich im Raum vor der Gewindewellendichtung eine vakuumdichte Polymerbarriere auf. Die Gewindewellendichtung ist eine dynamische Dichtung, die nur während des Betriebs eine Dichtwirkung erzeugt. Da sie bei kurzen Stillständen wirkungslos ist, wird sie oftmals mit gesperrten Stopfbuchsen kombiniert. Das Sperrmedium übernimmt in diesem Fall die Dichtwirkung und verhindert zuverlässig Lufteintrag in den Reaktor. Für das Sperrmedium ist ein statischer Druck von etwa 1?m ausreichend, ein druckbeaufschlagtes Sperrsystem ist nicht erforderlich. Um erhöhtem Verschleiß an den Packungsringen entgegenzuwirken, empfiehlt es sich, den Bereich der Stopfbuchse zu beheizen. Andernfalls würde erkaltendes und erstarrendes Polymer die verhältnismäßig „weichen" Packungsringe beschädigen und zur Leckage führen.


Entscheider-Facts
Für Anwender

• Polymeraustrags-Zahnradpumpen sind im Betrieb extremen Anforderungen und Belastungen ausgesetzt.
• Bei korrekter Auslegung und richtiger Werkstoffauswahl können diese fordernden Betriebszustände sicher und zuverlässig beherrscht werden, so dass Standzeiten von mehr als fünf Jahren problemlos erreicht werden können.
• Die meisten Ausfälle dieses Pumpentyps ereignen sich durch Fehlbedienung oder Fremdkörper.
• So sind bei bestimmungsgemäßem Betrieb die Zahnräder oft nach vielen Jahren Laufzeit nicht verschlissen und weisen einen beinahe neuwertigen Zustand auf.

K 2010 Halle 10 - B 55

Autor: H. Krämer, Witte Pumpen
Ausgabe:10/2010 Oktober