Zahn um Zahn

Tiefe Einlaufdrücke und hohe Viskositäten: Zahnradpumpen für schwierige Anwendungen

19.02.2010 Hohe Viskositäten bei niedrigem Zulaufdruck zu beherrschen, ist eine Domäne von Polymer-Zahnradpumpen. Doch nicht immer lassen sich spezielle Anwendungen mit Standardpumpen beherrschen. Zum Fördern von Polymerlösungen für Chemiefasern oder hochviskose Zuckerester wurden deshalb spezielle Konstruktionen geschaffen.

Anzeige

Entscheider-Facts Für Betreiber


  • Austragspumpen für niedrige NPSH und für mittel- bis hochviskose Medien erfordern angepasste Konstruktionen.
  • Für den chemisch-industriellen Bereich wurden basierend auf Standard-Chemie-Zahnradpumpen, wie sie zur Polymerförderung eingesetzt werden, Sonderkonstruktionen entwickelt, die viskose Medien bis 4000000 mPas fördern.
  • Die Pumpen haben eine spezielle Einlaufgeometrie und zeichnen sich durch einen niedrigen NPSH-Wert bei hoher Viskosität und geringem Einlaufdruck aus.
  • Außerdem lassen sich die Pumpen komplett beheizen und fördern pulsationsarm.
  • Eine doppelte Gleitrindichtung dichtet zuverlässig ab

Elasthan ist eine äußerst dehnbare Chemiefaser, die aus den Bestandteilen Polyurethan und Polyethylenglykol besteht. Polymerlösungen (Dope), wie sie zur Herstellung von Elasthan Verwendung finden, bestehen aus Polyurethan oder Polyester Polyol (z.B. PTG, PTMEB), Isocyanate (z.B. MDI), Lösungsmittel (z.B. DMAC) und des Weiteren aus Additiven als Basis. Sie besitzen eine Viskosität von 1000000 mPas. Der komplette Prozess läuft unter Stickstoff (N2), weil das Medium unter Sauerstoff reagiert. Die Betriebstemperatur ist ungefähr 65 °C und der Eingangsdruck 0,3 bis 0,4 bar. Ferner sind kurze Verweilzeiten und aufgrund der Viskosität eine kurze Distanz zwischen Reaktor und Pumpe notwendig, um eine Degradierung des Mediums zu vermeiden.

Auf dem modularen Baukasten für Chemiepumpen aufbauend wurde eine beheizbare Austragspumpe mit spezieller Einlaufgeometrie (therminox-V) entwickelt, mit der mittel- bis hochviskose Medien gefördert werden können. Die Geometrie sorgt für einen kontinuierlichen Produktionsfluss und die gleichmäßige Befüllung der Zahnräder bei niedrigem Druck. Zwei Varianten ermöglichen es, die Distanz zwischen Reaktor und Pumpe kurz bzw. extra kurz zu wählen:

  • Variante 1 (Bild links): Pumpe mit runder Einlaufgeometrie, bei der der ANSI-Standard-Flansch mit dem Auslaufflansch des Reaktors (Dünnschichtverdampfers) verbunden ist.
  • Variante 2 (Bild rechts): Pumpe zur Bewältigung von niedrigen NPSH-Bedingungen. Das Gehäuse wurde so konzipiert, dass sich die Zahnräder nur wenige Millimeter unter der Anflanschfläche des Dünnschichtverdampfers befinden. Durch die verkürzte Einlaufstrecke wird das Medium direkt auf die Zahnräder ausgetragen. Bei dieser Variante wird die Pumpe direkt zwischen Pumpenaustritts- und Reaktorflansch befestigt (Sandwich-Konstruktion).

 

Die Variante 2 ist für die Reaktoren unter Vakuum die beste Lösung, weil aufgrund der extra verkürzten Distanz von Reaktor zu Pumpe mit besonders niedrigen NPSH-Bedingungen gearbeitet werden kann. Für diese Ausführung wurden Lager aus Werkzeugstahl gewählt, die besonders hart und abrasionsbeständig sind und dadurch den Additiven standhalten. Des Weiteren kann eine Stopfbuchsendichtung optional gesperrt verwendet werden. Damit wird verhindert, dass das Medium mit Sauerstoff reagiert. Die Packungen dichten sowohl axial als auch radial ab. Des Weiteren zeichnen sie sich durch ihre einfache Handhabung aus und können nach Bedarf nachgestellt werden. Mit dieser speziellen Ausführung der Edelstahlpumpe cinox-V, therminox-V lassen sich schwieriger Anwendungen mit tiefen Einlaufdrücken und hohen Viskositäten, z.B. Harze, Fette, Silikone, Zuckerester, beherrschen.

Viskose Medien mit nicht-newtonschem Verhalten fördern

Ein weiteres Beispiel sind Austragspumpen für Zuckerester. Zuckerester zeichnen sich durch ihre hohe Viskosität und das stark nicht-newtonsche Verhalten aus. Die Viskosität verändert sich also nicht nur mit der Temperatur, sondern auch mit der Scherung. Bei tiefer Scherung, wie es zum Beispiel im Behälter vor der Pumpe der Fall ist, beträgt die Viskosität des Zuckeresters mehrere Millionen mPas. Das heißt, die Flüssigkeit ist im Ruhezustand beinahe fest. Die Prozesstemperatur liegt bei ca. 100 °C. Diese Temperatur wird benötigt, um den Zuckerester fließfähig zu halten. Der Druck im Dünnschichtverdampfer liegt bei wenigen mbar. Aufgrund dieser Randbedingungen wird eine Pumpe mit spezieller Einlaufgeometrie benötigt, bei welcher der NPSHreq möglichst tief ist.

Für diese Anwendung wurde eine Pumpe mit beheizbarem Gehäuse aus lebensmitteltauglichem Stahl verwendet. Um den tiefen NPSHreq zu erreichen, wurde das Gehäuse so ausgelegt, dass sich die Zahnräder nur wenige Millimeter unter der Anflanschfläche des Dünnschichtverdampfers befinden. Die Flüssigkeit „liegt“ also direkt auf den Zähnen und kann so trotz des sehr tiefen Vakuums und dank einer speziellen Einlaufgeometrie aus dem Hochvakuum im Behälter ausgetragen werden. Als Lagermaterial kommt SSiC (gesintertes Siliziumkarbid) zum Einsatz, ein lebensmitteltauglicher Werkstoff mit guten Notlaufeigenschaften, der auch für allfällige Reinigungszyklen mit dünnflüssigen Medien eingesetzt werden kann. Als Dichtung dient eine gesperrte doppelte Gleitringdichtung, welche auch bei tiefem Vakuum und hohen Viskositäten einen zuverlässigen Betrieb garantiert.

 

Heftausgabe: Februar 2010
Bodo Schulte-Ellerbrock, Maag Pump Systems

Über den Autor

Bodo Schulte-Ellerbrock, Maag Pump Systems

Bodo Schulte-Ellerbrock

Loader-Icon