Prozessvakuum variabel erzeugen

Vakuumpumpen für Labor und Pilotanlagen

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04.04.2017 Beim Auslegen von Vakuumpumpen stecken Planer und Betreiber immer in einem Dilemma: Um eine Anlage zu evakuieren, ist ein großes Saugvermögen erforderlich, später muss das Vakuum nur noch gehalten werden – der Saugbedarf ist dann deutlich niedriger. Mit variablen Antrieben und einem modularen Konzept lassen sich teure Pumpen und ineffiziente Regelungen vermeiden.

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Entscheider-Facts für Betreiber und Planer

  • Klassische Drehschieber-Vakuumpumpen oder Flüssigkeitsringpumpen werden in der Regel für das maximal erforderliche Saugvermögen ausgelegt. Ist das Vakuum dann erreicht, laufen sie in Teillast.
  • Bei Membranvakuumpumpen kann das Saugvermögen per Drehzahlregelung angepasst werden. Das spart Energie, und die Anlage kommt ohne aufwendige Saugventil- und Inertgasregelungen aus.
  • Ein modular aufgebauter Pumpstand ermöglicht es, die im Labor bewährten Membranvakuumpumpen auch in kleinen Produktionsanlagen (bis 100 m3/h Saugleistung) einzusetzen.

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Bis zu sechs der im Labor seit Jahrzehnten bewährten Chemie-Membranvakuumpumpen werden in einem speziellen Pumpstand (VAC 24seven) zusammengefasst und von einem Regelmodul gesteuert. Bild: Vacuubrand

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Bei den zuletzt eingeführten Atex-
Vario-Chemiemembranpumpen ist die Drehzahlregelung Bestandteil des explosionsgeschützten Motors. Das Vakuum wird hysteresefrei gehalten. Bild: Vacuubrand

Klassische Drehschieber-Vakuumpumpen oder Flüssigkeitsringpumpen werden in der Regel für das maximal erforderliche Saugvermögen ausgelegt. Ist das Vakuum in einer Anlage dann erreicht, geht der Leistungsbedarf deutlich zurück – meist sind dann gerade einmal 20 % der ursprünglichen Saugleistung gefordert. Pumpen mit starrer Drehzahl laufen dann in Teillast – um den Druck zu halten, kommen dafür aufwendige Saugventile und Ventilsteuerungen zum Einsatz, und es wird permanent Stickstoff oder ein anderes Inertgas eingeleitet. Gerade beim Einsatz von Magnetventilen ist dieser Regelvorgang zudem nicht hysteresefrei, was verfahrenstechnische Probleme nach sich ziehen kann.

Chemie-Beständigkeit ist Voraussetzung für lange Standzeit

In der Chemie kommen dazu noch die Aspekte Chemikalienbeständigkeit und Entsorgung verunreinigter Schmier- und Betriebsstoffe: Bei der Vakuumerzeugung mit ölgeschmierten und -gedichteten Drehschieberpumpen fällt Schmieröl an, das entsorgt werden muss, bei Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen mehr oder weniger große Mengen an Abwasser, falls der Flüssigkeitsring mit Wasser betrieben wird.

Für die Vakuumerzeugung im Labor haben sich deshalb Membranpumpen bewährt, bei denen die medienberührten Teile aus Fluorkunststoffen bestehen. Sie zeichnen sich durch eine hohe chemische Beständigkeit und die Arbeitsweise ohne Betriebsstoffe aus. „Wir beobachten bei unseren Kunden verstärkt den Wunsch nach betreibsmittelfreien Pumpen. Außerdem gewinnen Umwelt- und Energieaspekte sowie der Wunsch nach einer hohen Zuverlässigkeit und geringen Wartungskosten an Bedeutung“, sagt Achim Melching, Produktmanager bei Vacuubrand. Der Wertheimer Hersteller setzt bei seinen jüngsten Entwicklungen auf eine variable Drehzahlregelung der mit Permanentmagneten arbeitenden Motoren. Die Drehzahl kann dabei stufenlos zwischen 0 und 100 % verändert werden. Bei den zuletzt eingeführten Atex-Vario-Chemiemembranpumpen ist die Drehzahlregelung Bestandteil des explosionsgeschützten Motors. Das Vakuum wird hysteresefrei gehalten. Die Pumpe kann zudem mit einem Vakuum-Controller (CVC 3000) betrieben werden, der vollautomatische Verdampfungen ohne Parametereingabe ermöglicht. Die adaptive Regelung findet den Siededruck selbständig und passt das Vakuum kontinuierlich an den Dampfdruck an.

Modularer Pumpstand nutzt Laborpumpen für kleine Produktionsprozesse

Für die Membran-Vakuumpumpen, die bislang ihre Domäne im Labor haben, hat der Hersteller inzwischen ein Konzept entwickelt, mit dem diese auch in kleineren Produktionsbetrieben und im Pilotmaßstab eingesetzt werden können. „Wir sehen eine Marktlücke im Bereich zwischen 20 und 100 Kubikmetern pro Stunde“, sagt Melching: „Dort werden bislang meist viel zu große Vakuumpumpen eingesetzt, die zudem meist nicht dauerhaft chemiebeständig sind..“ Einfach vergrößern lassen sich Membranpumpen für solche Anwendungen allerdings nicht: Um das Prinzip der „Laborpumpen“ bei gleicher Zuverlässigkeit und Medienbeständigkeit auf die geforderte Saugleistung zu skalieren, wären aus Sicht des Spezialisten enorme Entwicklungsanstrengungen notwendig.

Der Hersteller hat deshalb einen anderen Ansatz gewählt: Bis zu sechs der im Labor seit Jahrzehnten bewährten Chemie-Membranvakuumpumpen werden in einem speziellen Pumpstand (VAC 24seven) zusammengefasst und von einem Regelmodul gesteuert. Damit lassen sich auch aggressive und kondensierbare Gase und Dämpfe im kleineren Prozessmaßstab (20 bis 120 m3/h) absaugen. Auf der Saugseite sorgen Abscheider dafür, dass die Pumpe sauber und trocken bleibt. Die Drehzahl jeder einzelnen Pumpe wird je nach Bedarf geregelt, wodurch der Energiebedarf sinkt und lange Wartungsintervalle erreicht werden.

Wartung im laufenden Betrieb

Obwohl die einzelnen Pumpen mit einem Betriebsintervall von rund 15.000 Stunden sowieso schon relativ anspruchslos im Hinblick auf die Wartung sind, wird diese durch die modulare Bauweise zusätzlich vereinfacht: Im laufenden Betrieb des Pumpstands können einzelne Pumpen für Wartungszwecke entfernt werden – die verbleibenden Pumpen übernehmen deren Aufgabe durch das Einregeln einer höheren Drehzahl. „Die damit erreichbare Anlagenverfügbarkeit von 24 Stunden pro Tag und sieben Tagen pro Woche hat dem Konzept den Namen gegeben“, so Melching.

In der Pumpe sind die am höchsten belasteten Bauteile – der Kopfdeckel und die Membranspannscheibe – besonders hochwertig ausgeführt. Die eingesetzten Fluorpolymere und Perfluorelastomere zeichnen sich durch eine universelle Chemiebeständigkeit aus. Die Vakuumregelung basiert auf dem Controller CVC 3000, der eine intuitive Benutzerführung und verschiedene Betriebsmodi und Programmiermöglichkeiten bietet. Das Regelmodul kann über verschiedene Schnittstellen in Prozessleitsysteme eingebunden werden und ist in der Lage, periphere Ventile, beispielsweise zur Belüftung, direkt zu steuern. Ein integriertes LAN-Modul beinhaltet auch die Software zur Fernsteuerung und Dokumentation der Prozesse. Melching: „Kerngedanke des Konzepts war es, die Zuverlässigkeit der Membranpumpen aus dem Labor für den Produktionsmaßstab zu übertragen – die variable Drehzahlregelung ist dabei der Dreh- und Angelpunkt.

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Achim Melching, Produktmanager
bei Vacuubrand,
„Umweltaspekte, wie die
Vermeidung von kontaminierten Ölen und Abwässern oder auch die Energieeinsparung durch drehzahlvariable Antriebe, spielen bei der Kaufentscheidung für die Vakuumtechnologie zunehmend eine Rolle.“

Interview mit Achim Melching, Vacuubrand

„Zuverlässigkeit der Laborpumpen in den Produktionsmaßstab übertragen“

CT: Welche Trends sehen Sie bei der Vakuumerzeugung in der Chemie?
Melching: Unsere Kunden legen großen Wert auf Zuverlässigkeit. Außerdem gewinnt der Umweltaspekt an Bedeutung – einerseits im Hinblick auf den Energieeinsatz, andererseits bei der Entsorgung von Betriebsmitteln: Ob bei der Vakuumerzeugung kontaminierte Öle oder Abwässer entstehen, spielt bei der Kaufentscheidung zunehmend eine Rolle.

CT: Die Domäne von Membran-Vakuumpumpen liegt vor allem im Labor. Mit ihrem neuen Pumpstand wollen Sie auch in den Produktionsbereich. Was sind die Hintergründe dafür?
Melching: Chemie-Membranvakuumpumpen haben sich seit Jahrzehnten im Labor bewährt, weil sie zuverlässig sind und sich sehr gut regeln lassen. Das wissen auch die Anwender und haben uns gefragt, ob wir auch für kleine Prozesse entsprechende Lösungen anbieten können. Das führte zur Entwicklung des modular aufgebauten Pumpstandes VAC24seven. Wir sehen hier eine Marktnische im Bereich zwischen 20 und 100 Kubikmeter Saugvolumen pro Stunde. Dort werden bislang meist viel zu große Vakuumpumpen eingesetzt, die dann in Teillast betrieben werden – zum Teil mit sehr aufwendigen Ventil- und Inertgassystemen zur Regelung.

CT: Modularität ist derzeit eines der wichtigsten Schlagworte in der Chemie. Ihr modularer Pumpstand erreicht höhere Saugleistungen durch mehrere Pumpen – wo liegen die technischen und wirtschaftlichen Grenzen für dieses „Numbering up“?
Melching: Mit dem modularen Pumpstand erreichen wir bis zu 120 Kubikmeter pro Stunde. Es ist zwar denkbar, mehrere Pumpstände parallel zu schalten, aber sobald man zum Beispiel in eine Größenordnung von 500 Kubikmeter und mehr kommt, wird das unwirtschaftlich. Größere Mem-branvakuumpumpen waren allerdings für uns keine Option, weil wir gerade die Zuverlässigkeit der Laborpumpen in den Produktionsmaßstab übertragen wollten – ein Scale-up zu anderen Größen ist nicht so einfach möglich.

CT-Produktfokus:Kompressoren und Vakuumtechnik.

Heftausgabe: April 2017
Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK

Über den Autor

Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK
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