Mehr als Kosten sparen

Vakuumpumpsysteme im Vergleich

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04.08.2008 Ob trocken- oder nasslaufende Pumpen die optimale Wahl für die Vakuumanlage sind, entscheiden die Prozessbedingungen. Beim Thema Umweltschutz und Prozesssicherheit hat die trockenlaufende Pumpe ein entscheidendes Argument zu bieten: Sie kommt ohne Dichtflüssigkeit aus. Ein Vergleich mit einem Vakuumsystem aus Dampfstrahler und Flüssigkeitsringpumpe zeigt, dass die Investition in ein trockenlaufendes Pumpsystem sich in weniger als einem Jahr amortisieren kann.

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Entscheider-Facts Für Anwender



  • Bei Pumpen besteht ein erhebliches Potenzial, um Kosten zu senken.
  • Trockenlaufende Pumpen zeichnen sich dadurch aus, dass weniger Betriebskosten entstehen und die Umwelt nicht mit zu entsorgenden Dichtflüssigkeiten belastet werden muss.
  • Die Investitionen für Pumpen mit Dichtflüssigkeit fallen im Vergleich meist niedriger aus, jedoch erfordern sie einen höheren Wartungsaufwand.
  • Eine Beispielanalyse zeigt, dass sich bei trockenlaufenden Pumpensystemen im Vergleich mit einem Pumpensystem aus Dampfstrahler und Flüssigkeitsringpumpe rund 67% Betriebskosten einsparen lassen und die Investition sich bereits nach 8,5 Monaten amortisieren kann.

In der Chemie und Verfahrenstechnik werden die Stimmen, den Energieverbrauch und die CO2-Belastung zu reduzieren, immer lauter. Die richtige Auslegung und Wahl des Vakuumsystems kann entscheidend die Saugleistung und den Wirkungsgrad optimieren. Damit lassen sich die Investitions- wie Betriebskosten, der Energieverbrauch und die Umweltbelastung verringern. Hier zeichnen sich trockenlaufende Vakuumpumpen durch vergleichsweisen geringen Energiebedarf aus und belasten die Umwelt nicht mit zu entsorgenden Dichtflüssigkeiten wie Öl oder Wasser. Am Beispiel der Biokraftstoff-Herstellung wird deutlich, wie das richtige Pumpensystem sowohl dem Umweltschutzgedanken genügt als auch Energie und Betriebskosten einsparen kann.

Biokraftstoff-Herstellung

Die Hersteller von Biokraftstoff und Bioethanol erwarten von Vakuumanlagen hohe Wirkungsgrade, Zuverlässigkeit, gute Reproduzierbarkeit des Vakuumzyklus und geringe Belastung der Umwelt – unabhängig davon, ob es sich um eine Forschungs- oder Pilotanlage, eine mittelgroße bis große Prozessanlage oder eine Bioraffinerie handelt. Vakua werden in vielen Produktionsstufen benötigt – von der Vorbehandlung bis zur Fertigstellung des Endprodukts. Die Entgasung wird beispielsweise während der Vorbehandlungsphase durchgeführt, um die Reinheit der Ausgangsmaterialien zu erhöhen. Sie kann auch dazu verwendet werden, um die Qualität und Ausbeute des Endproduktes zu erhöhen.

Konventionelle Dampfstrahler und Flüssigkeitsringpumpen

Dampf- oder Wasserstrahlpumpen, Flüssigkeitsringpumpen sowie ölgedichtete Drehschieber- und Sperrschieberpumpen verwenden Dicht- oder Betriebsflüssigkeiten. Diese können das Prozessmedium oder umgekehrt, das Prozessmedium das Öl oder Wasser, verunreinigen, infolgedessen die Flüssigkeiten aufwändig entsorgt werden müssen.

Vorteile der Dampfstrahler sind ihre sehr hohe Zuverlässigkeit und Robustheit, auch beim Einsatz unter harten oder korrosiven Bedingungen. Sie decken den Vakuumbereich bis 10–3mbar mit sehr hohen Saugleistungen ab, sind jedoch sehr empfindlich gegenüber Veränderungen der Verfahrensbedingungen und des Drucks. Zudem ist ihr thermischer Wirkungsgrad niedrig. Um ihn zu verbessern, können die letzten zwei oder drei Verdichtungsstufen durch Flüssigkeitsringpumpen ersetzt werden, wobei Wasser als Dichtflüssigkeit verwendet wird. Diese einfachen und zuverlässigen Pumpen erreichen Saugleistungen bis zu 50000m3h-1 und Vakua bis 33mbar bei einer Kühlwasser-Temperatur von 15°C. Mit Öl als Dichtflüssigkeit können Drücke von 10mbar erzielt werden. Sie benötigen jedoch große Mengen Wasser, um die Wärme auszugleichen, die durch die Verdichtung und Kondensation entsteht. Eine andere Möglichkeit, den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern, besteht darin, die Front-End-Dampfstrahler am Eingang durch mechanische Pumpen zu ersetzen. Das Vakuum ist jedoch auf etwa 1mbar begrenzt, und die Einzelstrang-Kapazitäten liegen unter 50000m3h-1. Mit ölgedichteten Pumpen lässt sich eine bessere Vakuumleistung erreichen. Sie erfordern jedoch eine regelmäßige Wartung, und es besteht weiterhin das Problem der Entsorgung von verschmutztem Öl.

Trockenlaufende Vakuumsysteme

Dagegen sind trockenverdichtende Pumpen wie Roots-, Klauen- und Schrauben-Pumpen besonders robust und benötigen keine Dichtflüssigkeit im Schöpfraum. Es besteht keine Gefahr, dass diese den Prozess verunreinigt und eine Entsorgung der Dichtflüssigkeit entfällt. Weder der Dampfdruck der Dichtflüssigkeit noch die Kühlwassertemperatur oder der in der Dichtflüssigkeit kondensierende Prozessdampf beeinträchtigen die Vakua. Dies reduziert im Vergleich zu Wasserringpumpen, ölgedichteten Pumpen oder Dampfstrahlern die laufenden Kosten. Dampfstrahler verbrauchen häufig permanent Energie, da sie zum Teil auch im Standby-Modus zwischen den Zyklen laufen müssen. Dagegen können mechanische Pumpsysteme einfach an- und ausgeschaltet werden.

Schnelle Amortisationszeit

Anforderungen und Bedingungen der Anwender und des Prozesses bestimmen die Wahl des optimalen Pumpensystems. Dazu gehören Ziele des Prozesses, Investitions- und Betriebskosten, die Einhaltung von Vorschriften und die möglichen Druck- bzw. Leistungsbereiche. Beispielhaft wurden die Betriebskosten für eine Flüssigkeitsringpumpe/Dampfstrahler sowie für eine entsprechende trockenlaufende Anlage mit 2500m3h-1 Pumpleistung und 50mbar Druck berechnet. Eine Analyse des Modells zeigt, dass die Kosten für den Betrieb der mechanischen Anlage um 33% geringer sind. Je nach Anforderung kann eine trockenlaufende Pumpe bis zu 90% weniger kosten als ein Dampfstrahl-Pumpsystem. Im gewählten Beispiel amortisiert sich die Investition in die trockenlaufende Pumpenanlage bereits nach achteinhalb Monaten.

Die Betriebskosten einschließlich des Energieverbrauchs sind entscheidende Faktoren bei der Auswahl der Pumpen für Prozessvakuumanlagen. Während bei Anlagen mit Dichtflüssigkeit häufig weniger investiert werden muss, benötigen sie jedoch regelmäßige Wartungen und belasten durch ihr verunreinigtes Wasser oder Öl die Umwelt. Trockenlaufende Pumpen arbeiten wasser- und ölfrei, so dass eine kostspielige Entsorgung der Dichtflüssigkeiten entfällt. Sie bieten eine flexible Vakuumleistung und sind im Vergleich energieeffizienter bei niedrigeren Betriebskosten.

Heftausgabe: August 2008

Über den Autor

Dr. Don Collins, Market Development Manager – Chemical Sectors, Edwards
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