Standardisierter Maßanzug löst das Strahlpumpen-Dilemma

GEA und SGL Carbon entwickeln mehrstufige Dampfstrahl-Vakuumpumpen aus Grafit

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30.05.2018 In der Chemie ist sie der Klassiker schlechthin: Die Dampfstrahl-Vakuumpumpe aus Porzellan. Doch dem Vakuumerzeuger fehlt es an Flexibilität, wodurch die Bruchgefahr steigt. Mit einem neuen Fertigungskonzept ist es nun gelungen, Strahlpumpen aus Grafit so zu fertigen, dass diese eine wirtschaftlich interessante Alternative darstellen.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Dampfstrahl-Vakuumpumpen werden in der Chemie zum Absaugen aggressiver Dämpfe und Gase eingesetzt.
  • Weil die Anlagen immer häufiger außerhalb des ursprünglichen Auslegungspunkts betrieben werden, steigt bei den Porzellan-Ejektoren die Bruchgefahr.
  • Mit einem neuen Fertigungskonzept ist es nun gelungen, Strahlpumpen aus Grafit so zu fertigen, dass diese eine wirtschaftlich interessante Alternative darstellen.

Bild 1_GEA-Graphit-Aggregat

Vakuumsystem mit Strahlpumpen und Kompakt-Blockkondensator aus Grafit. Bilder: GEA

Mehrstufige Dampfstrahl-Vakuumpumpen werden zum Absaugen von Gasen und Dämpfen eingesetzt. Anwendungen finden sich in Destillationskolonnen in Erdölraffinerien, bei der Meerwasserentsalzung, in der chemischen Industrie, bei der Stahl­entgasung, der Speiseöl-Desodorisierung, der Entlüftung von Turbinenkondensatoren, bei der Entfeuchtung von Tabak, in der Kunststoffindustrie bei der Folienherstellung, bei der Harnstoff-Erzeugung, bei der Extruderentgasung und bei Trocknungsprozessen usw.

Die Anlage besteht im Wesentlichen aus Strahlpumpen und Kondensatoren oder aus einer Kombination mit anderen Vakuumpumpen wie zum Beispiel Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen. Strahlpumpen nutzen das Druckgefälle eines Treibmediums zum Saugdruck. In der Treibdüse wird ein Strahl mit hoher Geschwindigkeit erzeugt, der das Saugmedium beim niedrigen Saugdruck mitreißt und dieses beschleunigt. In der Mischdüse und dem Diffusor wird das Gemisch durch Umwandlung der Geschwindigkeitsenergie auf ein höheres Druckniveau gebracht.

Wenn aggressive Gase und Dämpfe und insbesondere Halogenverbindungen abgesaugt werden sollen, sind auch rostfreie Stähle nicht beständig genug. Dann kommen Strahlapparate aus Porzellan oder Grafit zum Einsatz. Der Werkstoff Porzellan, der ja ein Gemisch aus Kaolin, Feldspat und Quarz ist und dann gebrannt wird, ist bruchempfindlich. Die Auslegung ist aufgrund der Fertigung als Gussteil ungenau. Dadurch kommt es beim Einbau in die Vakuumanlage immer wieder zu Spannungen im Apparat und zu Folgebrüchen. Nicht zuletzt werden die hohen Sicherheitsvorschriften und -anforderungen der chemischen Industrie nicht mehr erfüllt.

Bild 2_GEA-Dampfstrahl-Vakuumaggregat-Zeichnung

Vierstufige Dampfstrahl-Vakuumpumpe mit Kompakt-Blockkondensator. A: Treibdampf, B: Sauganschluss, C: Kühlwasser/Ein-Austritt, 1-4 Strahlpumpen Stufe 1-4, I-II: Zwischenkondensatorkammern, III: Nachkondensatorkammer.

Dazu kommt: Dort wo Anlagen früher kontinuierlich an ihrem Auslegungspunkt betrieben wurden, ist heute Flexibilität im Durchsatz und in der Betriebsweise gefragt. Klassische Dampfstrahl-Vakuumpumpen und insbesondere solche aus Porzellan haben hier Nachteile: Werden die Pumpen außerhalb des Auslegungspunkts betrieben, steigen die Bruchgefahr und der Energiebedarf deutlich. So kann sich beispielsweise Kondensat bilden, das bei den hohen Gasgeschwindigkeiten im Strahlapparat zu Erosionen führt. Außerdem können mechanische Erschütterungen infolge von Strömungsrückschlägen dazu führen, dass das Gefüge des Porzellan-Bauteils ermüdet.

Weil es in der Chemie allerdings auch auf die hohe Beständigkeit des Pumpenwerkstoffs ankommt, gibt es wenig Alternativen zum Porzellan. Grafit hat zwar eine ebenfalls sehr hohe Beständigkeit, allerdings ist die Maßfertigung von Ejektorkörpern aus Grafit teuer. GEA und SGL Carbon haben nun gemeinsam einen Ejektorkörper aus Grafit entwickelt, der durch konsequente Standardisierung eine wirtschaftliche Alternative zum Porzellan ist. Die Dampfstrahl-Vakuumpumpe zeichnet sich durch ihre Bruchfestigkeit und eine einfache Handhabung aus.

Niedrige Betriebskosten und gleiche Anschlüsse des Vakuumsystems

Bild 3_GEA-Porzellan-Aggregat

Vakuumsystem mit Strahlpumpen und Kondensatoren aus Porzellan.

Auch wenn Grafit-Strahlpumpen an sich keine neue Erfindung sind, so ist das gemeinsame Entwicklungsprojekt ein Meilenstein im Bereich der Dampfstrahl-Vakuumpumpen. Allein die Vorgaben zu Projektbeginn waren anspruchsvoll: Durch Umbau und Anpassung der Anschlüsse des Vakuumsystems sollte es, falls möglich, eine Leistungsoptimierung des Aggregats und damit Betriebskosteneinsparungen geben. Ferner sollten so viele Komponenten wie möglich weiterverwendet werden. Auch die Anschlussverbindungen und -maße sollten sich durch den Austausch von Porzellan zu Grafit nicht ändern. Der standardisierte Porzellan-Ejektor sollte durch eine effiziente Grafit-Lösung ersetzt werden. Und nicht zuletzt stand es im „Pflichtenheft“ der Entwickler, die Umrüstungszeit so kurz wie möglich zu halten. Alle diese Ziele wurden erreicht.

Beständig und gut wärmeleitend

Grafit ist neben Diamant und den Fullerenen eine Erscheinungsform des Kohlenstoffs und hat sich als Werkstoff für Oberflächenkondensatoren und Strahlpumpen in Anwendungen als korrosionsbeständig bewährt, bei denen die üblichen rost- und säurebeständigen Materialien nicht mehr zu verwenden sind. Wegen guter Wärmeleitfähigkeit und Beständigkeit gegen Temperaturwechsel ist Grafit als Werkstoff für Wärmeübertrager und Strahlpumpen besonders geeignet. Durch Imprägnierung wird Gasdichtigkeit erreicht. Strahlpumpen aus Grafit, die im Vakuum unter 3 mbar arbeiten, können außerdem einfach beheizt werden, um Eisbildung zu vermeiden.

Gleiche Einbaumaße erlauben den Umbau von Porzellan-Strahlpumpen

Bild 4_GEA-Graphit-Stahl-Aggregat

Vergleichbares Vakuumsystem nach Umrüstung mit Grafitstrahlpumpen und Kondensatoren aus C-Stahl/emailliert.

Die Strahlapparate sind als Standard-Ausführungen für Saugströme von 1 bis 10 kg/h und für Saugdrücke von 1 bis 10 mbar verfügbar. Die Pumpen werden nach dem Baukasten-Prinzip aus vorhandenen Bauelementen gefertigt. Sonderausführungen werden ebenfalls aus Teilen des Baukastens hergestellt.  Die Bauelemente sind so aufeinander abgestimmt, dass durch verschiedene Kombinationen die unterschiedlichen Saugbedingungen erreicht werden. Die Einbaumaße bleiben unverändert. Durch Grafit-Strahlpumpen können bestehende Dampfstrahl-Vakuumanlagen hinsichtlich Energieverbrauch und Leistung optimiert werden. Aufgrund der hohen Standardisierung können Ersatzteile für Grafit-Strahlpumpen bei Bedarf relativ kurzfristig gefertigt werden.

Achema Halle 4.0 – F46

Heftausgabe: Juni/2018
Dr. Michael Golek, Corporate Press & Media, GEA

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Dr. Michael Golek, Corporate Press & Media, GEA
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