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Keramische Spalttöpfe in der chemischen Industrie

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09.11.2018 Hohe Ansprüche erfordern besondere Werkstoffe. Das ist insbesondere in der chemischen Industrie der Fall, wo hohe Standzeiten gefordert werden. Im Bereich der Pumpen etabliert sich der keramische Spalttopf für magnetgekuppelte Pumpen immer mehr und zeigt gegenüber anderen Werkstoffen deutliche Vorteile.

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Entscheider-Facts für Ausrüster und Betreiber

  • Im Bereich der Pumpen etabliert sich der keramische Spalttopf für magnetgekuppelte Pumpen immer mehr und zeigt deutliche Vorteile gegenüber anderen Werkstoffen.
  • In der Praxis haben sich Magnetkupplungspumpen mit keramischem Spalttopf sowohl in Sachen Beständigkeit als auch im Hinblick auf die Sicherheit bewährt.
  • Zudem hilft der keramische Spalttopf Energie zu sparen, weil im Gegensatz zu metallischen Spalttöpfen keine leistungsmindernden Wirbelströme entstehen.

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Querschnitt einer Magnetkupplungspumpe mit keramischem Spalttopf. Der Werkstoff ist insbesonder für anspruchsvolle Chemieanwendungen geeignet. Bild: Klaus Union

In der chemischen Industrie sind Werkstoffe gefordert, die eine hohe mechanische Festigkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber Säuren und Laugen und eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Der keramische Hochleistungswerkstoff Frialit FZM vereint diese Eigenschaften und ist daher für den Einsatz in magnetgekuppelten Pumpen besonders geeignet.

Bei der Förderung hoch aggressiver Medien spielt der Sicherheitsaspekt eine herausragende Rolle. Beim Austreten von Medien während der Pumpvorgänge können massive Umweltbelastungen auftreten. Spalttöpfe aus der Keramik sind für den Einsatz in korrosiven Medien aufgrund ihrer hohen chemischen Beständigkeit und der deutlich höheren Standzeit gegenüber konventionellen Werkstoffen besonders geeignet. Um den Einsatzbereich des keramischen Spalttopfs weiter zu erweitern, um beispielsweise gegen die äußerst aggressive Flusssäure zu bestehen, bieten sich Konstruktionen mit chemieresistenter und porenfreier Innenbeschichtung an.

Die hohe Verschleißfestigkeit verdeutlicht dieses Beispiel: Nach zweijähriger Betriebszeit wurden mehrere Pumpen der Firma Dickow Pumpen zur Revision ins Werk geschickt. Mit diesen war 110 °C heißes Öl mit einem Anteil von ca. 5 % Bleicher gefördert worden. Sämtliche strömungsführenden Bauteile, internen Zirkulationskanäle und enge Spalte waren mehr oder weniger ausgespült oder ausgeschliffen. Am Keramikspalttopf konnten keinerlei Verschleißspuren festgestellt werden. Er konnte in die instandgesetzte Pumpe wieder eingebaut werden.

Für zusätzliche Sicherheit sorgen die hohe Bruchzähigkeit und die hohe mechanische Festigkeit des keramischen Hochleistungswerkstoffs. In einem Anwendungsfall des Pumpenherstellers Klaus Union lief die Pumpe trocken. Es kam zu einem Defekt der Dichtungen, und der Außenmagnet rieb am Spalttopf. Bis auf eine Schleifspur mit ca. 0,4 mm Tiefe blieb der keramische Spalttopf unversehrt. Dadurch konnte die gesamte Pumpe gerettet werden; allein die Lager mussten getauscht werden. Der Spalttopf stand in diesem Anwendungsfall unter knapp 40 bar Druck.

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Dünne Wandstärken zeichnen diesen Spalttopf aus. Bilder: Friatec

Energieeffizienz ist eine Frage des Spalttopfs

Die Verbesserung der Energieeffizienz von Pumpen und Pumpensystemen ist von sehr großer Bedeutung. Laut einer EU-Studie beträgt der Anteil der Pumpen am Energieverbrauch motorenbetriebener Systeme etwa 20 %. Nach Hochrechnungen der Deutschen Energie-Agentur könnten durch Optimierung von Pumpensystemen jährlich über 10 Mrd. kWh eingespart werden. Der Einsatz eines keramischen Spalttopfes ist ein wichtiger Schritt zur Energieeinsparung und zum Umweltschutz, weil im Gegensatz zu metallischen Spalttöpfen keine leistungsmindernden Wirbelströme entstehen. So kann die Antriebsleistung um 10 bis 15 % reduziert werden.

Daneben ist der Spalt zwischen den beiden Magneten ein wichtiger Punkt für den Erhalt der Leistung. Um diesen so gering wie möglich zu halten, beträgt die Wandstärke des Spalttopfes im zylindrischen Bereich nur ca. 2 bis 4 mm. Frialit FZM kann aufgrund seines kleinen E-Moduls einer gewissen elastischen Verformung widerstehen, sodass auch bei hohen Drücken bis zu 60 bar alle Spannungen abgefangen werden.

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Keramischer Spalttopf mit Innenbeschichtung.

Anwendungen wie z. B. die Förderung von Ölen oder Schwefelsäure finden nicht bei Raumtemperatur statt. Oft werden Temperaturanforderungen gestellt, bei denen nur wenige Materialien eingesetzt werden können. Der keramische Werkstoff erlaubt den Einsatz bis 450 °C ohne nennenswerte Veränderungen. Da sich bei diesen Temperaturen alle Materialien ausdehnen, können Spannungen entstehen. Der keramische Hochleistungswerkstoff hat eine ähnliche Wärmeausdehnung wie Gusseisen und die damit verbundene, mögliche Anbindung an metallische Werkstoffe. Der keramische Spalttopf dehnt sich mit dem Metall aus, und größere Spannungsunterschiede werden vermieden.

Die chemische Industrie befasst sich nicht nur mit flüssigen, sondern auch mit festen und gasförmigen Stoffen, die nebenbei explosiv und brennbar sein können. Um auch dieses Anwendungsfeld zu beherrschen, muss die Ableitfähigkeit der elektrischen Ladungen gewährleistet sein. Zusammen mit der PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) in Braunschweig wurden umfangreiche Messungen zur Bestimmung der elektrischen Ableitfähigkeit nach IEC 60093 und IEC 60167 durchgeführt. Mithilfe einer zusätzlichen Außenbeschichtung konnten die Grenzwerte zum Oberflächenwiderstand und Erdableitwiderstand (RA < 106 Ω) deutlich unterschritten werden. Damit ist ein modifizierter Keramikspalttopf in Kontakt mit allen brennbaren Medien und in explosionsfähigen Atmosphären einsetzbar.

Konventionellen Spalttopf gegen Keramik-Bauteil tauschen

Um die Austauschbarkeit eines Spalttopfes aus konventionellen Werkstoffen gegen einen Spalttopf aus Keramik zu ermöglichen, muss dieser erst entsprechend entwickelt und konstruiert werden. Seit 1987 wird der Keramikspalttopf in Pumpen der Firma Dickow eingebaut. Ursprünglich mit einer Wandstärke von 3,5 mm, was einen größeren Magnetabstand gegenüber der Standardkonstruktion mit einer um 30 % niedrigeren Übertragungsleistung bedeutete. Mit Hilfe einer numerischen Beanspruchungsermittlung an verschiedenen Konstruktionsvarianten unter vorgegebenen Last- und Randbedingungen konnten die idealen Abmessungen ermittelt und umgesetzt werden. Dabei stellte sich heraus, dass zwar die Wandstärke des zylindrischen Teils des Spalttopfes in die maximale Druckbelastung mit einfließt, aber nicht ausschlaggebend ist. Viel wichtiger sind die konstruktiven Ausführungen der Übergänge zum Klöpperboden und Flanschansatz. Dadurch konnte die Wandstärke bei gleichbleibender Druckbeständigkeit auf 1,9 mm reduziert werden. Damit wird wiederum eine vollständige Austauschbarkeit erreicht.

Die steigenden Anforderungen nach Energieeffizienz können durch die Herstellung immer größerer keramischer Spalttöpfe mit speziellen Geometrien erfüllt werden. Der derzeit größte Spalttopf aus dem keramischen Hochleistungswerkstoff wird mit einem Außendurchmesser von 350 mm, einem Innendurchmesser von 300 mm und einer Länge von 340 mm gefertigt und hält Prüfdrücken von 37,5 bar stand.

Heftausgabe: November/2018
Sandy Hänsler ist  Category Manager bei Friatec

Über den Autor

Sandy Hänsler ist Category Manager bei Friatec
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