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FachbeitragFeinvakuumpumpen für die Chemie

Dr. Jürgen Dirscherl*)
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Fachbeitrag: Feinvakuumpumpen für die Chemie
Zahlreiche Anwendungen in der Chemie und Pharmazeutik wie zum Beispiel die Gefriertrocknung erfordern sehr gutes Vakuum (unter 1 mbar), und belasten das Vakuumsystem zugleich mit großen Lösemittelmengen oder korrosiven Medien. Hierfür werden Feinvakuumpumpen benötigt, die diesen speziellen Anforderungen genügen. Für Anwendungen mit größeren Mengen an kondensierenden Dämpfen und aggressiven Stoffen empfiehlt sich die Verwendung von Chemie-HYBRID-Pumpen.

Feinvakuumpumpen für Anwendungen in der Chemie

Vakuum ist im chemischen Labor wie in der Prozesstechnik ein nahezu universelles Hilfsmittel. Für viele Anwendungen wie Absaugen, Vakuumtrocknen, -konzentrieren und -destillieren ist ein Vakuum bis 1 mbar (absolut) völlig ausreichend. Dieses Vakuum wird vorteilhaft mit ölfreien (Chemie-)Membranpumpen erzeugt. Einige Anwendungen wie Kurzwegdestillation, Keramik-Sintern, Plasma-Ätzen, Feintrocknung oder auch die Gefriertrocknung erfordern jedoch, sicher unter 1 mbar zu erreichen. In der Regel werden in diesem Feinvakuumbereich ölgedichtete Drehschieberpumpen eingesetzt, die jedoch bauart- und materialbedingt empfindlich auf kondensierende oder korrosive Dämpfe reagieren. Der bewährte Gasballast kann die Kondensation bis zu einer begrenzten Lösemittelmenge vermeiden helfen.

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Die sogenannte (Wasser-)Dampfverträglichkeit ist das entscheidende Maß für die förderbare Lösemittelmenge. Da in der Chemie häufig mit Gasballast gearbeitet wird, sind die Wasserdampfverträglichkeit (mit Gasballast) sowie das mit diesem Gasballast erzielbare Endvakuum der Pumpe mit die wichtigsten Kriterien für die Auswahl der bestmöglichen Drehschieberpumpe.

Manche Hersteller verwenden sehr große Gasballastmengen und erzielen damit eine hohe Wasserdampfverträglichkeit, nehmen dafür jedoch ein schlechteres Endvakuum von zum Teil deutlich über 0,01 mbar in dieser Betriebsart in Kauf. In der Anwendung kann dies bedeuten, dass das benötigte Prozessvakuum mit eingeschaltetem Gasballast nicht erreicht werden kann. Abschalten des Gasballastes kann jedoch zur Kondensation im Aggregat und dessen Beschädigung führen.

Andere Hersteller arbeiten mit sehr geringen Gasballastmengen, erzielen damit gute Endvakuumwerte mit Gasballast, bieten jedoch nur eine geringe Wasserdampfverträglichkeit. VACUUBRAND als spezialisierter Hersteller von Pumpen für den Chemieeinsatz erzielt bei ihren Drehschieberpumpen durch die optimierte Auslegung hervorragende Werte für das Verhältnis aus Wasserdampfverträglichkeit und Endvakuum mit Gasballast.

Weitere wichtige Kriterien für die Auswahl von Drehschieberpumpen sind:

•Das Geräusch: Die Pumpen stehen häufig direkt im Arbeitsumfeld. Die Anforderungen an die Laufruhe sind wesentlich höher als bei industriellen Anwendungen.

•Der Platzbedarf: Laborraum ist eine wertvolle Ressource.

•Das verfügbare Zubehör wie zum Beispiel Ansaugabscheider, Ölnebelfilter, Hauptstromölfilter, Ventile etc.

•Die Wartungsfreundlichkeit: Schnelles Zerlegen, Reinigen und Montieren sollte ohne spezielle Kenntnisse oder Werkzeuge möglich sein. Die Kosten für die regelmäßige Wartung und die Wartungssätze werden häufig unterschätzt und vernachlässigt.

Weniger ist mehr

Bei der Neuentwicklung der Drehschieberpumpenfamilie XS (Bild 1) flossen Jahrzehnte an praktischer Laborerfahrung mit den Vorgängermodellen ein. Der Ölkreislauf wurde vollständig neu konzipiert. Der Wellendichtring wird durch die neuartige Umlaufschmierung deutlich besser mit frischem Öl versorgt. Die Standzeit dieses typischen Verschleißteils wurde so wesentlich verlängert. Gleichzeitig wurde durch die Optimierung des Ölkreislaufs das Laufgeräusch um bis zu 6 dB reduziert. Damit gehören die neuen XS-Drehschieberpumpen zu den leisesten auf dem Markt.

Bei den internen Dichtringen sowie den Kupplungen und Ölpumpenschiebern (beide aus PEEK) gelang es, viele Teile einzusparen, mit dem Endergebnis, dass der Wartungssatz 27 % weniger Teile als vorher enthält. Der allgemeine Wartungsaufwand sinkt entsprechend, insbesondere da alle Einzelteile und ihre Einbaulage optimiert wurden und keine speziellen Werkzeuge oder Einstellarbeiten erforderlich sind. Der Teleskopaufbau des Aggregats erleichtert das schnelle Zerlegen, Reinigen und Zusammensetzen der Pumpe.

Bild 1 + 2

Die Stahl-Rotoren sind durch eine Stickstoffplasmabehandlung gehärtet und die Oberflächen nitriert. Dies verbessert die chemische Beständigkeit sowie die Notlaufeigenschaften erheblich. Die mechanischen Anlagespiele wurden soweit optimiert, dass selbst bei der hohen Gasballastmenge von bis zu 10 % des Nennsaugvermögens noch ein Endvakuum mit Gasballast von 1 x 10-2 mbar erzielt wird. Durch die große Gasballastmenge erreicht die Wasserdampfverträglichkeit den hervorragenden Wert von 40 mbar.

Ein erheblicher Entwicklungssprung wurde auch bei der Motorenauslegung erreicht. Die neuen Motoren sind nicht nur deutlich sparsamer – der typische Betriebsstrom ist um bis zu 25 % geringer als früher –, sondern auch laufruhiger und kompakter. Durch die spezielle Auslegung kann die Pumpe jederzeit – auch unmittelbar nach einem Ausschalten – wieder gestartet werden. Die fortschrittliche Motorenauslegung kam auch der neuen Drehschieberpumpe RZ 9 zugute, die in Bild 3 mit wichtigem Zubehör gezeigt wird. Der Ansaugabscheider AK (im Bild das rechte Anbauteil) schützt die Pumpe vor angesaugten Partikeln und Tröpfchen. Zudem verhindert er im Falle eines Pumpendefektes das Rückfließen von Öl in die Vakuumanlage. Der Ölnebelabscheider FO filtert den unvermeidlichen Ölnebel am Pumpenauslass sehr wirkungsvoll aus. Bei Endvakuum wird ein Abscheidegrat von 99,99 % erreicht. Beide Zubehörteile sind platzsparend voll in die Pumpe integriert und verfügen über transparente Auffangbehälter für leichte Kondensat- bzw. Ölstandskontrolle.

Bild 3

Vergleicht man die technischen Daten der VACUUBRAND Drehschieberpumpen (Tabelle 1) mit Pumpen anderer Bauart, so fallen die sehr kompakten Abmessungen sowie die niedrigen Gewichte besonders auf. Vor allem die 2,5 und 6m3/hPumpen – also die typischen Laborpumpen – sind in dieser Hinsicht führend. Die RZ 6 ist beispielsweise sogar kompakter und leichter als viele andere Pumpen, die eine Saugvermögensstufe kleiner sind. Auch bei einem Vergleich des Verhältnisses aus Wasserdampfverträglichkeit und Endvakuum mit Gasballast erkennt man die für den Einsatz in der Chemie optimierte Auslegung.

Tabelle 1

Chemie-HYBRID-Pumpe RC 6

Übliche ölgedichtete Drehschieberpumpen reagieren trotz aller Gegenmaßnahmen empfindlich auf größere Mengen an kondensierenden oder korrosiven Dämpfen. Daher wird Drehschieberpumpen bei kritischen Anwendungen häufig eine Tiefkühlfalle vorgeschaltet, was mit hohem Aufwand für Kühlmittel bzw. Kühlaggregat und das Abtauen verbunden ist. Eine Kondensation in der Drehschieberpumpe lässt sich durch Absenkung des Drucks im Ölkasten auf weit unter Atmosphärendruck wirksam vermeiden. Bei Öltemperaturen von 60 °C liegen die Siededrücke der meisten Lösemittel oberhalb 20 mbar. Dieses Vakuum reicht also aus, um die Kondensation zu verhindern und das Öl durch „In-Situ-Vakuumdestillation“ wieder zu reinigen. Auch die Korrosion wird durch das Absenken des Ölkastendrucks wirkungsvoll verringert.

Die Erzeugung von Vakuum im Ölkasten und das Verdichten des Gases auf Atmosphärenniveau kann durch Nachschaltung einer Chemie-Membranpumpe erfolgen. Auch hier kommt es zur Kondensation, jedoch mit wesentlich geringeren Konsequenzen, da diese in oder hinter der ölfreien Membranpumpe stattfindet. Kondensation und Korrosion im Drehschieberpumpenaggregat werden reduziert und die Ölverunreinigung wesentlich vermindert. Die Kosten für frisches Vakuumpumpenöl, für die Entsorgung kontaminierten Altöls sowie für die regelmäßige Wartung sinken entsprechend. Saugvermögen und Endvakuum werden vollständig durch die Drehschieberpumpe bestimmt, d.h. ein Prozessvakuum im 10 3 mbar Bereich sollte in der Regel leicht erreicht werden.

Im praktischen Betrieb kann meist auf eine Kühlfalle verzichtet werden, was den Mehraufwand für die integrierte Membranpumpe mehr als ausgleicht. Die so aufgebaute und seit langem bewährte VACUUBRAND Chemie-HYBRID-Pumpe RC 5 wurde nun zur RC 6 weiterentwickelt. Die RC 6 ist als Einzelpumpe und auch als Pumpstand mit Emissionskondensator zur einfachen und effektiven atmosphärenseitigen Abscheidung der durch die Pumpe geförderten Dämpfe erhältlich (Bild 4).

Bild 4

Alle oben geschilderten Vorteile des überarbeiteten Drehschieberpumpenaggregats flossen auch hier ein, plus zahlreiche Detailverbesserungen im Ölkreislauf sowie am Membranpumpenaggregat. Zudem wird ein neuartiger Motor mit niedrigerer Leistungsaufnahme und geringerem Geräusch verwendet. Ein spezielles Manometer mit Farbmarkierung zeigt das Funktionsvakuum im Ölkasten an und dient auch als Wartungsanzeige für die Membranpumpe.

Zubehör

Gerade für Drehschieberpumpen im harten Einsatz im chemischen Labor ist geeignetes Zubehör zum Schutz der Pumpe und der Umwelt sehr wichtig. Für obige Pumpenbaureihe ist ein vollständiges und passendes Zubehörprogramm einschließlich Ansaugabscheider, Ölnebelabscheider (vergleiche Bild 3) und Hauptstromölfilter (für RE/RZ 9 und 16), Kühlfallen sowie verschiedener Spezialöle erhältlich.

Auch die Vakuumverbindungen müssen hohen Ansprüchen genügen. Die Vakuumleitungen müssen flexibel sein und große Querschnitte aufweisen. In Verbindung mit ggf. korrosiven Medien stellt dies ein nicht zu vernachlässigendes Problem dar. Die oft für Vakuumanwendungen im Chemielabor eingesetzten Gummischläuche sind wegen der starken Ausgasung für Anwendungen unter 1 mbar kaum verwendbar. Häufig werden für Feinvakuum-Anwendungen Edelstahlwellschläuche eingesetzt. Gepumpte Medien tendieren jedoch dazu, in diesen zu kondensieren und sich in den tiefen Wellen im Schlauchinneren zu sammeln, was nicht selten zu Korrosion am dünnwandigen Edelstahl und Leckage führt.

Eine deutlich bessere Alternative bezüglich chemischer Beständigkeit sind PTFE-Schläuche. Herkömmliche PTFE-Rohre sind jedoch insbesondere bei größeren Nennweiten sehr steif oder knicken leicht. Seit kurzem sind stabile und zugleich flexible PTFE-Wellschläuche mit großer Nennweite erhältlich. Durch ein spezielles Fertigungsverfahren weisen diese PTFE-Schläuche eine nahezu glatte Innenwand auf (Bild 5). Dies ist nicht nur strömungstechnisch sehr günstig, sondern vermeidet auch die Ansammlung von Kondensaten. Diese PTFE-Schläuche sind für viele Vakuumanwendungen in der Chemie mit größeren Dampfmengen und insbesondere bei tiefem Vakuum (unter 10 mbar) das ideale Verbindungselement.

Bild 5

Ausblick

Die neuen VACUUBRAND Drehschieberpumpen zeigen, dass auch bei einem so altbekannten Klassiker wie ölgedichteten Drehschieberpumpen durch Verwendung neuer Konstruktionsprinzipien, neuer Materialien und konsequenter Ausrichtung auf die Bedürfnisse der Kunden speziell in der Chemie neue Maßstäbe gesetzt werden können. Der Einsatz der kompakten und leichten XS-Drehschieberpumpen nahe an der Apparatur ist häufig leistungsfähiger und kostengünstiger als größere und teuere Pumpen, die weiter entfernt mit langen Rohrleitungen aufgestellt werden müssen. Auch ein vollständiges Zubehörprogramm ist gerade für die anspruchsvollen Anwendungen in der Chemie unentbehrlich.

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