Beheizbare Chemiepumpen mit Permanentmagnetkupplung Wenn Fördermedien mit 200°C aufgeheizt werden müssen Harry Schommer   Die "Chemie" mancher Medien macht beim Fördern in Pumpen eine Beheizung unumgänglich. Welche Möglichkeiten sich mit beheizbaren, leckagefreien Chemiepumpen mit Permanentmagnetkupplungen ergeben, beschreibt der folgende Beitrag. Wichtig ist der konstruktive Aufbau der Pumpen und ausreichende Überwachungsmöglichkeiten.   Beheizbare Chemiepumpen mit Permanentmagnetkupplung werden eingesetzt, wenn die Gefahr besteht, dass sich das Fördermedium beim Fördern in der Pumpe unzulässig abkühlt, und wenn beim Stillstand der Anlage die Temperatur des in der Pumpe befindlichen Fördergutes unter den Erstarrungs- bzw. Kristallationspunkt absinken kann. Dies ist z.B. beim Fördern von Fettsäuren, Dimethylterephthalat (DMT), Phthalsäureanhydrid (PSA), Bisphenol, Caprolactam, Teer usw. der Fall. Durch Wegfall der Wellenabdichtung ergeben sich erhebliche Vorteile bezüglich Wartungsfreiheit und Verfügbarkeit. Dies wird ohne weiteres verständlich, wenn man bedenkt, dass die zu fördernden Medien an der Atmosphäre sofort in die feste Phase übergehen und die unvermeidlichen Leckagen konventioneller Wellenabdichtungen hier besonders kritisch sind. Außerdem werden ca. 90% der Pumpenausfälle durch undichte Wellenabdichtungen verursacht. Als Heizmedium kommen in erster Linie Heizdampf oder auch Thermalöl in Betracht. Elektrisch beheizte Pumpen haben nur wenig Bedeutung und kommen für die vorstehend genannten Medien im Chemiebetrieb nicht zum Einsatz. Die üblichen Heizdampftemperaturen und Drücke liegen bei 200°C bzw. 16 bar, der Temperaturbereich der Wärmeträgeröle liegt zwischen 200 und 250°C. Bild 1: Beheizte Spiralgehäusepumpe mit Permanentmagnetkupplung   Beheizung Bild 1 zeigt eine beheizte Spiralgehäusepumpe mit Permanentmagnetkupplung. Grundsätzlich ist sowohl eine Beheizung des Spiralgehäuses als auch des Spalttopfes vorzusehen. Die Heizkammer des Spiralgehäuses ist so ausgeführt, dass die gesamte stirnseitige Fläche des Gehäuses, einschließlich Druckstutzen, mit dem Heizmedium beaufschlagt wird, da nur dann eine gleichmäßige und vollkommene Aufheizung des Produktes gewährleistet wird. Die großzügig dimensionierte, spalttopfseitige Heizkammer wird als separates Bauteil über den Spalttopf geschoben und mit dem Lagerträger bzw. Zwischengehäuse verschraubt. Diese Konstruktion bewirkt eine absolute Trennung von Produkt und Heizmedium, d.h. es ist ausgeschlossen, dass Heizdampf oder Thermalöl über undichte Schweißnähte in das Fördermedium gelangen können. Bei Fördermedien, die eine beheizbare Pumpenkonstruktion erfordern, muss unter Umständen damit gerechnet werden, dass Polymerisations- bzw. Kristallisationsprodukte im Fördermedium enthalten sind. Es ist darauf zu achten, dass der radiale Spalt zwischen stationärem Spalttopf und getriebenem Rotor (siehe Bild 1) mindestens 1 mm beträgt. Zu geringe Spaltspiele haben in der Vergangenheit sowohl bei beheizbaren Magnetkupplungspumpen als auch bei Spaltrohrmotorpumpen Probleme verursacht. Die Anordnung beider Heizkammern gewährleistet gemäß Bild 2 einen gleichmäßigen Temperaturverlauf in der gesamten Pumpe. Die gemessenen Temperaturen stellen sich bei befüllter Pumpe nach ca. 1,5 Stunden ein. Bei Förderung von DMT, z.B. mit einem Schmelzpunkt von 145°C, ist bei einer Beheizung mit 200°C sichergestellt, dass das Medium auch an den kritischen Stellen, d.h. im Gleitlagerbereich und im lagerseitigen Teil des Spalttopfes, vollständig geschmolzen ist. Bild 2: Temperaturverlauf (Heizmedium: Thermalöl) Gleitlagerung, Spalttopf Als Gleitlagerwerkstoff hat sich reines Siliziumkarbid aufgrund seiner Verschleißfestigkeit und chemischen Beständigkeit allgemein durchgesetzt. Bei Einsatz von SiC in Pumpen mit hohen Betriebstemperaturen ist bei Anordnung von SiC-Wellenschutzhülsen auf metallischen Pumpenwellen zu beachten, dass die Ausdehnungskoeffizienten der Metalle das Vierfache von SiC betragen. Die Befestigung der Wellenschutzhülse muss daher so ausgebildet werden, dass im kalten Zustand absoluter Rundlauf gewährleistet ist und bei Erwärmung keine unzulässigen Spannungen entstehen. Die Mitnahme muss kraftschlüssig erfolgen. Formschlüssige Mitnehmer oder Verdrehsicherungen durch Stifte oder Passfedern sind zu  vermeiden. Bild 3 zeigt eine Konstruktion, die diesen Ansprüchen gerecht wird. Zwischen Welle und Wellenschutzhülse ist ein elastischer, metallischer, wellenförmiger Toleranzring angeordnet, der die unterschiedlichen radialen Wärmedehnungen kompensiert. Die axialen Dehnungen werden von kompressiblen Grafitringen aufgenommen. Die stationären Radiallager sind mit entsprechender Überdeckung in Trägerteile eingeschrumpft. Um eine einwandfreie Zentrierung und problemlosen Austausch zu gewährleisten, sind beide Lager in einem gemeinsamen Gehäuse verschraubt. Der Spalttopf dient nicht zur Befestigung des zweiten Gleitlagers, er erfüllt ausschließlich die Funktion der Trennung von Fördermedium und Atmosphäre und wird nur statisch vom Pumpendruck belastet.   Bild 3: Gleitlagerung     Bild 4: Ölgeschmierte Lagerung Wälzlagerung Im allgemeinen werden die Magnetkupplungspumpen mit dauerfettgeschmierten Wälzlagern (2Z-Ausführung) ausgerüstet, wobei das spalttopfseitige Lager eine Hochtemperatur-Fettfüllung erhält. Es ist zu beachten, dass die Lebensdauer dieser Lager von der Fettstandzeit und damit, neben der Pumpendrehzahl, stark von der Umgebungstemperatur abhängt. Da das spalttopfseitige Wälzlager gemäß Bild 2 ebenfalls aufgeheizt wird, werden die in der ISO 5199 und API 610 geforderten Standzeiten von 17500 bzw. 25000 Betriebsstunden nur bei Heizmedien mit Temperaturen unter 150°C erreicht. Für höhere Temperaturen wurde daher gemäß Bild 4 eine verstärkte, ölgeschmierte Lagerung entwickelt. Die Ölstandskontrolle erfolgt über einen Constant Level Oiler, die Abdichtung des Ölbades zum Spalttopf und zur Atmosphäre durch berührungsfreie Labyrinth-Abdichtungen oder alternativ durch eine ölgeschmierte Sekundär-Gleitringdichtung. Anlaufsicherung Im Gegensatz zur verschleißfreien SiC-Lagerung mit, unter normalen Betriebsbedingungen, unbegrenzten Standzeiten sind die Wälzlager einem natürlichen Verschleiß ausgesetzt. Insbesondere bei dauerfettgeschmierten Lagern sollte eine regelmäßige Kontrolle des Schwingungsverhaltens erfolgen, um sich anbahnende Lagerschäden rechtzeitig zu erkennen, so dass die Wälzlager ausgewechselt werden können, bevor ernsthafte Schäden an der Pumpe entstehen. Im Falle einer ausgeschlagenen Wälzlagerung kommt es zu einer exzentrischen Rotation (Taumeln) der äußeren, treibenden Magnetkupplungshälfte. Um in diesem Störfalle ein Anlaufen der äußeren Magnete am Spalttopf auszuschließen, ist die treibende Magnetkupplung mit einer Anlaufsicherung versehen, d.h. die Spaltspiele zwischen rotierender Magnetkupplung und stationärem Spalttopf einerseits und stationärem Lagerträger andererseits sind so ausgebildet, dass die treibende Magnetkupplung zunächst am Lagerträger anläuft (Bild 5). Der Rundlauf der treibenden Magnete bzw. die Funktion der Wälzlager kann zusätzlich durch Näherungssensoren bzw. PT100-Elemente überwacht werden. Bild 5: Anlaufsicherung, treibender Rotor / Spalttopf Temperaturüberwachung In der Regel werden Pumpen mit Permanentmagnetkupplung durch Temperaturfühler auf der Spalttopfoberfläche überwacht, um eine Siedepunktsüberschreitung im Spalttopfbereich  zu vermeiden. Diese Problematik ist bei Fördermedien, die eine zusätzliche Beheizung der Pumpe erfordern, in der Regel nicht gegeben. Schadensfälle können hier jedoch ausgelöst werden, wenn die Pumpen angefahren werden, bevor das Fördermedium völlig verflüssigt ist, d.h. wenn nur unzureichend aufgeheizt wurde. Es wird daher empfohlen, die Temperatur im Innenraum der Pumpe, unmittelbar am laufradseitigen Gleitlager, mit einem Temperaturfühler zu überwachen. Bei Auswahl der Fühler ist sicherzustellen, dass sie auch tatsächlich für diesen Einsatz geeignet sind. Bild 6 zeigt eine entsprechende Fühlerkonstruktion, die den Anforderungen gerecht wird. Der Schutzrohrboden ist flach ausgeführt, so dass ausreichend Kontakt zur Messstelle gegeben ist. Das Fühlerelement ist direkt auf dem Schutzrohrboden befestigt. Eine Druckfeder sorgt dafür, dass der Fühler in ständigem Kontakt ,ist der Messstelle ist. Bild 6: Temperaturfühler Motorüberwachung Kommt es im Anfahrbetrieb durch ungenügende Aufheizung oder durch Blockieren der Pumpenwelle zum Abriss der magnetischen Feldlinien, dreht der Antriebsmotor mit dem treibenden Außenmagneten bei stehendem Pumpenläufer leer durch. In dieser Situation ist keine interne Zirkulation zur Abführung der Magnetverlustleistung vorhanden, d.h. es kann durch Überhitzung zur Entmagnetisierung der Magnete kommen, wenn die Pumpe nicht rechtzeitig stillgesetzt wird. Bewährt haben sich zu diesem Zweck Cosinus-Phi-Wächter, die den Betriebszustand des Antriebsmotors elektronisch nach dem Prinzip der "Phasenwinkelmessung" überwachen.   4894 Seitenaufrufe seit 01.10.2004