Verschmutzungsproblematik bei Vakuumpumpen

In Prozessen, in denen Vakuum genutzt werden muss, konkurrieren mechanisch angetriebene Vakuumpumpen und Strahlpumpen miteinander. Jeder Pumpentyp bietet Vor- und Nachteile. Welche Pumpe dem Einsatzzweck am besten gerecht wird, bestimmt das Verfahren, in dem sie zum Einsatz kommt. Besonders bei verschmutzungsanfälligen Prozessen zeigt sich, wie wichtig die genaue Betrachtung und Abwägung zwischen den beiden Pumpenarten ist.

Mehrstufiges Dampfstrahl-Vakuumsystem mit Oberflächenkondensator für Chemieanwendungen
Mehrstufiges Dampfstrahl-Vakuumsystem mit Oberflächenkondensator für Chemieanwendungen

Trend zur Umrüstung

In der jüngeren Vergangenheit wurde der Trend erkennbar, Strahlpumpen durch mechanische Vakuumpumpen zu ersetzen. Die Gründe dafür sind vielfältig. Das Aufkommen energieeffizienter Vakuumpumpen und auch die hohe Marktpräsenz der entsprechenden Hersteller sind nur zwei. Mechanische Vakuumpumpen haben in erster Linie eine elektrische Leistungsaufnahme. Dadurch sind sie im Betrieb günstiger als Strahlpumpen, wenn kein kostengünstiger Treibdampf, z. B. Niederdruckdampf, zur Verfügung steht.

Eine weitere Rolle spielte der Generationswechsel beim Betriebspersonal vieler Anlagen. Dieser trug dazu bei, dass die Alternative zu mechanischen Vakuumpumpen vernachlässigt wurde. Die Erfahrung, besonders in verschmutzungsanfälligen Prozessen Strahlpumpen anstatt mechanischer Pumpen einzusetzen, geriet zu Gunsten der Energieeffizienz in Vergessenheit. Erst nach zehn bis fünfzehn Betriebsjahren wird dann, unter dem hohen Kostendruck aus Reparaturen und Wartung, über andere Lösungen nachgedacht. Spätestens zu diesem Zeitpunkt rückt die Strahlpumpe als Alternative wieder in den Fokus.

Verschmutzungsproblematik

Die Verschmutzungsproblematik mechanischer Vakuumpumpen ist ein wichtiger Faktor im Rahmen der Betriebssicherheit. Im Verdichtungsverlauf mechanischer Pumpen werden dampfförmige Stoffe flüssig, da die Dämpfe kondensieren. Läuft die Pumpe an, wird die im System befindliche Luft durch Prozessdampf verdrängt. Aus den durch die Verdichtung kondensierenden Prozessdämpfen können an den heißen Oberflächen der Pumpe leichter flüchtige Bestandteile verdampfen. Es findet somit ein Aufkonzentrieren der verbleibenden Stoffe statt, wobei es gegebenenfalls zur Kristallisation kommen kann.

Ähnliche Sachverhalte stellen sich bei wasserunlöslichen Stoffen wie z. B. Fetten ein. Diese verstopfen die Ringspalte der mechanischen Pumpe. Sind Saugstrombestandteile in der Prozessflüssigkeit nicht löslich, ist die Nutzung einer mechanischen Pumpe fast ausgeschlossen. Meistens treten diese Fälle bei langkettigen Kohlenwasserstoffen (Oligomere, Polygomere) in der Kunststoffherstellung, Verdampfungsprozessen zur Stofftrennung und Kristallisationsprozessen auf.
Auch Staub und Schlamm, wie bei der Stahlherstellung, stellen ein Problem dar. Bei einer besonders hohen Viskosität eines Stoffes im Prozess, z. B. in petrochemischen Verfahren oder auch bei der Speiseölherstellung, stößt der Einsatz mechanischer Vakuumpumpen an seine Grenzen. In Spezialfällen der chemischen und pharmazeutischen Industrie sind mechanische Vakuumpumpen so gut wie nicht einsetzbar.

Wartung: Austausch verschmutzter Pumpen

Die Aufrechterhaltung des Vakuums ist in vielen Prozessen elementar wichtig. Muss in einem solchen Prozess die verschmutzte mechanische Pumpe getauscht werden, die für die Erzeugung des Vakuums zuständig ist, entstehen Folgekosten durch einen kompletten Anlagenstillstand. Es ist grundsätzlich durch verschiedene Maßnahmen möglich, den Anlagenstillstand möglichst kurz zu halten. So können mechanische Pumpen an der Betriebsstätte vorrätig gelagert werden. Bei einer Lagerung über einen längeren Zeitraum ist es allerdings auch zwingend notwendig, die mechanischen Elemente der Pumpe regelmäßig zu bewegen. Nur so kann gewährleistet werden, dass diese nicht während der Lagerung bereits Schaden nehmen.

Alternativen entwickeln

An diesem Punkt kann der Anlagenbetreiber durch eine Umrüstung der mechanischen Pumpen auf Strahlpumpen erheblich Kosten einsparen. Besonders im Hinblick auf verschmutzungsintensive Prozesse sind Strahlpumpen deutlich weniger anfällig. Zwar benötigen Sie als Treibmedium Dampf, dessen Produktion unter Umständen kostenintensiver ist als der elektrische Energiebedarf einer mechanischen Pumpe. Im Gegenzug können ein Stillstand der Anlage und teure Ersatzbeschaffungen für verschmutzte Pumpen verhindert werden.

Vorteile von Strahlpumpen

Die Vorteile von Strahlpumpen gegenüber mechanischen Vakuumpumpen begründen sich in ihrer einfachen Bauweise, den großen Querschnitten und dem kompletten Verzicht auf bewegliche Teile. In vielen Anwendungsfällen zeigen sie sich als optimal geeignet. Durch den Einsatz einer Beheizung oder die Installation von Sprühdüsen ist einer möglichen Verschmutzung der Strahlpumpe effektiv entgegen zu wirken. Sollte eine Strahlpumpe in einem Prozess einer Verschmutzung unterliegen, lässt sich diese auch frühzeitig durch eine langfristige Abnahme der Leistung feststellen. Somit kann der Anlagenbetreiber mit großer Sicherheit, schon lange vor einem möglichen Ausfall, der Verschmutzung durch direkte Maßnahmen entgegenwirken. Darüber hinaus lassen sich Strahlpumpen ohne großen Aufwand lagern und sind so im Bedarfsfall schnell als Ersatz verfügbar.

Auch korrosive Medien stellen kein Problem dar. Die Strahlpumpe kann aus den für das Verfahren bestmöglich geeigneten Materialien hergestellt werden. Die individuelle Werkstoffwahl ist neben verschiedenen metallischen Ausführungen (von klassischen Stählen bis zu Hastelloy-Strahlpumpen) auch aus nicht-metallischen Werkstoffen wie Graphit, Kunststoffe (PTFE) oder auch Keramik möglich. Diese Vielfalt in der Beständigkeit gegen korrosive Medien ist ein erheblicher Vorteil gegenüber mechanischen Vakuumpumpen. In einigen korrosiven Prozessen haben sich mechanische Vakuumpumpen als regelrechte Wegwerfartikel, mit Standzeiten von wenigen Wochen, erwiesen.

Eine Kombination von mechanische Flüssigkeitsringpumpen und Strahlpumpen ist ebenfalls umsetzbar. Die so genannten Hybridsysteme sind in vielfältigen Prozessen im Einsatz und haben sich bewährt. Durch die individuelle Optimierung des Gesamtsystems können die Vorteile beider Pumpentypen vereint werden.

Als Nachteil wird bei Dampfstrahl-Vakuumpumpen häufig der Treibdampfbedarf aufgeführt. Muss Dampf eigens für den Antrieb erzeugt werden, kann der Betrieb von Dampfstrahl-Vakuumpumpen kostenintensiv sein. Steht jedoch ein niedrig gespannter Dampf oder gar ein Abdampf aus anderen Prozessen zur Verfügung, kann dieser Nachteil kompensiert werden. Nutzt man diese Quellen als Treibmedium für die Strahlpumpe, fällt die Energiebilanz deutlich besser aus. Kostenseitig lassen sich so erhebliche Einsparungen erzielen.

Für korrosive Medien in Graphit ausgeführtes mehrstufiges Dampfstrahl-Vakuumsystem mit Oberflächenkondensator
Für korrosive Medien in Graphit ausgeführtes mehrstufiges Dampfstrahl-Vakuumsystem mit Oberflächenkondensator
Hybridsystem aus Dampfstrahl-Vakuumpumpe, Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe und Oberflächenkondensator
Hybridsystem aus Dampfstrahl-Vakuumpumpe, Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe und Oberflächenkondensator

Funktionsweise der Strahlpumpe

Im Gegensatz zu mechanischen Pumpen arbeiten Strahlpumpen komplett ohne bewegte Teile. Durch den Einsatz eines Treibmediums als Energieträger (Dampf, Flüssigkeit oder Gas) wird eine Pumpwirkung erzielt. Dieses Grundprinzip gilt für jede Ausführungsform. Die Anwendungsbereiche bestimmen die Formgebung und den Strömungsquerschnitt.

Das durch die Treibdüse eingebrachte Treibmedium durchströmt die Strahlpumpe. Dabei geht ein Teil der hohen Bewegungsenergie auf den Saugstrom über. Der Treibstrom saugt das Prozessmedium. Treib- und Saugstrom durchströmen als Gemisch gemeinsam unter Verzögerung und Druckgewinn den Diffusor. In einer Strahlpumpe wird also die nicht direkt übertragbare statische Druckenergie des Treibmediums in kinetische Energie umgesetzt. Diese kann durch Impulsübertragung bei der Mischung an den Saugstrom abgegeben werden. Der Diffusor verwandelt dann die kinetische Energie des Gemisches aus Treib- und Saugstrom wieder in die Form der statischen Druckenergie.

Lösungen finden: Kosten-Nutzen-Rechnung entscheidet

Für die Vakuumerzeugung haben Anlagenbetreiber also zwei elementare Pumpentypen zur Wahl. Dabei muss jeder Prozess individuell betrachtet werden. Unter Berücksichtigung der Erfahrung des Anlagenbetreibers mit seinem Prozess, kann der jeweilige Pumpentyp ausgewählt und in das Verfahren optimal eingebunden werden.

In vielen bereits genannten Prozessen steht der höhere Energiebedarf der Strahlpumpe im Vergleich zum regelmäßigen Austausch der mechanischen Vakuumpumpe. Es entscheidet also eine umfangreiche und alles betrachtende Kosten-Nutzen-Rechnung, welcher Pumpentyp die idealen Voraussetzungen für einen betriebssicheren und langfristig zufriedenstellenden Anlagenbetrieb bietet.

Weitere Informationen

Erfahren Sie mehr über die Funktion und Arbeitsweise von Strahlpumpen

Weiterführende Informationen: Mehrstufige Dampfstrahl-Vakuumsysteme

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