Vakuumtechnologie für chemische und pharmazeutische Prozesse

Maulburg, Germany Die Wahl der richtigen Vakuumtechnologie für Anwendungen der chemischen und pharmazeutischen Verfahrenstechnik gestaltet sich oftmals schwierig. Zum einen muss ein Vakuumsystem bei Betriebsdruck das geforderte Saugvermögen liefern und somit die erforderliche Evakuierungszeit gewährleisten. Zum anderen muss es unempfindlich gegenüber Prozessgasen sein und allen Anforderungen in den Bereichen CIP-Reinigung (Clean in Place) und Gasrückgewinnung gerecht werden. Daneben spielen die Betriebssicherheit und die Wirtschaftlichkeit eine wesentliche Rolle bei der Entscheidung für die eine oder andere Vakuumtechnologie. Hier werden die drei hauptsächlich in der chemischen und pharmazeutischen Verfahrenstechnik eingesetzten Vakuumtechnologien beschrieben: Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen, Trockene Schrauben-Vakuumpumpen und Ölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen.
Fig. 1: Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe Dolphin

Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen

In vielen Anwendungen kommen Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen (Fig. 1) zum Einsatz. Dabei handelt es sich um rotierende Verdrängerpumpen mit einem Laufrad, das exzentrisch in einem zylindrischen Gehäuse sitzt (Fig. 2). Als Betriebs- oder Sperrflüssigkeit wird meist Wasser verwendet. Durch die Rotation des Laufrads bildet sich ein Flüssigkeitsring an der Innenseite des Gehäuses, der die Räume zwischen den einzelnen Schaufeln abdichtet. In den Räumen zwischen der Nabe, den einzelnen Schaufeln und dem Flüssigkeitsring wird das Gas gefördert. Durch die exzentrische Anordnung des Laufrades vergrößern sich während einer Umdrehung die Zwischenräume und saugen somit das Medium durch den Saugschlitz an. Im weiteren Verlauf der Drehung verkleinern sich die Zwischenräume, das Medium wird komprimiert und durch den Druckschlitz wieder ausgestoßen. Der Betrieb der Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe ist mit durchlaufender Flüssigkeit, offenem oder geschlossenem Flüssigkeitskreislauf möglich.

Diese Vakuumpumpen haben sich in chemischen Prozessen über viele Jahre als äußerst robuste und zuverlässige Vakuumerzeuger bewährt. Die Betriebsflüssigkeit im Verdichtungsraum führt die Kompressionswärme kontinuierlich ab, so dass die Vakuumpumpe annähernd isotherm arbeitet. Dies bedeutet, dass sich das Prozessgas nicht nennenswert erwärmt und die Vakuumpumpe bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen arbeitet. Dadurch wird die Gefahr einer ungewollten Reaktion oder einer Explosion deutlich gesenkt. Die niedrigen Betriebstemperaturen begünstigen zudem die Kondensation von feuchten Dämpfen und Gasen, was das nominale Saugvermögen der Vakuumpumpe erhöht.


Fig. 2: Funktionsweise einer zweistufigen Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe

Für die Ausbildung des Flüssigkeitsrings wird in der Regel Wasser verwendet. Ethylenglykol, Mineralöle oder organische Lösungsmittel werden in der Praxis ebenfalls eingesetzt. Der Enddruck der Vakuumpumpe hängt vom Dampfdruck der Flüssigkeit ab. Die Viskosität der Betriebsflüssigkeit beeinflusst wiederum die Leistungsaufnahme der Pumpe.

Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen sind in verschiedenen Ausführungen, Werkstoffen und Wellendichtungen am Markt verfügbar.

Vorteile von Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen:

  • Völlig unempfindlich gegenüber Dampf- und Flüssigkeitseintrag
  • Durch verschiedene Werkstoffausführungen auf das Prozessgas abzustimmen

Nachteile:

  • Eventuelle Kontamination der Betriebsflüssigkeit mit Kondensaten aus dem Prozessgas und somit notwendige Nachbehandlung der Betriebsflüssigkeit vor deren Entsorgung
  • Hoher Energieverbrauch
  • Enddruck abhängig vom Dampfdruck der Betriebsflüssigkeit


Trockene Schrauben-Vakuumpumpen

Die trockene Schrauben-Vakuumtechnologie ist in der Chemie und Pharmazie ebenfalls sehr verbreitet. Obwohl diese, verglichen mit der Flüssigkeitsringtechnik verhältnismäßig neu ist.
In den 1990-er Jahren brachte die Firma Dr.-Ing. K. Busch GmbH mit dem Typ COBRA AC die erste trockene Schrauben-Vakuumpumpe auf den Markt. Der große Unterschied zur zuvor beschriebenen Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe liegt darin, dass Schrauben-Vakuumpumpen (Fig. 3) keine Betriebsmittel zur Verdichtung des Prozessgases benötigen. Man spricht deshalb von der „trockenen" Schrauben-Vakuumpumpe.

Fig. 3: Schrauben-Vakuumpumpe COBRA NC

In einer Schrauben-Vakuumpumpe drehen sich zwei schraubenförmige Rotoren in entgegengesetzte Richtungen (Fig. 4). Das Prozessgas wird zwischen den einzelnen Schraubenwendeln eingeschlossen, verdichtet und zum Gasauslass transportiert. Die beiden Schraubenrotoren berühren sich beim Verdichtungsprozess weder gegenseitig, noch den Zylinder. Eine präzise Fertigung und kleinste Spalte zwischen den sich bewegenden Teilen ermöglichen dieses Funktionsprinzip und garantieren darüber hinaus einen niedrigen Enddruck von <0,1 mbar.

Fig. 4: Funktionsweise einer modernen Schrauben-Vakuumpumpe

Schrauben-Vakuumpumpen arbeiten mit einer Wasserkühlung, die für eine gleichmäßige Wärmeverteilung über den gesamten Pumpenkörper sorgt, sodass die thermische Stabilität während des ganzen Prozesses gewährleistet ist. Moderne Schrauben-Vakuumpumpen haben eine variable Steigung in den Schraubenwendeln, dadurch erfolgt eine Vorverdichtung des Prozessgases. Dies hat den Vorteil, dass sowohl Gastemperaturen als auch die Leistungsaufnahme der Vakuumpumpe deutlich gesenkt werden. Bei älteren Generationen von Schrauben-Vakuumpumpen ist die Steigung der Wendeln durchgehend gleich. Dies führt dazu, dass die Verdichtung des Prozessgases in der letzten halben Umdrehung der Schraube stattfindet und dort dadurch eine übermäßige Wärmelast erzeugt wird. Das Justieren einer idealen Betriebstemperatur durch die Wasserkühlung ist deshalb schwieriger. Grundsätzlich arbeiten trockene Schrauben-Vakuumpumpen bei höheren Temperaturen als Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen. Somit wird eine Kondensation von Bestandteilen des Prozessgases weitestgehend ausgeschlossen. Dadurch kann das Prozessgas durch die Vakuumpumpe gefördert werden, ohne dass es zur Kontamination oder Reaktion mit einem Betriebsmittel kommt. Als Werkstoff für alle medienberührten Teile wird standardmäßig Grauguss verwendet. Dieser ist unbehandelt oder mit speziellen Beschichtungen gegen nahezu alle Chemikalien beständig. Nach Prozessende empfiehlt sich die Spülung der Vakuumpumpe mit einer geeigneten Reinigungsflüssigkeit. Eine Spülung mit Stickstoff verhindert Korrosion und Ablagerungen während Stillstandzeiten.

Schrauben-Vakuumpumpen von Busch können mit verschiedenen Dichtungssystemen und unterschiedlichen Beschichtungen praktisch für jede Chemikalie kompatibel konfiguriert werden.

Vorteile von trockenen Schrauben-Vakuumpumpen:

  • Trockene Verdichtung, keine Kontamination oder Reaktion zwischen Prozessgas und Betriebsmittel möglich
  • Hohes Vakuumniveau
  • Energieeffizient
  • Durch Werkstoffauswahl und Temperaturregelung auf annähernd alle Prozessgase auszulegen


Nachteile von trockenen Schrauben-Vakuumpumpen:

  • Empfindlich gegen Partikeleintrag
  • Nicht einsetzbar bei Prozessgasen, die bei hohen Temperaturen zu Reaktionen neigen
  • Frischölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen
     

Frischölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen

Ölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen werden in vielen Bereichen seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Sie gehören heute zu den meist verwendeten mechanischen Vakuumpumpen in der Industrie. Speziell für die chemische und pharmazeutische Verfahrenstechnik hat die Firma Dr.-Ing. K. Busch GmbH schon in den 1960er-Jahren eine zweistufige, frischölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpe vom Typ Huckepack entwickelt. Diese Vakuumpumpe wurde von Busch stetig weiterentwickelt und erfreut sich auch heute in der Verfahrenstechnik durch ihre Robustheit großer Akzeptanz.

Fig. 5: Frischölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpe Huckepack

Huckepack Drehschieber-Vakuumpumpen (Fig. 5) haben gegenüber anderen Vakuumpumpen, die nach dem Drehschieberprinzip arbeiten drei wesentliche Unterscheidungsmerkmale:

  1. Es sind zwei Verdichtungsstufen übereinander angeordnet und miteinander verbunden. Das Prozessgas wird in der ersten Stufe vorverdichtet und in der anschließenden zweiten Stufe nachverdichtet. Dadurch wird ein niedriger Enddruck erreicht.
  2. Diese Vakuumpumpen sind frischölgeschmiert. Das bedeutet, dass das Betriebsmittel, Öl oder eine medienkompatible Flüssigkeit, dosiert in die Verdichtungsräume eingespritzt wird. Im Gegensatz dazu haben andere Drehschieber-Vakuumpumpen eine Ölumlaufschmierung.
  3. Huckepack Drehschieber-Vakuumpumpen sind wassergekühlt. Somit kann die Betriebstemperatur in einem bestimmten Bereich geregelt werden.


Huckepack Drehschieber-Vakuumpumpen sind rotierende Verdrängerpumpen, bei denen sich Schieber in Schlitzen in einem Rotor befinden, der sich exzentrisch in einem zylindrischen Gehäuse dreht. Durch die Drehbewegung des Rotors bewegen sich die Schieber durch die Fliehkraft aus den Schlitzen und berühren die Zylinderinnenwand. Dadurch entstehen Hohlräume unterschiedlichster Volumen, die wiederum die Saug- und Verdichtungswirkung erzeugen. Zur Verminderung der Reibung und besseren Abdichtung wird kontinuierlich Öl in den Verdichtungsraum im Zylinder gespritzt. Dieser Vorgang findet in beiden Verdichtungsstufen statt, bevor das Prozessgas, zusammen mit dem Betriebsmittel über den Auslass abgeführt wird und anschließend abgeschieden werden kann. Beide Stufen sind wassergekühlt. Versionen mit Wasser-Durchlauf- und -Umlauf sind verfügbar.

Fig. 6: Funktionsweise einer Drehschieber-Vakuumpumpe Huckepack

Da das Schmiermittel die Vakuumpumpe nur einmal durchströmt, können nahezu alle Flüssigkeiten mit einer Viskosität im Bereich von 150 Centistokes (cSt) verwendet werden. Diese spülen die Vakuumpumpe während des Betriebs permanent und schützen sie so vor Korrosion und Ablagerungen. Zur Beständigkeit gegen die meisten Lösungsmittel bietet Busch Schieber aus drei verschiedenen Werkstoffen an.

Vorteile der Huckepack Drehschieber-Vakuumpumpe:

  • Hohes Vakuumniveau
  • Äußerst robust und zuverlässig
  • Einfach zu warten
  • Besonders geeignet für die Förderung von Säuredämpfen und Monomeren oder Produkten, die bei anderen Vakuumtechnologien zur Polymerisation führen


Nachteile: Betriebsmittel muss behandelt, bzw. fachgerecht entsorgt werden

Quintessenz

Alle vorgestellten Technologien zur Vakuumerzeugung haben Vor- und Nachteile. Es gibt nicht die ideale Lösung für alle Anwendungsfälle, deshalb ist es wichtig, sich von einem Vakuumexperten beraten zu lassen. Dabei sollen alle wichtigen Parameter, angefangen bei den Prozessbedingungen, Prozessgasen, Einbindung in die Prozesssteuerung bis hin zur Betrachtung der Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Zuverlässigkeit der künftigen Vakuumerzeugung berücksichtigt werden. Das Ergebnis dieser Überlegungen wird in den meisten Fällen ein individuelles, direkt auf die Anforderungen zugeschnittenes Vakuumsystem sein.


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