News

Kategorien

Alle SPA & Member PUMPselector Technologien Branchen Ergänzendes

Kunststoffpumpen in der Chlor-Alkali-Elektrolyse


Kunststoffpumpen in der Chlor-Alkali-Elektrolyse

Eine magnetgekuppelte Kunststoffkreiselpumpe mit Vollkunststoffgehäuse von MUNSCH. (Grafiken: Fa. MUNSCH)

 

Verfahrenstechnische Anlagen ohne Kunststoffpumpen sind heute kaum mehr vorstellbar. Dabei ist das Einsatzgebiet von Kunststoffkreiselpumpen schon lange nicht mehr auf Dosieranwendungen oder kleine Förderströme begrenzt, sondern ist vergleichbar mit dem ihrer Artverwandten aus Metall. In der Chlorproduktion bestehen sehr strenge Anforderungen an die Sicherheit von Maschinen zum Schutz von Menschen, Umwelt und Anlagen. Alle Maschinen, die in Chlor-Alkali-Elektrolysen zum Einsatz kommen, müssen diese Anforderungen zuverlässig erfüllen. Lesen Sie, warum Kunststoffpumpen diese Anwendung erobert haben und worauf es bei der Auswahl einer Kunststoffpumpe ankommt.
 

Reinstmetalle für hohe Ansprüche

Die Korrosivität der in der Chlorherstellung vorkommenden Fluide, sowie die besonderen Reinheitsanforderungen an die Stoffströme haben es den Herstellern von Anlagenkomponenten niemals leicht gemacht. Zudem sind Bereiche, in denen freies (feuchtes) Chlor vorkommt metallisch nur mit reinem oder Palladium-stabilisiertem Titan realisierbar. Die hiermit verbundenen Einschränkungen sind keineswegs nur ökonomischer Natur. Die Vorhaltung und Verarbeitung dieser Materialien erfordert, neben dem hohen Kapitaleinsatz, eine hohe Spezialisierung und Pumpenhersteller in dieser Kategorie sind rar.
 

Furcht vor Verunreinigungen

Dass voll-fluorierte Kunststoffe (zum Beispiel PTFE oder PFA) in den chlorhaltigen Fluiden der Elektrolyseure beständig sind, ist seit jeher Bekannt, schließlich bestehen ja die Membranen selbst zum Teil aus diesem Material. Allein das Risiko, dass bei der Verwendung von Pumpen aus diesen Materialien beispielsweise Chlorionen hinaus und Eisenionen aus der Pumpengrundkonstruktion in das Medium hineinwandern  könnten oder bei einem Schadensereignis an der Pumpe freigelegte Metallteile  erhebliche Mengen an Eisen freigeben und damit die Funktion der Kathode einschränken, verhinderte lange Zeit den Einsatz von Kunststoffpumpen in den sensiblen Bereichen der Chlorproduktion. Stattdessen kamen Pumpen aus reinem Titan oder reinem Nickel zum Einsatz.
 

Konzepte von Kunststoffkreiselpumpen

Die reduzierte Verfügbarkeit von Reinmetallpumpen – Titan auf der Anolytseite, Reinnickel auf der Katholytseite – volatile Preise und sehr lange Lieferzeiten einerseits, aber auch die fortgeschrittene Entwicklung hochwertiger Kreiselpumpen aus Fluorkunststoff andererseits, haben dazu geführt, dass die Stoffströme heute in einer großen Anzahl von Chlor-Alkali-Elektrolysen von Kunststoffpumpen bewegt werden. Diese Pumpen erfüllen in aller Regel die in der chemischen Industrie üblichen Standards (u.a. ISO5199, ISO2858, ISO15783) und weisen dabei auch geeignete Abdichtungs- und Sicherheitskonzepte auf.

Dabei verfolgen einige Hersteller das Konzept der Kunststoffauskleidung, bei dem der verflüssigte Kunststoff (meist PFA) in die gusseiserne Außenhülle des jeweiligen Bauteils extrudiert wird und sich mit diesem mechanisch verklammert. Die Herstellungsmethode ist vor allem aus Sicht der Hersteller vorteilhaft, da sie ausgesprochen effizient, platz- und materialsparend abläuft. Die Auskleidungsstärken bewegen sich bei diesen Pumpen in der Regel jedoch im Millimeterbereich.

Andere Hersteller haben hingegen Konzepte entwickelt, bei denen die Hauptkomponenten der Pumpe aus Vollkunststoff gefertigt werden. Im Wesentlichen unterscheiden sich diese Bauteile dadurch, dass sie sehr dickwandig und massiv sind und hierdurch als formstabiles Einzelteil vorliegen. Wandstärken im Zentimeterbereich sind hier die Norm. Auch diese Vollkunststoffpumpen werden in der Regel mit einem metallischen Außenpanzer versehen, der die Druckfestigkeit, auch bei hohen Temperaturen sicherstellt. Wozu Wandstärke gut ist?
 

Mehr Sicherheit gegen Permeation

Bei Fluiden, in denen elementares Chlor enthalten ist, spielt die Dicke des verwendeten Fluorkunststoffes eine wesentliche Rolle, da sowohl Chlor als auch Wasserdampf das Material durchwandern und zwar unabhängig von der Art des verwendeten Fluorpolymers. Die Permeationsgeschwindigkeit wird dabei im Wesentlichen von der Fluidtemperatur und dem Druck in der Pumpe bestimmt, beides Parameter, die in der Alkalichlorid-Elektrolyse prozessbedingt nicht verhandelbar sind. Zur Vermeidung von Korrosionsschäden an den metallischen Außenkomponenten der Pumpen und ggf. Folgeschäden und Kontamination der Anlage ist daher einzig die Wandstärke des Fluorpolymers maßgebend. In der Literatur finden sich kaum Angaben oder Empfehlungen zur Wandstärke von Pumpen, die elementarem Chlor ausgesetzt sind; auch sind die Druckverhältnisse innerhalb einer Kreiselpumpe keineswegs konstant und homogen verteilt, was derlei Beurteilungen weiter erschwert. Erfahrungen mit Anloyt- oder Katholytpumpen zeigen jedoch, dass bei PFA-Wandstärken deutlich oberhalb von 6-7 mm in normalen Betriebszyklen (2-3 Jahre Dauerbetrieb) keine Korrosion an außen liegenden Teilen auftritt.
 

Dichtungskonzepte · Sicherheitskonzepte

Als sichere Abdichtungskonzepte für Zentrifugalpumpen haben sich im Bereich der Chlor-Alkalielektrolysen Gleitringdichtungen und Magnetkupplungen etabliert. Dabei lässt sich feststellen, dass in Bezug auf die Betriebssicherheit beide Systeme als sicher bezeichnet werden können. Eine Aussage darüber, welches Abdichtungssystem das bessere oder geeignetere ist, lässt sich keinesfalls pauschal treffen. Grundsätzliche Kenntnisse über den Aufbau und die Funktion sowie die betrieblichen Erfordernisse des jeweiligen Dichtungssystems erleichtern aber die Auswahl erheblich. Ein paar relevante Stichpunkte, über die es sich ggf. nachzudenken lohnt, sind:

Die Größe der Pumpe: Metallfreie Pumpen mit Magnetantrieb sind am Markt für Volumenströme bis zu 600 m³/h verfügbar. Allein reduziert sich die Anzahl der Anbieter für derart große Pumpen erheblich, was im Hinblick auf die Versorgungssicherheit und Instandhaltung zu bedenken ist. Auch wenn bekanntermaßen die Investitionskosten den geringsten Anteil an den Gesamtkosten einer Pumpe ausmachen, spielen sie in der Regel doch eine Rolle, denn Investitions- und Wartungsbudgets kennen Grenzen. Die Übertragung von Leistungen im Bereich von 50 bis 150 kW erfordert enorme Magnetkräfte, die sich in ebensolcher Weise auf den Preis der Maschine auswirken. Pumpen mit Gleitringdichtungen liegen im Preisvergleich deutlich darunter und sind auch für weitaus größere Volumenströme verfügbar, wobei die Anzahl von Anbietern hier geringfügig größer ist.

Der Betrieb von Gleitringdichtungen: Für gefährliche Fluide, wie chlorgesättigte Sole, kommen ausschließlich doppeltwirkende Gleitringdichtungen zum Einsatz. Dabei handelt es sich prinzipiell um zwei vollständige dynamische Dichtungen auf einer gemeinsamen Welle, in deren Zwischenraum eine unter Druck stehende Sperrflüssigkeit zirkuliert. Ist eine der beiden Dichtungen defekt, gerät entweder Sperrmedium in den Produktkreislauf oder nach außen, der Austritt von Fördermedium selbst ist jedoch ausgeschlossen. Sie ahnen es bereits – die Zirkulation von Sperrflüssigkeit will gut organisiert und abgesichert sein, sonst kann für die Sicherheit nicht garantiert werden. Der apparative Aufwand umfasst bei der Gleitringdichtung eben nicht allein die Pumpe, sondern auch ein Versorgungs- und Absicherungskonzept. Auch muss das Betriebspersonal im Umgang mit derlei Versorgungssystemen (zum Beispiel Thermosyphonsysteme) erfahren sein.

Schadensverhalten von Pumpen: Kreiselpumpen, egal mit welchem Dichtungskonzept, lassen sich in vielen Fällen gegen Schäden absichern. Allein, so erleben es die Pumpenhersteller täglich, passiert dies nicht immer oder im nicht im ausreichenden Maße. Während mangelgeschmierte oder trockene Gleitringdichtungen aufgrund ihrer massiven Hitzeentwicklung schon empfindliche Schäden am umliegenden Kunststoff hinterlassen, erleben Magnetkupplungspumpen im gleichen Szenario oft einen wirtschaftlichen Totalschaden. Gerade wenn die Kosten für eine Neubeschaffung im Bereich eines stattlichen Mittelklasse-PKW liegen, ist die Maschinenabsicherung also immer einen Gedanken wert.
 

Modulare, mitwachsende Pumpenkonzepte

Die Entscheidung darüber, welches Dichtungskonzept an welcher Position am geeignetsten ist, sollte demnach immer an den Gegebenheiten, den Erfahrungen und Präferenzen vor Ort festgemacht werden. Pumpenhersteller bieten mitunter sehr flexible, modulare Konzepte an, aus gleichen Komponenten und standardisierten Grundkonstruktionen. Das hilft vor allem dann, wenn die Chlorkapazitäten flexibel oder zu einem späteren Zeitpunkt dem Bedarf angepasst werden müssen.

Zu besten Lösungen gelangt man dann, wenn Prozess-Experten, Pumpenlieferant, Betreiber und Instandhalter sich interaktiv und offen über jede einzelne Position austauschen. Dabei stellen die Beteiligten oft fest, dass eine Absicherung der Pumpe bereits im Anlagenkonzept vorhanden war, aber nicht als solche genutzt wurde.
 

Das war früher anders

Kunststoffpumpen sind alles andere als zimperlich. Für den Fall einer Zirkulationspumpe für heiße Natronlauge (180°C in der Eindampfanlage) wurde beispielsweise eine besonders robuste Magnetkupplungspumpe auf PFA eingesetzt, für die mit dem Betreiber und Instandhalter besondere Regeln zur Überprüfung und Reinigung vereinbart wurden. Pumpen mit Magnetkupplung waren an dieser Einsatzstelle bis dahin tabu, da magnetische Partikel im Fördermedium als Risiko für die Magnetkupplung galten. So kamen vormals ausschließlich Pumpen mit Gleitringdichtung aus Reinnickel zum Einsatz, die im Laufe der Jahre zu einem unkalkulierbaren Instandhaltungsrisiko (Beschaffungssituation) wurden. Aufgrund der engen Abstimmung mit dem Betreiber und guten der Überwachung der Pumpenparameter wurde diese schwierige Pumpe von Beginn an ohne Ausfälle betrieben.

Kreiselpumpen aus Kunststoff haben sich einen festen Platz in den sehr anspruchsvollen Anwendungen der Chlorherstellung erarbeitet. Dabei sind sie nicht allein korrosionsfest und entsprechen gängigen Sicherheitsanforderungen; auch dort, wo feste Verunreinigungen oder gar leichte Schlämme gefördert werden, erzielen Kunststoffpumpen (zum Beispiel aus Vollkunststoff) teils überragende Standzeiten – eine Stärke, die oftmals nicht mit dem Begriff Kunststoff assoziiert wird.

Munsch Kreiselpumpen aus Vollkunststoffen sind in unterschiedlichsten Varianten mit Gleitringdichtungen und Magnetkupplungen in vielen Chlorproduktionen erfolgreich vertreten. Der Kunststoffspezialist aus dem Westerwald hat dabei gelernt, dass Sicherheit und Zuverlässigkeit immer auch das Ergebnis einer engen Kooperation mit Anlagenplanern und –betreibern ist und den Aufwand für Qualifizierung und Qualität rechtfertigt. Gemeinsam mit den Mitgliedern der Star Pump Alliance hat das Unternehmen nun einen noch umfangreicheren Lösungsbaukasten zu bieten.

 

Seite teilen