Pumpen-Technologie -
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Zahnradpumpe für den Klimaschutz

Wenngleich der Titel etwas pathetisch anmuten mag, so ist doch das Polyol, das die Witte-Pumpe seit Kurzem fördert, ein absolutes Novum. Covestro ist es gelungen, Kohlendioxid als Baustein für die Polyolherstellung nutzbar zu machen und damit im ersten Schritt ca. 20% des Erdöls zu ersetzen.

Aber nicht nur das eigentliche Produkt, sondern auch die eingesetzte Zahnradpumpe – eine der Kernkomponenten der Anlage – ist eine Neuentwicklung.

Aufgabe

Die Anforderungen, die der neu entwickelte Prozess an das Equipment stellt, sind hoch: hoher Systemdruck, Gasanteile im Produkt, eine minimal zulässige Temperaturerhöhung sowie ein Spülvorgang mit Lösemitteln. Neben Sicherheitsaspekten und dem Anspruch an eine hermetische Abdichtung ist die Verwendung einer Magnetkupplung zwingend erforderlich, um einen zuverlässigen Pumpenbetrieb zu gewährleisten. Der saugseitig anliegende Druck würde bei Verwendung einer konventionellen Wellendichtung die Antriebswelle massiv axial belasten, da eine der Stirnseiten dem Systemdruck, die andere atmosphärischem Druck ausgesetzt ist. Die Verwendung eines metallischen Spalttopfes führt naturgemäß zur Generierung von Wirbelströmen und somit zu einem Wärmeeintrag in das Produkt. Da ein verlustfreier keramischer Spalttopf aus Festigkeitsgründen nicht in Betracht kam, galt es, die entstehende Wärme möglichst nah am Entstehungsort wirkungsvoll abzuführen. Zu diesem Zweck kommt ein doppelwandiger Spalttopf zum Einsatz, wie er sonst üblicherweise auch für die Beheizung von Magnetkupplungen verwendet wird. Der Spalttopf wurde zur Erhöhung der Wärmetauscheigenschaften leicht modifiziert. Die maßgebliche Neuerung ist jedoch in der eigentlichen Pumpe zu finden: Während die Pumpen sonst üblicherweise mit produktgeschmierten Gleitlagern ausgestattet sind, verfügt diese Pumpe über eine produktgeschmierte Wälzlagerung. Mit dieser Art der Lagerung können gleich drei der maßgeblichen Anforderungen abgedeckt werden.

 
Die Anforderungen, die der neu entwickelte Covestro-Prozess an das Equipment stellt, sind hoch: hoher Systemdruck, Gasanteile im Produkt, eine minimal zulässige Temperaturerhöhung sowie ein Spülvorgang mit Lösemitteln.

 
Das in der Pumpe eingesetzte Hybridlager besteht aus einem metallischen Innen- und Außenring und keramischen Wälzkörpern aus Siliziumnitrid.

Lösung

Anforderungen erfüllt
In Wälzlagern wird signifikant weniger Wärme generiert als in Gleitlagern vergleichbarer Größe. Dies ist an dieser Stelle ebenso entscheidend wie im Spalttopf der Magnetkupplung. Eine Temperaturerhöhung würde zu einem Ausgasen des CO2 und somit zu einer Entmischung führen. Unterstützt wird der geringe Wärmeeintrag durch die Geometrie der Pumpe, die hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrades entscheidend optimiert ist. Das bedeutet, nur ein geringer Teil der Antriebsenergie wird aufgrund von Reibungsverlusten in Wärmeenergie umgewandelt; ein maßgeblicher Vorteil dieses Pumpendesigns.

Trotz einer sorgfältigen Temperaturführung kann es in einzelnen Phasen vorkommen, dass sich Gasblasen im Produkt bilden. Bei der Verwendung von  mediengeschmierten Gleitlagern können derlei Gaspolster zu einem Abriss des hydrodynamischen Schmierfilmes und damit zu Festkörperreibung und Verschleiß, schlimmstenfalls sogar zum Ausfall führen.
Analog zu den Gaspolstern besteht auch bei der Verwendung von niedrigviskosen Lösemitteln die Gefahr eines nicht tragfähigen Schmierfilmes, insbesondere weil die Dimensionierung der Pumpe für diesen Betriebspunkt ungeeignet ist. Die Verwendung einer einzelnen Pumpe für einen derart breiten Viskositätsbereich ist mit Gleitlagern nicht ohne weiteres darstellbar.

Zuverlässige Lagertechnik
Wälzgelagerte Pumpen sind nicht unbedingt neuartig, das besondere hier ist jedoch die Verwendung von sogenannten Hybridlagern. Das heißt, es werden Wälzlager mit metallischem Innen- und Außenring und keramischen Wälzkörpern aus Siliziumnitrid (Si3, N4) eingesetzt. Diese Werkstoffkombination ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb auch bei Mangelschmierung, wie sie in den oben beschriebenen Anwendungsfällen auftreten kann.

Anders als bei öl- oder fettgeschmierten Wälzlagern ist bei der Verwendung von mediengeschmierten Hybridlagern keine aufwendige Abdichtung erforderlich, um einen Eintrag von Schmierstoff in das Medium – oder andersherum – zu vermeiden. Das Risiko einer Kontaminierung ist somit eliminiert, es kann eine, unter allen Betriebsbedingungen gleichbleibende Qualität des Produktes gewährleistet werden. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass natürlich auch außengelagerte Pumpen – das heißt Produktraum und Lagerung sind voneinander getrennt – ihre Berechtigung für verschiedene Anwendungen haben, beispielsweise wenn das Produkt in den Lagern beschädigt würde.

Die hier verwendete Pumpengröße ist ohne weiteres skalierbar, alle erforderlichen Komponenten können auch für deutlich größere und ggf. auch kleinere Pumpen angeboten werden. Einer Ausweitung der Produktion dieses Produktes durch Covestro steht seitens der Prozesspumpe also nichts im Wege.

Technik

Hersteller: WITTE PUMPS & TECHNOLOGY GmbH

Pumpe CHEM 2223-140-210
Medium Polyether mit Gasblasen
Fördermenge Max. 667 l/min
Systemdruck 80 bar

 

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