Mit nur einer einzigen Baugröße der neuen Kreiselpumpe Microchem will KSB einen Förderstrombereich von 1 bis 5000 ml/min abdecken. Der Bediener wählt den Volumenstrom einfach am Regelgerät. Robust gebaut, lässt sich die Mikrochem im eingebauten Zustand reinigen.
Mit einer Spezialpumpe will die KSB AG, Frankenthal, der Mikroverfahrenstechnik neue Potenziale erschließen. Die neue Kreiselpumpe Microchem arbeite gegenüber den sonst üblichen Kolbenpumpen selbst bei Kleinstfördermengen pulsationsfrei, berichtet Prof. Dieter-Heinz Hellmann, Vorstand für Forschung und Entwicklung bei KSB. „Der Förderstrom lässt sich flexibel einstellen, und selbst bei kleinen Mengen wird eine große Förderhöhe in einem breiten Betriebsbereich erreicht.“ Die Pulsationsfreiheit ist für eine kontinuierliche Prozessführung – gerade in der Mikroverfahrenstechnik mit ihren kleinen Reaktionsvolumina – von hoher Bedeutung. Die Fördermengen reichen von wenigen Gramm pro Minute bis zu einigen 100 kg/h, der Förderdruck liegt bei bis zu 25 bar.
„Wir können nun Prozesse fahren, die bislang nicht umsetzbar waren“, ergänzt Dr. Bernd Werner von der Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM) GmbH. Mit der neuen Kreiselpumpe seien nun auch sehr schnelle Reaktionen zu beherrschen, bei denen beispielsweise das Mischen aufgrund instabiler Zwischenprodukte nicht möglich war. „Hier sorgten die Kolbenpumpen mit ihren Pulsationen für einige Schwierigkeiten.“
Bei den bislang verwendeten Membran- oder Kolbenpumpen ließen sich zwar Pulsationserscheinungen durch den Einsatz von Pulsationsdämpfern oder mehrköpfigen Ausführungen mindern. Die Dämpfer erschwerten aber die Spülbarkeit der Anlage und schränkten damit den Einsatz als Mehrzweck-Anlage ein. Bei mehrköpfigen Pumpen führte der höhere Materialeinsatz von teuren, hochwertigen Werkstoffen zu Nachteilen. Andere Typen von Verdrängerpumpen, wie Zahnradpumpen, die aufgrund ihrer Bauweise eine geringere Pulsation haben, sind in der Praxis oft sehr störanfällig.
„Je kleiner der Prozess ist, je kleiner die Stoffströme, desto wichtiger ist die Pulsationsfreiheit“, bestätigt auch Axel Binder, bei KSB Projektleiter für die neue Kreiselpumpe. Die Pumpe müsse darüber hinaus aber weitere Forderungen erfüllen. Sie soll
- robust und zuverlässig sein (und damit den Dauerbetrieb ermöglichen),
- chemisch beständig sowie
- einfach zu reinigen – und zwar auch im eingebauten Zustand (CIP-fähig).
Die Frankenthaler entwickelten die neue Pumpe deswegen zusammen mit der chemischen Industrie und Spezialisten aus dem Bereich Mikroverfahrenstechnik. „Anders als die heute in der kontinuierlichen Prozesstechnik verwendeten Verdrängerpumpen ist die Microchem als Kreiselpumpe ausgeführt“, so Binder weiter. „Damit lassen sich die bislang genannten Aufgaben lösen.“ Die Kreiselpumpe erfülle bereits prinzipbedingt den größten Teil der gestellten Anforderungen, insbesondere die der Pulsationsfreiheit. „Die Herausforderung in der Entwicklung bestand darin, das Prinzip auf kleine Förderströme und vergleichsweise hohe Drücke auszuweiten.“
Die heute auf dem Markt befindlichen Kreiselpumpen können die geforderten Betriebspunkte hinsichtlich Druck und Volumenstrom nicht erreichen. Die geringsten Fördermengen liegen bei etwa 500 ml/min. „Bei diesen Volumenströmen erreicht man aber nur Förderhöhen von rund zehn Metern“, so der KSB-Projektleiter. Diese reichten für die Mikroverfahrenstechnik nicht aus. Aggregate mit größerer Förderhöhe haben dagegen hydraulisch bedingt einen größeren Volumenstrom. Diese Einschränkung des Kennfeldes macht den Einsatz konventioneller Kreiselpumpen, trotz überlegener Vorteile, nicht möglich.
„Die Microchem erreicht ihre Eignung als Kleinstmengenförderpumpe in erster Linie durch eine extreme Verkleinerung des Laufrades und eine deutliche Drehzahlanhebung“, fährt Binder fort. Die Bauart des Laufrades ist auf pulsationsfreie Förderung hin optimiert. Aufgrund der sehr kleinen Fördermengen der Pumpe ergeben sich niedrige Fließgeschwindigkeiten innerhalb des Laufrades. Mit seiner geringen radialen Ausdehnung ist das Laufrad zudem auf einen zuverlässig hohen Druckaufbau ausgelegt. Die Hydraulik der neuen Kreiselpumpe hat KSB nicht wie üblich auf einen optimalen Betriebspunkt hin entwickelt, sondern auf ein möglichst großes Kennfeld.
Um den Betriebsbereich nicht nur hinsichtlich des Volumenstromes, sondern auch hinsichtlich der Förderhöhen sehr groß zu gestalten, kommt ein hochdynamisch regelbarer Antrieb zum Einsatz, der ein Drehzahlspektrum von wenigen hundert bis hin zu mehreren 1000 min-1 erlaubt. Die „Microchem Control Unit“ bietet neben der für die Ansteuerung des Motors notwendigen Elektronik zudem eine integrierte Regelung. Deren Regelalgorithmus sorgt nach Angaben der Frankenthaler in Kombination mit dem exakt regelbaren Antrieb und einem externen Durchflussmesser für eine hohe Genauigkeit bei der Einstellung und Einhaltung des Volumenstromes innerhalb des Pumpenkennfeldes. Im Gegensatz zu einer konventionellen Kreiselpumpe wird der Volumenstrom nicht über eine Drosselung, sondern ausschließlich über die Drehzahlveränderung eingestellt. Eine Regelarmatur entfällt damit. Für die Bedienung benötigt der Anwender keine Kenntnisse über Pumpen- oder Anlagenkennlinie, die erforderliche Drehzahl oder den genauen Betriebspunkt. Nach Eingabe des gewünschten Volumenstromes wird selbstständig der geeignete Betriebspunkt innerhalb des Kennfeldes eingestellt.
Michael Corban Fachjournalist in Nufringen
Neue Technologien
Mit einer kontinuierlichen Prozessführung verbessert sich insbesondere in der Mikroverfahrenstechnik die Anlagensicherheit: Nun lassen sich sehr kleine Volumina pulsationsfrei fördern. Die Verfahrenstechniker erhalten mehr Spielraum, insbesondere auch bei kritischen Prozessen. Nicht zuletzt lässt sich auch die Produktausbeute steigern.
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