Microchem: Pulsationsfreie Kreiselpumpe von KSB

In Zusammenarbeit mit Partnern aus der chemischen Industrie entwickelte KSB mit der „Microchem“ eine pulsationsfrei arbeitende Pumpe zur sicheren Förderung von Kleinstmengen auf Basis einer Kreiselpumpe (Abb.1). In Kombination mit einer Regelungseinheit kann ein Förderstrombereich von 1 – 5.000 ml/min bei bis zu 25 bar Förderdruck eingestellt werden. Der ungewöhnlich große Betriebsbereich in Kombination mit den prinzipbedingten Vorteilen eröffnet den Anwendern in der Mikroverfahrenstechnik sowie der kontinuierlichen Prozessführung im Allgemeinen neue Lösungswege. Da eine Baugröße das gesamte Kennfeld abdeckt, kann eine Pumpe in Labor, Technikum und Produktion eingesetzt werden. Daraus resultierend entfallen die üblichen „Scale-up“-Probleme während der Prozessentwicklung. Durch ihren Automationsanteil steht die „Microchem“ für einen einfachen und sicheren Umgang bei gleichzeitig hoher Benutzerfreundlichkeit.

Die kontinuierliche Prozessführung stellt besondere Anforderungen an eine Pumpe:

• Pulsationsfrei
• Robust und zuverlässig
• Chemische Beständigkeit
• Einfach reinigbar (CIP-fähig)
• Volumenstrom präzise einstellbar
• Kleines Füllvolumen
• Servicefreundlich
• Einfache Systemintegration
• Geeignet für Dauerbetrieb

Die benötigten Fördermengen reichen von wenigen Gramm pro Minute bis zu einigen 100 kg/h. Der Förderdruck liegt bei bis zu 25 bar. Aufgrund dieser Anforderung setzen die Betreiber heute hierfür eine Vielzahl unterschiedlicher Verdrängerpumpen ein. Diese erfüllen jedoch nicht alle Anforderungen der kontinuierlichen Prozessführung zufriedenstellend. Besonders die Schwankungen des Volumenstromes infolge von Pulsation stellen ein Problem bei der Verwendung von Verdrängerpumpen dar.

Aufgrund der kleinen Reaktionsvolumina innerhalb mikrostrukturierter Komponenten hat dies einen negativen Effekt auf die Steuer- und Kontrollierbarkeit des Prozesses und damit auf die Qualität des Endproduktes. Manche Reaktionen sind aufgrund dieser Pulsation technisch auch gar nicht realisierbar. Die bei Verdrängerpumpen prinzipbedingt auftretende Pulsation kann, wenn überhaupt, nur mit großem technischen Aufwand begrenzt werden.

Üblicherweise versucht man die Pulsation bei Membran- oder Kolbenpumpen durch Einsatz von Pulsationsdämpfern oder mehrköpfigen Ausführungen zur mindern. Pulsationsdämpfer erschweren die Spülbarkeit der Anlage jedoch erheblich und schränken damit den Einsatz als „Multi-Purpose“- Anlage ein. Außerdem sind die prinzipbedingten Vorteile der Mikroverfahrenstechnik basierend auf kleinem Füllvolumen stark eingeschränkt. Gleiches gilt bei der Verwendung von mehrköpfigen Pumpen. Hinzu kommt ein höherer Materialeinsatz von teuren, hochwertigen Werkstoffen. In Kombination mit ihrer aufwändigen Konstruktion, ist diese Ausführung kostenintensiv sowohl in der Anschaffung als auch in der Wartung. Mehrköpfige Ausführungen sind wegen ihrer größeren Volumenströme zudem nur bedingt für den Einsatz im Labor geeignet.

Andere Typen von Verdrängerpumpen wie Zahnradpumpen, die aufgrund ihrer Bauweise eine geringere Pulsation haben, sind in der Praxis oft sehr störanfällig. Verursacht wird dies durch die für den Druckaufbau notwendigen passgenauen Geometrien. Bereits kleinste Partikel im Fördermedium können zum Blockieren und damit zum Ausfall führen. Die in der chemischen Industrie häufig zum Einsatz kommenden Lösungsmittel führen zu weiteren Problemen. Ihr schlechtes Schmierverhalten führt zu schnellem Verschleiß der aufeinander abrollenden Zahnräder. Zusätzlich schränkt die geringe Viskosität der Lösungsmittel den Druckaufbau infolge interner Leckageverluste zwischen den Zahnrädern stark ein.

Pulsationsarme HPLC- und Spritzenpumpen sind aufgrund ihrer kleinen Fördermengen und ihres sehr geringen Förderstrombereich nur für den Laborbetrieb geeignet. In Technikum oder Produktion sind diese Pumpen meist nicht in der Lage, die geforderten Standzeiten und die damit verbundene Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb zu erfüllen.

Kreiselpumpe fördert pulsationsfrei

Um die Anforderungen an eine Pumpe für die kontinuierliche Prozesstechnik zu erfüllen, entwickelte KSB zusammen mit der chemischen Industrie und Spezialisten aus dem Bereich Mikroverfahrenstechnik eine neuartige Pumpe mit einer speziell angepassten Regelung. Anders als die heute in der kontinuierlichen Prozesstechnik verwendeten Verdrängerpumpen ist die Microchem als Kreiselpumpe ausgeführt. Hierdurch erfüllt sie bereits prinzipbedingt den größten Teil der gestellten Anforderungen, insbesondere die nach Pulsationsfreiheit. Die Herausforderung in der Entwicklung bestand darin, das Prinzip auf kleine Förderströme und vergleichsweise hohe Drücke auszuweite.

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 kleinen Volumenströmen erreicht man aber nur Förderhöhen von circa 10 m. Diese sind für die Mikroverfahrenstechnik nicht ausreichend. Aggregate mit einer größeren Förderhöhe haben hydraulisch bedingt einen größeren Volumenstrom. Diese Einschränkung des Kennfeldes macht den Einsatz konventioneller Kreiselpumpen, trotz überlegener Vorteile, nicht möglich. Die Microchem vereint neue Ansätze und innovative Details. Die Verwendbarkeit als Kleinstmengenförderpumpe erreichte man in erster Linie durch eine extreme Verkleinerung des Laufrades und einer deutlichen Drehzahlanhebung. 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 Erstreckung ist das Laufrad auf einen zuverlässigen hohen Druckaufbau ausgelegt. Die Hydraulik der Microchem ist 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, wurde als Antrieb ein geregelter ECMotor gewählt. Dieser hochdynamisch regelbare Antrieb erlaubt ein Drehzahlspektrum von wenigen hundert bis mehreren 1.000 Umdrehungen pro Minute. Außerdem ist durch diesen Motortyp eine sehr genaue Ansteuerung einer bestimmten Drehzahl möglich, und er verfügt über eine hohe Drehzahlstabilität. Das sorgt für einen präzisen und konstanten Förderstrom. Pumpenregelung: Bedienkomfort mit Präzision Die an der Entwicklung beteiligten Anwender legten nicht nur Wert auf eine Druckerhöhung des Fördermediums, sondern auch auf die Möglichkeit, den gewünschten Förderstrom präzise und einfach einzustellen.

Die Microchem Control Unit bietet neben der für die Ansteuerung des EC-Motors notwendigen Elektronik eine integrierte Regelung. Der integrierte Regelalgorithmus sorgt in Kombination mit dem exakt regelbaren Antrieb und einem externen Durchflussmesser für eine hohe Genauigkeit bei der Einstellung und Einhaltung eines Volumenstromes innerhalb des Pumpenkennfeldes. Als Durchflussmessung sind die jeweils kundenspezifisch verwendeten Geräte geeignet. Im Gegensatz zu einer konventionellen Kreiselpumpe wird der Volumenstrom nicht über eine Drosselung, sondern ausschließlich über Drehzahlveränderung eingestellt. Eine Regelarmatur entfällt.

Die Control Unit ist für eine einfache und unkomplizierte Handhabung ausgelegt. Der Anwender benötigt keine Kenntnisse über Pumpen- oder Anlagenkennlinie, die erforderliche Drehzahl oder den genauen Betriebspunkt. Nach Eingabe des gewünschten Volumenstromes stellt die Microchem selbstständig den geeigneten Betriebspunkt innerhalb ihres Kennfeldes ein.

Flexibel im Labor

Für den Betrieb im Labor ist neben den kleinen Volumenströmen das geringe Füllvolumen der Pumpe von Vorteil. Während klassische Kreiselpumpen für die Verfahrenstechnik ein Füllvolumen von mehreren 100 ml bis zu mehreren Litern haben, beträgt das der Microchem circa 5 ml. Dieses kleine Füllvolumen ermöglicht die Arbeit mit minimalem Einsatz an Edukt. Zudem ist die Pumpe „CIP“- fähig. So kann sie mit wenig Spülmedium und minimalem Verlust an Edukt in kurzer Zeit gereinigt werden. Als Werkstoff kommt für die vom Fördermedium berührten metallischen Bauteile der chemisch resistente Edelstahl 1.4571 oder wahlweise Hastelloy C zum Einsatz. Die statischen Dichtungen sind aus hochwertigem Kalrez Spectrum ausgeführt.

Zuverlässig in der Produktion

Die Microchem ist für den Dauerbetrieb in Produktionsanlagen ausgelegt. Dies spiegelt sich in der Ausführung der Einzelkomponenten und einer robusten Bauweise wider. Die Funktion des Aggregates ist nicht abhängig von empfindlichen oder verschleißanfälligen geometrisch passgenauen Konturen. Im Fördermedium enthaltene Partikel wie Kristalle oder Verschmutzungen führen nicht zum sofortigen Ausfall der Pumpe. Aufgrund ihres großen Kennfeldes und ihrer guten „CIP“-Fähigkeit eignet sich die Pumpe besonders für den Einsatz in „Multi-Purpose“-Anlagen. Eine optional erhältliche Wellendichtung in „Quench“- Ausführung erlaubt das Fördern von gefährlichen oder giftigen Medien. Ebenso senkt das kleine Füllvolumen der Pumpe das potentielle Sicherheitsrisiko innerhalb einer Anlage.

Kein unzulässiger Überdruck durch Betriebsstörung

Verdrängerpumpen bauen im Falle eines Verblockens der druckführenden Leitung so lange Druck auf, bis die mechanisch schwächste Komponente zerstört wird und das Fördermedium austritt. Im Gegensatz dazu steigt der Förderdruck aufgrund des Förderprinzips bei der „Microchem“ während einer Blockade auf der Druckseite nur geringfügig an. Die Microchem Control Unit führt den Druck nur bis zum maximalen Betriebsdruck beziehungsweise einem individuell einstellbaren Maximaldruck nach, um den vorgegebenen Volumenstrom möglichst zu halten. Bleibt die Versperrung bestehen, findet keine weitere statt. Es wird kein Überdruckventil benötigt. Die Anschaffung, Wartung und regelmäßige Prüfung von zusätzlichen sicherheitsrelevanten Komponenten entfällt somit.

Fördermedium richtig temperieren

Zur Förderung von Medien mit hohem Schmelzpunkt oder mit niedrigem Siedepunkt ist eine Fluid-Temperierung in die Pumpe integriert. Durch Anschluss eines Thermo- oder Kryostaten kann der Betreiber die Temperatur des Fördermediums in der Pumpe einstellen. In der Standardausführung ist die Pumpe in der Lage, Medien in einem Temperaturbereich von – 10 °C bis +100 °C zu fördern. Um sicherzustellen, dass sich innerhalb der zu fördernden Flüssigkeit eine homogene Temperaturverteilung einstellt, sind Temperierräume an der Vorder- sowie Rückseite des Pumpenraumes angeordnet. Diese sind räumlich durch jeweils eigene Anschlüsse voneinander getrennt. So kann die zu fördernde Chemikalie zu keinem Zeitpunkt in Kontakt mit dem Temperiermedium kommen. Dies gilt auch für Wartungsund Inspektionsarbeiten.

Einfache Wartung und Inspektion

Der Zugang zum Pumpenraum ist in einem einzigen Arbeitsschritt durch Lösen von vier Schrauben möglich. Das Laufrad lässt sich in einem zweiten Schritt durch Herausdrehen sehr einfach demontieren. So kann der Anwender die Pumpe schnell sowie unkompliziert inspizieren und bei Bedarf alle fluidberührten Teile mechanisch oder im Ultraschallbad reinigen.

Einbindung in jede Arbeitsumgebung

Eine automatische Benutzerführung zur Abstimmung der Microchem an die jeweilige Arbeitsumgebung gewährleistet die einfache Anbindung bei verschiedenen Anforderungen in Labor, Technikum und Produktion. Gängige M12-Verbindungsstecker für alle elektrischen Anschlüsse machen Fachpersonal bei der Aufstellung und Installation nicht erforderlich. Die individuelle Abstimmung auf jede Anlage erfolgt über ein automatisches Adaptionsverfahren. Lediglich mit einer Volumenstrommessung verbunden arbeitet die Microchem im „Stand-alone“-Betrieb. Der Anwender kann direkt den gewünschten Förderstrom über das integrierte Bedienpanel vorgeben. Es ist keine übergeordnete Prozessleittechnik notwendig. In automatisierten Anlagen oder Prozessen kann die Microchem über Analogsignale, „ModBus“ oder „Profibus DP“ von einer übergeordneten Prozessleittechnik angesteuert werden. Der Grad der Systemintegration kann frei gewählt werden. Er reicht von externer Vorgabe eines Sollvolumenstromes bis hin zur Vorgabe des Drehzahlsollwertes. Entsprechend liegt die Volumenstromregelung bei der „Microchem Control Unit“ oder bei einer übergeordneten kundenspezifischen Automation.