Diese Polymeraustrags-Zahnradpumpen fördern das hochviskose Polymer unter Vakuumbedingungen und bei hohen Temperaturen aus dem „Finisher“. Das Vakuum im Finisher dient dazu, leichtflüchtige Lösemittel aus der Polymerschmelze abzutrennen. Für diese Förderaufgabe sind Polymeraustrags-Zahnradpumpen ausgelegt und weisen daher einige Besonderheiten auf. Damit die Polymerschmelze überhaupt gefördert werden kann, muss sie trotz Vakuumbedingungen und der hohen Viskosität erst einmal kavitationsfrei in die Pumpe gelangen. Gemäß dem Hagen-Poiseuillschen Gesetz ist der Druckverlust linear proportional zur Einlaufstrecke und umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Durchmessers. Aus diesem Grund sollte der Saugflansch daher so groß wie möglich ausgeführt werden. Ein zusätzlich strömungsoptimierter Saugflansch und seitlich neben den Zahnrädern angeordnete Einlaufkeile helfen, der Schmelze das Fließen in die Zahnzwischenräume zu ermöglichen. Diese Einlaufkeile, auch Kompressionszonen genannt, bewirken, dass die Fläche, an der das Polymer in die Zahnzwischenräume eindringen kann, wesentlich vergrößert wird und ein besserer Füllgrad der Zahnzwischenräume erreicht wird.

Die in Bild 1 dargestellte Pumpe hat ein spezifisches Fördervolumen von 12000cm3 pro Umdrehung. Mit Austragspumpen dieser Größe können zum Beispiel bis zu 21000kg/h PET mit einer Viskosität von 350Pas oder bis zu 8500kg/h PS mit einer maximalen Viskosität von 4000Pas gefördert werden.

Augen auf bei der Werkstoffwahl

Für extrem hochviskose oder schäumende Medien bieten sich Low-NPSH-Polymeraustrags-Zahnradpumpen an. Wie in Bild 2 zu sehen ist, verfügt diese Pumpe über keinen eigenen Saugflansch. Mit Hilfe von Dehnschrauben wird das Pumpengehäuse zwischen dem Reaktoraustrittsflansch und der Flanschplatte fixiert. Durch die rechteckige Form ergibt sich die größtmögliche Querschnittsfläche am Pumpeneintritt. Das Polymer kann senkrecht und ohne Querschnittsveränderungen aus dem Reaktor in die Pumpe fließen.

Die richtige Werkstoffauswahl ist nicht nur bei diesem Zahnradpumpentyp entscheidend für den sicheren und zuverlässigen Betrieb. Für einen wirtschaftlichen Betrieb werden Polymeranlagen üblicherweise vier bis fünf Jahre ohne Unterbrechung betrieben, jeder Stillstand hat enorme Produktionsausfallkosten zur Folge. Bei dem Gehäusewerkstoff hat sich vor allem der rostfreie Chromstahl 1.4313 durchgesetzt. Neben sehr guten Schweißeigenschaften zeichnet sich dieser Edelstahl vor allem durch eine wesentlich höhere Zugfestigkeit im Vergleich zum 1.4571 aus. Dies ist insbesondere von Bedeutung, da das Pumpengehäuse die Kräfte und Momente des Reaktors und der Rohrleitungen aufnehmen muss und sich dabei nicht verformen darf. Hinzu kommt, dass der spezifische Wärmeausdehnungskoeffizient von 1.4313 bei einer Temperatur von 300°C mit k=12,0·10-6mm/mmK deutlich niedriger ist als von 1.4571 (k=18,5·10-6mm/mmK). Diese werkstoffbedingte Reduzierung der Betriebsspiele wirkt sich signifikant auf den Wirkungsgrad der Pumpe aus.
Verschleißfestigkeit und Beständigkeit sind für die Auswahl des Zahnradwerkstoffs maßgeblich, um den gewaltigen Belastungen im Betrieb gerecht zu werden. Daher werden entweder nitrierte Werkzeugstähle wie beispielsweise der 1.2344 oder Nitrierstähle wie der 1.8550 eingesetzt. Die getriebene Welle wird beim Ineinandergreifen der Zähne von der Antriebswelle mitbewegt, die Übertragung des Drehmoments erfolgt dabei einzig über die Zahnflanken der beiden Wellen. Bei dem zuvor erwähnten Beispiel für PET wird beispielsweise ein Antriebsdrehmoment von 37000Nm benötigt, bei dem Beispiel für Polystyrol sind es sogar 60000Nm. Durch den von der Pumpe aufgebauten Druck werden beide Wellen durchgebogen, die gleichzeitige Rotationsbewegung führt zu einer kontinuierlichen Belastung am gesamten Umfang. Es werden daher aus einem Stück gefertigte Zahnradwellen eingesetzt, auf Wellen aufgesetzte Zahnkränze haben sich hier nicht bewährt. Darüber hinaus könnten sich in den Spalten zwischen der Welle und dem Zahnkranz Polymerreste ablagern und später das Produkt verunreinigen. Die Wellen sind in den allermeisten Fällen schrägverzahnt ausgeführt. Die leichte Schrägstellung der Zähne sorgt für ein gleichmäßigeres Ausquetschen des Mediums aus den Zahnzwischenräumen und so zu einer druckschwankungsärmeren Förderung im Vergleich zur Geradverzahnung. Für sehr scherempfindliche Medien – oder wenn eine besonders pulsationsfreiePolymerförderung erforderlich ist – können alternativ auch pfeilverzahnte Zahnräder eingesetzt werden. Im Gegensatz zur Gerad- und Schrägverzahnung sorgt das sanfte Auskämmen bei der Pfeil-verzahnung für ein gleichmäßiges und pulsationsarmes Verdrängen zur Druckseite.

Mangelschmierung der Gleitlager vermeiden

Auch die Gleitlager sind im Betrieb hohen Belastungen ausgesetzt. Einzig ein hydrodynamischer Polymerschmierfilm trennt die Oberflächen von Wellenzapfen und Gleitlagerbohrung. So werden beispielsweise durchgehärtete Werkstoffstähle wie der 1.2379 eingesetzt, die sich auch dann eignen, wenn dem Polymer abrasive Pigmente wie Titandioxid beigemengt sind. Nachteilig wirkt sich allerdings bei Mangelschmierung die Neigung zum Fressen aus. Aluminiumbronzen oder Nickel-Silberlegierungen hingegen besitzen sehr gute Notlaufeigenschaften, so dass im Notfall der Reaktor, oftmals noch mit vielen Tonnen heißem Polymer gefüllt, kontrolliert entleert werden kann. Die geringere Härte dieser Bronzen hat andererseits zur Folge, dass dieser Werkstofftyp weniger für abrasive Medien geeignet ist. Hier gilt es, den für den jeweiligen Prozess optimalen Kompromiss zu finden.

Ein weiteres wichtiges Detail ist die Wellenabdichtung. Das kontinuierlich durch die Gleitlager fließende Polymer für die Lagerschmierung gelangt über Rücklaufbohrungen im Gehäuse zurück zur Pumpensaugseite. Dieses hat zurFolge, dass an der Wellendichtungder Antriebswelle unabhängig vom erzeugten Druck ausschließlich der niedrige Druck der Saugseite vorherrscht. Früher wurden für Polymeranwen-dungendoppelte, gesperrte Gleitringdichtungen eingesetzt. Bei diesem Dichtungstyp ist es aber oft schon nach verhältnismäßig kurzen Laufzeiten zu teuren Ausfällen gekommen, so dass sich ein völlig anderes Dichtungskonzept durchgesetzt hat. Heutzutage werden Polymeraustrags-Zahnradpumpen mit Vakuum-Gewindewellendichtungen in Verbindung mit gesperrten Stopfbuchsen ausgeführt.
Bei der Gewindewellendichtung an sich handelt es sich um ein außenliegendes Fördergewinde, dass das Polymer in die Pumpe zurückfördert. Der Wellenzapfen und das Gewinde berühren sich nicht, so dass mechanischer Verschleiß praktisch ausgeschlossen ist. Mehrere Faktoren haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Dichtwirkung. Neben der Steigung der Gewindegänge sind dies insbesondere die Viskosität des Fördermediums und die Drehzahl der Pumpe. Da der Rückstrom des Polymers zur Saugseite mit Hilfe eines Nadelventils angedrosselt wird, baut sich im Raum vor der Gewindewellendichtung eine vakuumdichte Polymerbarriere auf.

Gewindewellendichtung oft mit gesperrter Stopfbuchs kombiniert

Die Gewindewellendichtung ist eine dynamische Dichtung, die nur während des Betriebs eine Dichtwirkung erzeugt. Da sie bei kurzen Stillständen wirkungslos ist, wird sie oft mit gesperrten Stopfbuchsen kombiniert. Das Sperrmedium übernimmt in diesem Fall die Dichtwirkung und verhindert zuverlässig Lufteintrag in den Reaktor. Für das Sperrmedium ist ein statischer Druck von etwa 1 m ausreichend, ein druckbeaufschlagtes Sperrsystem ist nicht erforderlich. Um dem Verschleiß an den Packungsringen entgegenzuwirken, empfiehlt es sich, den Bereich der Stopfbuchse zu beheizen. Andernfalls würde erkaltendes und erstarrendes Polymer die verhältnismäßig „weichen“ Packungsringe beschädigen und zur Leckage führen.

Kosteneffizienz
Lange Standzeiten

Polymeraustrags-Zahnradpumpen sind im Betrieb extremen Anforderungen und Belastungen ausgesetzt. Bei korrekter Auslegung und richtiger Werkstoffauswahl können diese fordernden Betriebszustände aber sicher und zuverlässig beherrscht werden, so dass Standzeiten von mehr als fünf Jahren erreicht werden können. Bei bestimmungsgemäßem Betrieb sind die Zahnräder und Gleitlager auch nach vielen Jahren Laufzeit nicht verschlissen.

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Über den Autor

Holger Kremer, Technical Services Manager, Witte Pumps & Technology, Uetersen, Tel. 04122/9287-0