Dipl.-Ing. Georg Stausberg
AUSTRAG-, BOOSTER- UND PREPOLYMERPUMPEN FÜR MODERNE DIREKTSPINNEREIANLAGEN 1. Einleitung Moderne Spinnereianlagen zur Herstellung von Chemiefasern aus PET werden heute überwiegend als Direktspinnereien installiert. Hierbei wird das Polymer direkt aus dem Polykondensationsreaktor dem Spinnereiprozeß zugeführt. Die Prozeßschritte Granulieren des Polymers sowie das erneute Aufschmelzen in einem Extruder entfallen bei einer Direktspinnerei.
ausfall gravierende Folgen haben. Auslegung und Ausführung der o.a. Zahnradpumpen sind aus diesem Grund von elementarer Wichtigkeit für die Betriebssicherheit einer Direktspinnerei.
Zum Austragen des Polymers aus dem Reaktor sowie zur Förderung und Verteilung der Schmelze zu den einzelnen Spinnpositionen werden Zahnradpumpen eingesetzt. Hierbei wird im wesentlichen nach drei Bauarten unterschieden: Prepolymerpumpen zum Austrag eines Vorpolymerisates aus dem Prepolykondensationsreaktor, Austragpumpen zur Förderung der Polymerschmelze aus dem Finisher sowie Boosterpumpen zur Förderung der Polymerschmelze zur Spinnerei oder zum Granulator (Abb. 1). Im Veresterungsprozeß können darüber hinaus auch Zahnradpumpen als Oligomerpumpen eingesetzt werden. Während in der Vergangenheit häufig zwei Austrag- und Prepolymerpumpen parallel betrieben wurden, ist man heute bestrebt, den gesamten Durchsatz eines Reaktors mit jeweils einer Pumpe zu fördern, um die Investitionskosten zu senken. Da parallel zu diesem Trend auch die Durchsatzleistungen der Polykondensationsanlagen stetig gewachsen sind, kann ein ungeplanter Pumpen-
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Abb. 1: Zahnradpumpen in einer Direktspinnerei 2. Einsatzbedingungen In der Einleitung wurde bereits beschrieben, an welcher Stelle der Direktspinnerei die verschiedenen Zahnradpumpen eingesetzt werden. Die folgende Tabelle zeigt darüber hinaus typische Einsatzdaten und Pumpengrößen für den jeweiligen Pumpentyp in einer PET Direktspinnerei:
Pumpentyp
Prepolymerpumpe
Austragpumpe
Boosterpumpe
Typ.Durchsätze
150 - 900 t/d
150 - 900 t/d
100 – 450 t/d
Typ. Pumpengrößen
1500 – 5000 ccm/U
2500 – 20000 ccm/U
1500 – 6600 ccm/U
Typ. Drehzahlen
100 – 180 Upm
30 – 40 Upm
40 – 60 Upm
Polymerviskosität
1 – 5 (20) Pas
200 – 300 Pas
200 – 300 Pas
Vordruck
Vakuum
Vakuum
10 – 150 bar
Gegendruck
< 20 bar
Max. 300 bar
Max. 300 bar
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Austrag-, Booster- und Prepolymerpumpen für moderne Direktspinnereianlagen
Die unterschiedlichen Viskositäten und Drücke in der jeweiligen Prozeßstufe haben eine große Auswirkung auf die Auslegung der einzelnen Pumpen, auf die im folgenden näher eingegangen wird. 3. Prepolymerpumpen Basierend auf den geringen Viskositäten der Prepolymere und den daraus resultierenden geringen Prozeßdrücken ist man bestrebt, Prepolymerpumpen mit möglichst geringem Fördervolumen/Umdrehung einzusetzen und diese Pumpen auf einem entsprechend höheren Drehzahlniveau zu betreiben. Hierbei sind folgende Kriterien bei der Pumpenauslegung besonders zu beachten:
Pumpe ausreichend gefüllt wird. Da Prepolymerpumpen im Vergleich zu Polymerpumpen einer geringeren Druckbelastung ausgesetzt sind, kann der Eintrittsquerschnitt u.a. durch eine Vergrößerung der Zahnradbreite an die Prozesserfordernisse angepasst werden.
3.2 Druckaufbau
3.1 Füllung der Pumpe
Durch die geringe Viskosität des Prepolymers erhöht sich bei steigenden Gegendrücken der innere Leckstrom der Pumpe signifikant. Insbesondere bei Anlagen, an denen ein Filter zwischen Prepolykondensationsreaktor und Finisher installiert ist, können Gegendrücke entstehen, welche die Pumpe ohne besondere Modifikationen nicht mehr aufbauen kann.
Da das Prepolymer unter Vakuum aus dem Reaktor ausgetragen wird, gibt es bei vorgegebenen Rohrleitungs- und Pumpeneintrittsquerschnitten Grenzdrehzahlen, bei deren Überschreitung die Pumpe nicht mehr ausreichend gefüllt wird. Diese Grenzdrehzahlen hängen wiederum von der Viskosität und vom Füllstand des Prepolymers im Reaktor ab (Abb. 2). Für jeden Einsatzfall ist anhand solcher Kennlinien zu überprüfen, ob die ausgewählte
Entscheidend für den inneren Leckstrom und damit für den volumetrischen Wirkungsgrad der Pumpe sind im wesentlichen die Ausführung der Lager, das Axialspiel zwischen Zahnrädern und Lagern sowie das Radialspiel zwischen Zahnrädern und Gehäuse. Unter volumetrischem Wirkungsgrad wird hierbei das Verhältnis aus effektivem Fördervolumen zu theoretischem Fördervolumen verstanden.
Abb. 2: Einzugsverhalten von Prepolymerpumpen 2
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Abb. 3: Einfluß des Pumpen-Layouts auf den volumetrischen Wirkungsgrad
Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Ausführung der Barmag Prepolymerpumpe mit Geradverzahnung. Hierdurch wirken keine axialen Kräfte auf die Zahnräder, die sich dadurch im Pumpenraum frei zentrieren können. Dies ermöglicht eine Pumpenauslegung mit geringem Axialspiel, was wiederum Wirkungsgrad und Druckaufbauvermögen deutlich erhöht (Abb. 3). Durch die bereits in Abschnitt 3.1. erwähnte Verbreiterung der Zahnräder wird eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt, da mit zunehmender Radbreite der anteilige Leckagestrom über das Axialspiel reduziert wird.
Einzugskeile im Verzahnungsbereich sichergestellt (Abb. 4) Im Gegensatz zu den Prepolymerpumpen limitiert bei den Austragpumpen nicht die Füllung das Einsatzfenster, sondern die Temperaturerhöhung im Lager.
4. Polymerpumpen 4.1. Austragpumpen Wie bereits in der Einleitung beschrieben, haben Austragpumpen die Aufgabe, die Polymerschmelze aus dem Finisher unter Vakuum auszutragen und den zum Durchströmen der Folgeaggregate (Schmelzeleitung, Filter, Granulator) notwendigen Druck aufzubauen. Eine ausreichende Füllung der Pumpe wird hierbei durch einen stark vergrößerten Eintrittsquerschnitt (6 – 12 mal größer als der Austritt) sowie spezielle 3
Abb. 4: Austragpumpe Entwicklungen • Trends • Technologien Unternehmenskommunikation
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4.1.1. Lagerauslegung Die Lager der hier beschriebenen Polymerpumpen (und auch der Prepolymerpumpen) werden als Gleitlager ausgeführt, die durch das Fördermedium geschmiert werden (Abb. 5). Lagerdurchmesser und Lagerlänge ergeben sich aus der mechanischen Auslegung der Pumpe, insbesondere aus dem maximalen Gegendruck und der daraus resultierenden Belastung von Ritzel und Ritzelwelle.
den, was wiederum zu einem Anstieg der Lagertemperatur führt. Zur Auslegung des Schmiersystems hat Barmag ein Berechnungsprogramm entwickelt, das die einzelnen Kanäle und Spalten in einem Widerstandsmodell verknüpft. Hierdurch können auch Wechselwirkungen im Schmiersystem bei Änderung einzelner geometrischer Größen simuliert und bewertet werden. Insbesondere auch bei der Berechnung der Temperaturerhöhung im Lager wird mit diesem Programm eine gute Übereinstimmung mit Werten aus der Praxis erzielt. Für vorgegebene Einsatzbedingungen ist daher eine gezielte Optimierung der Lagerauslegung möglich. 4.1.2. Energieverbrauch Der Energieverbrauch einer Pumpe wird im wesentlichen durch zwei Anteile bestimmt, die hydraulische Leistung und die Reibleistung. Unter hydraulischer Leistung, wird dabei das Produkt aus Volumenstrom und Druckdifferenz verstanden, d.h. die Leistung die benötigt wird, um eine bestimmte Menge gegen einen bestimmten Druck zu fördern.
Abb. 5: Austragpumpe - Schmierung der Lager Zur Schmierung der Lagerstellen ist eine ausreichende Durchströmung mit dem Fördermedium zu gewährleisten. Hierzu wird ein System aus verschiedenen Schmierkanälen in die Lagerbuchsen und z.T. in das Pumpengehäuse eingebracht. Darüber hinaus muß das Radialspiel zwischen Wellenschaft und Lagerbuchse so ausgelegt werden, dass genügend Fördermedium aus den Schmierkanälen in den Lagerspalt eindringen kann. Da die Ausführung der Umlaufschmierung auch direkten Einfluß auf den inneren Leckstrom und damit auf den volumetrischen Wirkungsgrad der Pumpe hat, gibt es für jede Anwendung jeweils eine optimale Ausführung des Schmiersystems: Werden die Schmierkanäle und das Lagerspiel zu klein ausgeführt, ist der Schmierstrom zu gering und die Temperatur im Lager steigt auf unzulässige Werte an. Bei zu großer Ausführung des Lagerspiels muß gleichzeitig eine Vergrößerung des Radialspiels zwischen Zahnrädern und Gehäuse vorgenommen werden, um ein Anlaufen der Zahnräder zu vermeiden. Diese Maßnahme hat einen deutlich negativen Einfluss auf den volumetrischen Wirkungsgrad. Um die gewünschte Förderleistung zu erhalten, muß die Pumpendrehzahl erhöht wer4
Die Reibleistung ist die Energie, die in den einzelnen Spalten der Pumpe durch Scherung des Fördermediums dissipiert wird. Die Reibleistung wird im wesentlichen durch die Pumpengeometrie, durch die Viskosität des Fördermediums und durch die Pumpendrehzahl bestimmt. Insbesondere bei Anwendungen mit geringen Gegendrücken kann die Reibleistung höher sein als die hydraulische Leistung. Wie in Kapitel 4.1.1. beschrieben, hat die Ausführung der Pumpenlager deutlichen Einfluß auf den volumetrischen Wirkungsgrad einer Pumpe. Da dieser wiederum die effektive Drehzahl beeinflußt, führt ein geringer volumetrischer Wirkungsgrad immer zu einer erhöhten Reibleistung. Auch bei den Polymerpumpen können durch die axialkraftfreie Geradverzahnung engere Axialspiele ausgeführt werden, was ebenfalls den volumetrischen Wirkungsgrad erhöht und damit die Reibleistung reduziert. Je nach Ausführung und Bauart von Polymerpumpen können volumetrische Wirkungsgrade in Bereichen von 80 – 98 % liegen, wobei mit Barmag Pumpen bei nahezu allen Anwendungen Werte deutlich über 90% erreicht werden. Entwicklungen • Trends • Technologien Unternehmenskommunikation
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In Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen führt ein um 10% höherer volumetrischer Wirkungsgrad zu einem 5 – 10% geringeren Energieverbrauch bei einer Polymerpumpe, was insbesondere bei Großanlagen zu signifikanten Einsparungen führt. 4.2. Boosterpumpen Boosterpumpen (Abb. 6) werden ebenso wie Austragpumpen zur Förderung von Polymerschmelzen eingesetzt. Da das Polymer jedoch bereits mit einem Vordruck der Boosterpumpe zugeführt wird, entfällt bei dieser Baureihe der vergrößerte Eintrittsquerschnitt.
änderung in der Granulierung kompensiert werden. Hierbei kann es auch zu Stillständen einzelner Verbraucher und damit der zugehörigen Boosterpumpe kommen. Zusätzliche Änderungen der Einsatzbedingungen ergeben sich aus unterschiedlichen Verschmutzungsgraden von Polymerfiltern, die zwischen Pumpe und Verbraucher in die Schmelzeleitung integriert sein können. Aus den o.a. Randbedingungen ergeben sich für Boosterpumpen häufig wechselnde Betriebszustände. Maximaler und minimaler Durchsatz können hierbei in einem Verhältnis größer 10 : 1 variieren, woraus ebenfalls wechselnde Differenzdrücke resultieren. Diese können bei geringen Durchsätzen einen negativen Gradienten haben (d.h. der Vordruck ist größer als der Gegendruck), bei hohen Durchsätzen einen positiven. Insbesondere bei der Auslegung der Lagerschmierung müssen diese wechselnden Einsatzbedingungen berücksichtigt werden. Auch bei einem negativen Druckgradienten muß das Lager ausreichend mit Polymer durchströmt werden.
Abb. 6: Booster Pump GCK40H Bezüglich Lagerauslegung und Energieverbrauch gelten die gleichen Aussagen wie in den Kapiteln 4.1.1. und 4.1.2. beschrieben. Da Boosterpumpen im Vergleich zu Austragpumpen häufig in einem breiteren Einsatzfenster betrieben werden, müssen zusätzliche Kriterien beachtet werden: 4.2.1. Wechselnde Einsatzbedingungen In einer Direktspinnerei werden Boosterpumpen eingesetzt, wenn mehrere Verbraucher (Spinnerei, Granulierung) aus einer Polykondensationsanlage gespeist werden. Die Boosterpumpe regelt dabei die Mengenzufuhr zu den einzelnen Verbrauchern. Da man aus Qualitätsgründen bestrebt ist, die Poly möglichst stationär ohne größere Durchsatzänderungen zu betreiben, muß eine Durchsatzänderung in der Spinnerei durch eine gleichzeitige Durchsatz5
Barmag löst diese Aufgabenstellung ausschließlich über die rheologische Auslegung und über die Geometrie des Schmiersystems. Es wird bewußt auf den Einsatz von Ventilen und Drosselschrauben verzichtet, da die Wechselwirkungen auf die Durchströmung einzelner Schmierkanäle, die vom Verstellen solch eines Aggregates verursacht werden, für den Bediener nicht erkennbar sind. 5. Wellenabdichtung Neben den in den vorherigen Kapiteln beschriebenen Kriterien hat die Auslegung der Wellendichtung großen Einfluß auf das Betriebsverhalten von Polymer- und Prepolymerpumpen und damit auf die Stabilität des Gesamtprozesses und auf die Qualität des Polymers. Insbesondere bei Austrag- und Prepolymerpumpen muß die Dichtung mehrere Anforderungen erfüllen: - Beim Anfahren aus dem Vakuum darf keine Umgebungsluft über die Wellendichtung in die Pumpe gelangen. - Auch im Dauerbetrieb darf keine Luft eingezogen werden, um oxidativen Abbau des Polymers zu vermeiden. - Abgebautes Polymer darf aus dem Dichtungsbereich nicht in den Prozeß zurückgelangen. Entwicklungen • Trends • Technologien Unternehmenskommunikation
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Abb. 7: Die POLYVAC® Dichtung
Die o.a. Anforderungen werden entweder durch eine Stopfbuchsabdichtung mit Sperrvorlage oder durch die Barmag POLYVAC® Dichtung in bester Weise erfüllt. Die POLYVAC® Dichtung (Abb. 7.) ist eine temperierbare Gewindedichtung in Kombination mit einer Kammer für ein Sperrmedium (Glykol, Silikonöl). Durch dieses Sperrmedium wird das Anfahren aus dem Vakuum ermöglicht. Nach dem Anfahren der Pumpe wird die Leckage des Polymers über die Temperierung der Dichtungsbuchse im Bereich des Sperrgewindes eingestellt.
6. Mechanische Auslegung 6.1. Werkstoffe
Um sicherzustellen, dass kein degradiertes Polymer aus dem Dichtungsbereich in den Produktraum der Pumpe zurückfließt, sollte die Temperierung der Dichtungsbuchse so erfolgen, dass sich zwar ein geringer, aber ein stetiger Polymeraustrag an der Wellendichtung einstellt. Mit dieser Einstellung wird auch das Einziehen von Umgebungsluft in den Produktraum bei laufender Pumpe verhindert.
6.2. Beheizung
Da Boosterpumpen grundsätzlich einen Vordruck auf der Saugseite anstehen haben, ist eine Vakuumabdichtung hier nicht erforderlich. Hier ist eine temperierbare Gewindedichtung ausreichend, um den Polymeraustrag einzustellen. 6
Alle Bauteile der vorgestellten Pumpentypen werden aus unterschiedlichen Edelstählen hergestellt. Bei den mechanisch stark beanspruchten Teilen (Ritzel, Ritzelwelle, Lagerbuchsen) kommen verschleißfeste Werkzeugstähle zum Einsatz; Gehäuse, Pumpendeckel und Dichtungskomponenten werden aus korrosionsbeständigen Chromstählen gefertigt.
Prepolymer und Polymerpumpen in einer Direktspinnerei werden durch geeignete Wärmeträgeröle entweder flüssig- oder dampfbeheizt. In seltenen Fällen werden auch elektrisch beheizte Pumpen eingesetzt. Durch die kompakte Bauweise der Barmag Pumpen und durch die optimierte Gestaltung der Heizkanäle kann auch bei Pumpen mit größerem Fördervolumen auf eine Beheizung der Seitenplatten (Pumpendeckel) verzichtet werden. Dies erleichtert den Einbau der Pumpen in die Spinnereianlagen sowie den Aufwand bei Wartungsarbeiten.
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6.3. Pumpenantrieb
7. Zusammenfassung
Bei der Auslegung der Pumpenantriebe sind neben dem Leistungsbedarf auch die Einbausituation und die Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen. Pumpe und Antrieb müssen so in die Anlage eingebaut werden, daß Wärmedehnungen der Schmelzeleitung kompensiert werden können (Abb. 8). Insbesondere bei Boosterpumpen kann es erforderlich sein, dass eine mechanische Bremse in den Antriebsstrang integriert wird, da die Pumpen auch bei anstehendem Vordruck angehalten werden, um z.B. einen Granulator zu warten.
In kaum einem anderen Prozeß in der Kunststoffverarbeitung werden Prozeßstabilität und Produktqualität so stark vom Polymer beeinflußt wie bei der Chemiefaserherstellung. Als führender Hersteller von Chemiefaseranlagen hat Barmag umfassende Kenntnisse über die Verarbeitung von Spinnpolymeren gewonnen, insbesondere auch darüber, wie die Ausführung einzelner Anlagenkomponenten die Qualität des Polymers und damit den Spinnereiprozeß beeinflußt. Dieses Wissen, gepaart mit 30 Jahren Erfahrung im Bau von Austrag-, Boosterund Prepolymerpumpen, hat dazu geführt, daß Barmag Zahnradpumpen kontinuierlich weiterentwickelt wurden und auch in modernen Direktspinnereien den dort geforderten höchsten Anforderungen genügen.
Abb. 8: Booster Pumpe mit Antrieb Eine weitere Option ist die explosionsgeschützte Ausführung von Antrieb und Pumpe, wenn die Umgebungsbedingungen dies erfordern.
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