8 Schritte, um zum Pumpen-Experten zu werden

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I. Grundlegende Gründe
1. Die Durchflussmenge ist eine der wichtigen Leistungsparameter bei der Auswahl einer Pumpe. Es hat direkten Einfluss auf die Produktionskapazität und den Transportfähigkeit des gesamten Systems. Wenn im Prozessdesign des Planungsbüros die drei Ströme der Pumpe – normal, minimal und maximal – berechnet werden können. Bei der Auswahl einer Pumpe sollte man sich am maximalen Durchfluss orientieren, wobei auch der normale Durchfluss berücksichtigt werden muss. Falls kein maximaler Durchfluss angegeben ist, kann in der Regel 1,1-facher des normalen Durchflusses als maximaler Durchfluss verwendet werden. 2. Die erforderliche Förderhöhe des Anlagensystems ist eine weitere wichtige Leistungsgröße bei der Auswahl der Pumpe. In der Regel sollte die Nennhöhe mit einem Faktor von 5 % bis 10 % Überschuss ausgewählt werden. 3. Eigenschaften der Flüssigkeit. Dazu gehören der Name des flüssigen Mediums, seine physikalischen Eigenschaften, chemischen Eigenschaften sowie weitere Eigenschaften. Zu den physikalischen Eigenschaften zählen Temperatur, Dichte, Viskosität sowie der Durchmesser der festen Partikel im Medium und der Gasgehalt. Dies betrifft wiederum die Förderhöhe des Systems, die Berechnung des effektiven Kavitationsschutzes sowie die Auswahl des geeigneten Pumpentyps. Die chemischen Eigenschaften, insbesondere die chemische Korrosionsfähigkeit und Toxizität des Flüssigkeitsmediums, bilden eine wichtige Grundlage für die Auswahl des Pumpenmaterials sowie des geeigneten Typs von Achsverschluss. 4. Die Anforderungen an die Rohrleitungsanordnung im Anlagensystem beziehen sich auf die Höhe der Flüssigkeitszufuhr, die Entfernung sowie die Richtung der Flüssigkeitszufuhr. Daten wie der niedrigste Flüssigkeitsspiegel auf der Saugseite und der höchste Flüssigkeitsspiegel auf der Druckseite sowie Angaben zu den Rohrspezifikationen – Länge, Material, Anschlussart, Stückzahl usw. – sind notwendig, um die Pumpenhöhe zu berechnen und den Kavitationsspielraum zu überprüfen. 5. Die Bedingungen für die Bedienung sind vielfältig. Zum Umgang mit Flüssigkeiten gehören die gesättigte Dampfdruckkraft T, der Saugseite-Druck PS (absolut), der Druck im Auslassbehälter PZ, die Höhe über dem Meeresspiegel, die Umgebungstemperatur sowie ob die Betriebsweise diskret oder kontinuierlich ist und ob sich die Position der Pumpe fest oder beweglich befindet. Zweitens: Die Auswirkungen der Korrosion. Seit jeher gehört die Korrosion zu den größten Problemen für Anlagen in der Chemieindustrie. Schon kleine Nachlässigkeiten können dazu führen, dass die Anlagen beschädigt werden – im schlimmsten Fall kommt es sogar zu Unfällen oder Katastrophen. Laut Statistiken wird etwa 60 Prozent der Schäden an Chemieanlagen durch Korrosion verursacht. Daher ist bei der Auswahl von Chemiepumpen zunächst auf eine wissenschaftlich fundierte Wahl des Materials zu achten. Es gibt oft den Irrtum, dass Edelstahl ein „Allzweckmaterial“ sei, das unter allen Bedingungen und in jeder Umgebung eingesetzt werden kann. Das ist sehr gefährlich. Im Folgenden werden die wichtigsten Aspekte bei der Auswahl von Materialien für einige gängige chemische Medien erläutert: 1. Schwefelsäure – Als eines der stark korrosiven Medien ist Schwefelsäure ein wichtiger Industriestoff mit sehr vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Säure in unterschiedlichen Konzentrationen und Temperaturen verursacht unterschiedliche Korrosionserscheinungen am Material. Bei konzentrierter Säure mit einer Konzentration von über 80 % bei einer Temperatur unter 80 °C weisen Kohlenstahl und Gussstahl eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Allerdings eignet sich diese Art von Säure nicht für den Einsatz in Situationen mit hoher Fließgeschwindigkeit der Säure – sie ist daher auch nicht geeignet als Material für Pumpen und Ventile ； Herkömmliches Edelstahl wie 304 (0Cr18Ni9) und 316 (0Cr18Ni12Mo2Ti) hat ebenfalls nur eingeschränkte Anwendungsmöglichkeiten in Schwefelsäuremedien. Daher werden Pumpen und Ventile zur Transportierung von Schwefelsäure in der Regel aus hochsiliziumhaltigem Gusseisen (das schwierig zu gießen und zu verarbeiten ist) oder aus hochlegiertem Edelstahl (Legierung Nr. 20) hergestellt. Fluorkunststoffe weisen eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Säure auf; der Einsatz von Pumpen mit Fluorkunststoffbeschichtung (F46) ist daher eine wirtschaftlichere Lösung. 2. Salzsäure: Die überwiegende Mehrheit der Metallmaterialien ist nicht widerstandsfähig gegen die Korrosion durch Salzsäure – einschließlich aller Arten von Edelstählen. Auch Eisen mit hohem Molybdangehalt kann nur bei 50 °C und in einer Konzentration von unter 30 % an Salzsäure verwendet werden. Im Gegensatz zu Metallmaterialien weisen die überwiegende Mehrheit der nichtmetallischen Materialien eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber Salzsäure auf. Deshalb sind Pumpen mit Gummiaußenhüllen sowie Pumpen aus Kunststoffen (wie Polypropylen oder Fluorkunststoffen) die beste Wahl zur Transportierung von Salzsäure. 3. Salpetersäure: Die meisten Metalle werden in Salpetersäure schnell korrodiert und zerstört. Edelstahl ist das am häufigsten verwendete Material, das der Salpetersäure standhält. Er weist eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber Salpetersäure in allen Konzentrationen bei Raumtemperatur auf. Besonders hervorzuheben ist, dass Edelstähle mit Molybdän – wie 316 und 316L – nicht nur keine bessere Korrosionsbeständigkeit gegenüber der Salpetersäure aufweisen als herkömmlicher Edelstahl wie 304 oder 321, sondern manchmal sogar eine schlechtere. Für hochtemperaturiges Salpetersäure wird in der Regel Titan sowie Titanlegierungen verwendet. 4. Essigsäure – Sie gehört zu den organischen Säuren mit der stärksten Korrosionswirkung. Normales Stahlmaterial wird in Essigsäure aller Konzentrationen und bei allen Temperaturen stark angegriffen. Edelstahl hingegen ist ein hervorragendes Material gegen Essigsäure. 316-Edelstahl, der Molybdän enthält, eignet sich außerdem für hohe Temperaturen sowie für Dämpfe aus verdünnter Essigsäure. Bei anspruchsvollen Bedingungen wie hohen Temperaturen, hoher Konzentration von Essigsäure oder dem Vorhandensein anderer korrosiver Stoffe können hochlegierte Edelstahlpumpen oder Pumpen aus Fluorkunststoffen verwendet werden. 5. Alkalien (Natriumhydroxid): Stahl wird häufig in Natriumhydroxidlösungen mit einer Konzentration von bis zu 30 % bei Temperaturen unter 80 °C eingesetzt. In vielen Fabriken wird weiterhin herkömmlicher Stahl verwendet – auch bei Temperaturen von 100 °C und einer Konzentration von bis zu 75 %. Zwar nimmt dadurch die Korrosion zu, doch die wirtschaftlichen Vorteile sind dennoch groß. Im Vergleich zu Gusseisen weist normales Edelstahl keine nennenswerten Vorteile hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit gegenüber Laugen auf. Solange eine geringe Menge Eisen im Medium enthalten ist, wird der Einsatz von Edelstahl nicht empfohlen. Für hochtemperaturige Laugen werden in der Regel Titan und Titanlegierungen oder hochlegiertes Edelstahl verwendet. 6. Ammoniak (Ammoniakhydroxid): Die Korrosion der meisten Metalle und Nichtmetalle in flüssigem Ammoniak sowie in Ammoniakwasser (Ammoniakhydroxid) ist eher gering. Nur Kupfer und Kupferlegierungen eignen sich nicht für den Einsatz in solchen Medien. 7. Salzwasser (Meerwasser): Bei herkömmlichem Stahl ist die Korrosionsrate in Natriumchloridlösungen sowie im Meerwasser und Brackwasser nicht besonders hoch. In der Regel ist daher ein Schutz durch Lacke erforderlich. Auch verschiedene Arten von Edelstahl weisen eine sehr niedrige Gesamtkorrosionsrate auf. Allerdings kann es aufgrund von Chloriden zu lokaler Korrosion kommen. In solchen Fällen ist es besser, Edelstahl der Sorte 316 zu verwenden. 8. Alkohole, Kohlenwasserstoffe, Ester und Ether: Zu den gängigen Alkoholmedien gehören Methanol, Ethanol, Ethylenoxid und Propanol. Zu den Kohlenwasserstoffmedien zählen Propan und Butan. Zu den Estermedien gehören verschiedene Methyl- und Ethylester. Zu den Ethermedien gehören Methylether, Ethylether und Butylether. Sie weisen im Allgemeinen keine Korrosionsfähigkeit auf; alle üblichen Materialien eignen sich dafür. Bei der Auswahl sollte man jedoch auch die Eigenschaften des Mediums sowie die entsprechenden Anforderungen berücksichtigen. Außerdem ist zu beachten, dass Alkohole, Ester und Ether verschiedene Gummis lösen können, um Fehler bei der Auswahl von Dichtmaterialien zu vermeiden. Drei, andere Einflussfaktoren: Bei herkömmlichen Industriepumpen kann man im Prozessablauf die Leckagen im Rohrleitungssystem in der Regel ignorieren. Allerdings muss man die Auswirkungen von Veränderungen im Prozess auf den Durchfluss berücksichtigen. Wenn bei landwirtschaftlichen Pumpen Wasser über offene Kanäle transportiert wird, müssen auch das Durchsickern sowie der Verdunstungsvorgang berücksichtigt werden. Druck: Druck im Wasseransaugbecken, Druck im Wasserauslassbecken, Druckunterschied im Rohrleitungssystem (Hubverlust). Daten des Rohrleitungssystems (Rohrdurchmesser, Länge, Arten und Anzahl der Rohranschlüsse, geometrische Höhenlage vom Saugbecken bis zum Druckbecken) usw. Falls nötig, sollten auch die Kennlinien der Anlage erstellt werden. IV. Einfluss der Rohre Bei der Planung und Anordnung der Rohre müssen folgende Aspekte berücksichtigt werden: A. Die Rohrdicke sollte sinnvoll gewählt werden. Bei einer größeren Rohrdicke ist bei derselben Durchflussmenge die Fließgeschwindigkeit geringer, wodurch die Widerstandseinbußen geringer ausfallen. Allerdings ist die Kostenbelastung höher. Eine kleinere Rohrdicke führt hingegen zu erheblich größeren Widerstandseinbußen. Dadurch muss die Leistung des ausgewählten Pumps erhöht werden, was wiederum zu höheren Kosten und Betriebskosten führt. Daher sollte es aus technischer und wirtschaftlicher Sicht umfassend betrachtet werden. B. Bei den Ablaufrohren sowie deren Anschlüssen muss die maximale Druckbelastung berücksichtigt werden, der sie standhalten können. C. Die Rohrleitungen sollten so weit wie möglich in gerader Linie angeordnet werden. Es sollte versucht werden, die Anzahl der Verbindungsstücke in den Rohren zu minimieren sowie die Länge der Rohre zu verkürzen. Wenn eine Biegung unvermeidlich ist, muss der Biegeradius 3–5 Mal so groß sein wie der Durchmesser des Rohres. Der Winkel der Biegung sollte idealerweise größer als 90° sein. D. Auf der Auslassseite der Pumpe müssen Ventile (Kugelventile oder Stopfenventile usw.) sowie Rückflussventile installiert werden. Ventile dienen dazu, den Betriebspunkt der Pumpe zu regulieren. Rückflussventile verhindern, dass die Pumpe bei umgekehrtem Fluss der Flüssigkeit in die Umkehrrichtung läuft, und schützen sie so vor den Auswirkungen des Wasserhammers. (Wenn die Flüssigkeit rückwärts fließt, entsteht ein enormer Gegendruck, der die Pumpe beschädigen kann.) V. Einfluss von Durchfluss und Förderhöhe: Bestimmung des Durchflusses: A. Wenn im Herstellungsprozess bereits ein Mindest-, Normal- und Maximaldurchfluss angegeben sind, sollte der Maximaldurchfluss berücksichtigt werden. B. Wenn im Herstellungsprozess nur ein Normalfluss angegeben ist, sollte ein gewisser Puffer berücksichtigt werden. Für die Pumpen der Serie ns100 mit hohem Durchfluss und niedrigem Druck beträgt der Durchflusspuffer 5 %. Bei den Pumpen der Serie ns50 mit geringem Durchfluss und hohem Druck liegt der Durchflusspuffer bei 10 %. Für Pumpen mit einem Wert von 50 ≤ ns ≤ 100 gilt ebenfalls ein Durchflusspuffer von 5 %. Bei Pumpen von schlechter Qualität oder unter schwierigen Betriebsbedingungen sollte der Durchflusspuffer 10 % betragen. C. Wenn die Grunddaten nur den Massenstrom angeben, muss dieser in einen Volumenstrom umgerechnet werden. VI. Einfluss der Temperatur
Der Transport von Medien bei hohen Temperaturen stellt höhere Anforderungen an die Konstruktion der Pumpe, die verwendeten Materialien sowie die Hilfsysteme. Im Folgenden werden die Anforderungen an die Kühlung bei verschiedenen Temperaturveränderungen erläutert:
1. Bei Medien mit einer Temperatur unter 120 °C wird in der Regel kein spezielles Kühlsystem eingesetzt. Stattdessen wird das Medium selbst zur Schmierung und Kühlung verwendet. Wie die DFL(W)H-Chemiepumpen, die DFL(W)PH-geschützten Chemiepumpen (bei Temperaturen über 90 °C muss der Schutzgrad des Motors der Klasse H sein) ； Die herkömmlichen DFCZ-Pumpen sowie die IH-Kemikalienpumpen können aufgrund ihrer Aufhängungsstruktur eine Temperatur von 140°C bis 160°C erreichen℃ ； Die HFH-Fluorkunststoff-Pumpen können bei einer maximalen Betriebstemperatur von 200 °C eingesetzt werden℃ ； Nur die gewöhnlichen Magnetpumpen der CQB-Serie dürfen bei Temperaturen bis zu 100 °C eingesetzt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass für medien, die leicht kristallisieren oder Partikel enthalten, eine Spülleitung für die Verschließflächen vorgesehen sein sollte (bei der Konstruktion werden dafür immer Anschlüsse bereitgestellt). 2. Für Medien mit einer Temperatur von über 120 °C und bis zu 300 °C muss in der Regel eine Kühlkammer auf dem Pumpendeck vorhanden sein. Auch der Verschlussraum muss mit Kühlmittel versorgt werden (es müssen doppelwandige mechanische Dichtungen verwendet werden). Wenn es nicht zulässig ist, dass Kühlmittel in das Medium eindringt, muss das Medium selbst gekühlt werden, bevor es in den Systemkreislauf gelangt (dies kann durch einen einfachen Wärmetauscher erreicht werden). 3. Für Hochtemperaturmedien ab 300 °C muss nicht nur der Pumpenkopf gekühlt werden, sondern auch die Lagerkammern des Aufhängungssystems sollten über ein Kühlsystem verfügen. Die Pumpenstruktur ist in der Regel von zentraler Stützung ausgelegt. Als mechanische Dichtung eignet sich am besten eine Dichtung vom Typ Metallwellenmembran – doch dieser Typ ist teuer (der Preis liegt mehr als das Zehnfache bei herkömmlichen Dichtungen). 7. Auswirkungen auf die Dichtigkeit: Keine Lecks sind das ständige Ziel bei chemischen Anlagen. Gerade diese Anforderung trägt dazu bei, dass Magnetpumpen und abgeschirmte Pumpen immer häufiger eingesetzt werden. Um jedoch wirklich eine undichte Konstruktion zu erreichen, liegt noch ein langer Weg vor uns – beispielsweise bei den Lebensdauerproblemen der Isolierschalen von Magnetpumpen und Schirmpumpen, bei den Problemen durch Porosität der Materialien sowie bei der Zuverlässigkeit der statischen Dichtungen usw. Hier wird eine kurze Einführung in die grundlegenden Aspekte der Abdichtung gegeben. 1. Abdichtungsformen: Bei statischen Abdichtungen gibt es in der Regel nur zwei Arten von Abdichtungselementen – Dichtungen und Abdichtungsringe. Dabei werden O-Ringe am häufigsten eingesetzt ； Bei dynamischen Dichtungen werden in Chemiepumpen selten Füllerdichtungen verwendet; stattdessen kommen hauptsächlich mechanische Dichtungen zum Einsatz. Mechanische Dichtungen wiederum können eindimensional oder zweidimensional sein, außerdem gibt es ausgeglichene und ungleichgewichtige Varianten. Ausgeglichene Dichtungen eignen sich zur Abdichtung von Medien unter hohem Druck – in der Regel bei einem Druck von mehr als 1,0 MPa. Zweidimensionale mechanische Dichtungen werden hauptsächlich für Medien verwendet, die hohe Temperaturen aufweisen, leicht kristallisieren, zähflüssig sind, Partikel enthalten oder giftige Dämpfe abgeben. In solchen Fällen muss in die Dichtkammer ein Trennfluid eingeführt werden; der Druck dieses Fluids liegt in der Regel 0,07–0,1 MPa über dem Druck des Mediums. 2. Dichtmaterialien: Für die statische Dichtung von Chemiepumpen wird in der Regel Fluorkautschuk verwendet; in besonderen Fällen kommt Polytetrafluorethylen zum Einsatz ； Die Materialauswahl für die statischen und dynamischen Ringe einer mechanischen Dichtung ist von großer Bedeutung. Es ist nicht unbedingt am besten, wenn Hartmetall auf Hartmetall trifft – der hohe Preis ist dabei ein Problem. Zudem ist es auch nicht sinnvoll, wenn zwischen den beiden Materialien kein Unterschied in der Härte besteht. Deshalb sollte man je nach Eigenschaften des Mediums unterschiedlich vorgehen. (Hinweis: Die achte Auflage von API 610 der American Petroleum Institute enthält in Anhang D detaillierte Vorschriften zur typischen Ausstattung von Mechanikverschlüssen und Rohrleitungssystemen.) 8. Einfluss der Viskosität: Die Viskosität des Mediums hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung der Pumpe. Wenn die Viskosität zunimmt, sinkt die Förderhöhe der Pumpe. Sowohl die Förderhöhe als auch das Durchflussvolumen bei optimalen Betriebsbedingungen nehmen ab, während die Leistung steigt. Dadurch sinkt die Effizienz. Die Werte für die Parameter in den üblichen Proben beziehen sich auf die Leistung beim Transport von klarem Wasser. Bei dem Transport von viskosen Medien muss eine Umrechnung vorgenommen werden (die Korrekturfaktoren für unterschiedliche Viskositäten können in den entsprechenden Umrechnungstabellen nachgeschlagen werden). Für den Transport von Pasten, Cremes sowie zähen Flüssigkeiten mit hoher Viskosität wird empfohlen, Schraubenpumpen zu verwenden.