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Verfahrenstechnik 6/2015

Verfahrenstechnik 6/2015

KOMPONENTEN UND SYSTEME

KOMPONENTEN UND SYSTEME I ACHEMA Luftentzündliche Prozessmedien sicher fördern Redesign einer Membranpumpe für absolute Gasdichtigkeit Rich Aerts, Sebastian Becker Bei der Herstellung von pyrophorischen Prozessgasen ist die Gasdichtigkeit sämtlicher Anlagenkomponenten entscheidend, denn im Kontakt mit der Luft entzünden sich diese hochreaktiven Gase. Eine Membran-Gasförderpumpe erfüllt die anspruchsvollen Anforderungen. Autoren: Rich Aerts, Produktingenieur Prozesspumpen, KNF Neuberger Inc., New Jersey, USA; Sebastian Becker, Produktmanager Product Center Gas, KNF Neuberger GmbH, Freiburg Air Products ist ein weltweit führender Hersteller technischer Gase und Chemikalien. Mit über 21 000 Mitarbeitern ist das im US-Bundesstaat Pennsylvania beheimatete Unternehmen in 50 Ländern aktiv und liefert eine große Vielfalt von Prozessmedien für die unterschiedlichsten Anwendungen und Branchen. Für die Halbleiter- und Solarindustrie stellt Air Products unter anderem ein spezielles Gasgemisch her, das in Ätzund Gasabscheidungsprozessen zur Beschichtung von Siliziumwafern und Glassubstraten eingesetzt wird. Mithilfe solcher Prozesse werden beispielsweise die aktiven Funktionsschichten auf Flachbildschirmen und Solarzellen erzeugt. Sowohl bei der Herstellung als auch beim Einsatz dieses Prozessmediums ist höchste Vorsicht geboten, da es sich um pyrophorische (luftentzündliche) Gase handelt. Bei Luftkontakt entsteht in einer exothermen Reaktion ein Oxidationsprodukt, das sich in Form eines weißen Belags niederschlägt. Bei sämtlichen Anlagenkomponenten, in denen das Gas gespeichert oder gefördert wird, ist daher auf absolute Dichtigkeit zu achten. In der Produktionsanlage von Air Products wird das Gas über eine Pumpenstrecke, bestehend aus einer Turbomolekularpumpe mit zusätzlicher Membranpumpe, gefördert. Aufgabe der Membranpumpe ist es, ein Vorvakuum von ca. 2 mbar für die weitere Evakuierung durch die Turbomolekularpumpe herzustellen, die dadurch effizienter arbeitet und ein höheres Vakuum erreicht. Zum Einsatz kommt eine chemiefeste Membran-Gasförderpumpe von KNF. Durch das Redesign des Pumpenkopfes konnten die gestiegenen Gasdichtigkeitsanforderungen realisiert werden

EXPLOSIONS GESCHÜTZT Unverfälschtes Fördern Die Funktion einer Membranpumpe basiert auf einem einfachen Prinzip: Eine elastische, an ihrem Rand geklemmte Membran wird in ihrem Zentrum durch einen Exzenter auf- und abbewegt. Auf diese Weise wird das Medium über selbsttätige Ventile gefördert. Dieses Funktionsprinzip hat mehrere Vorteile, die für die beschriebene Anwendung relevant sind: Zum einen wird das geförderte Medium von der ölfreien Pumpe nicht verunreinigt, zum anderen weisen Membranpumpen konstruktionsbedingt eine hohe Gasdichtigkeit auf. Ein weiterer Vorteil ist die Langlebigkeit der patentierten, spannungsoptimierten Strukturmembran. Für diese Anwendung wählte Air Products die Standardausführung des Pumpentyps UN 860.3 FTI Ex, der speziell für den nordamerikanischen Markt entwickelt wurde. Sowohl die Membran selbst als auch der Pumpenkopf bestehen aus dem chemiebeständigen Kunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE), die Ventile aus dem PTFE-ähnlichen fluorierten Elastomer FFKM. Die Pumpe ist konform zu den US-amerikanischen und kanadischen Ex-Schutz-Normen NEC/CEC, die Anschlüsse entsprechen dem US-Gewindestandard NPT (National Pipe Thread). Die maximale Förderleistung beträgt 60 l/min, das maximale Vakuum 1,5 mbar. Ständige Maximalbelastung Der von Air Products gewählte Pumpentyp gehört aufgrund seiner Gasdichtigkeit zu den gefragtesten Ausführungen in vergleichbaren Anwendungen. Bei einer Routinekontrolle nach anderthalbjähriger Betriebszeit kamen jedoch leichte Spuren eines weißen Belags im Bereich der Ventile zum Vorschein. Die Kopfplatte der Membranpumpe zeigte zudem geringfügige Verfärbungen. Die daran anschließende Untersuchung der Betriebsdaten zeigte, dass die Membran-Gasförderpumpe ständig im Bereich der maximalen Vakuumleistung arbeitete. Dies ließ die Vermutung zu, dass der Effekt des sogenannten Kaltflusses eingetreten war, der inelastischen Verformung von PTFE unter besonders starker und andauernder Belastung. Edelstahl statt PTFE Die Lösung brachte ein Redesign des Pumpenkopfes durch KNF, bei dem die PTFE- Kopfplatte durch eine Platte aus rostfreiem Stahl (AISI 316 – mit Zusatz von Molybdän für eine erhöhte chemische Korrosionsfestigkeit) ersetzt wurde. Dadurch wurde eine höhere mechanische Festigkeit erreicht. Für die gestiegenen Gasdichtigkeitsanforderungen wurden zusätzlich die Ventilsitze mit O- Ringen ausgestattet, sodass auch an dieser Stelle kein Kontakt von Luft mit dem Prozessmedium mehr erfolgen kann. Seit etwa zwei Jahren ist die modifizierte Membran-Gasförderpumpe wieder im Einsatz – der beschriebene weiße Belag ist seither nicht mehr aufgetreten. Bei einer zweiten Membranpumpe, die bei Air Products als Reserve für dieselbe Anwendung vorgehalten wird, wurde die gleiche Werkstoffumstellung bei der Pumpenkopfplatte durchgeführt. „Die Zusammenarbeit mit dem Team bei KNF hat sehr gut funktioniert“, sagt Andy Lo, Engineering Associate bei Air Products and Chemicals Inc. „KNF arbeitete eng mit uns zusammen – so konnte mit der Werkstoffumstellung erfolgreich unsere spezifische Anforderung erfüllt werden.“ Individuelle Lösungen Bei der Spezifikation von Membranpumpen für Anwendungen in der Prozessindustrie ist es unverzichtbar, dass diese voll und ganz auf die spezifischen Anforderungen des Verfahrens, die Einsatzbedingungen sowie auf die Eigenschaften des Mediums abgestimmt wird. Verändert sich einer dieser Parameter, ist eine Überprüfung der Spezifikation erforderlich. Durch diese Vorgehensweise wird die optimale Konstruktion und Materialauswahl für jede einzelne Pumpenkomponente, vom Motor über den Pumpenkopf bis hin zu den Membranen und Ventilen, sichergestellt. Auf diese Erfordernisse des Projektgeschäftes ist KNF eingestellt: Konstruktiv ermöglicht das KNF-Baukastensystem, das auf getesteten und geprüften Einzelkomponenten bzw. Werkstoffen beruht, eine spezifikationsgetreue Umsetzung von Projektpumpen, die dank einer flexiblen Fertigung auch in kleinen Stückzahlen hergestellt werden können. Mit rund 30 000 kundenspezifischen Lösungen weltweit verfügt KNF über eine umfangreiche Anwendungserfahrung im Prozessbereich. Halle 8.0, Stand D23 www.knf.de MIT UNS PASSIERT DAS NICHT Powder and Bulk Technology WAREX VALVE GmbH I Stauverbrink 2 I D-48308 Senden, Germany Telefon +49 (0) 25 36 - 99 58-0 I sales@warex-valve.com I www.warex-valve.com

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