Neues Abdichtungskonzept für Vakuum-Homogenisatoren

dem aggregat anGEpasst

17.02.2007 Der Trend zu immer kleineren Tröpfchen- bzw. Partikelgrößen beim Homogenisieren und Emulgieren von flüssigen und halbfesten Formen ist nach wie vor ungebrochen. Die neue Vakuumprozessanlage RoTwin bietet mit ihrem neuen Homogenisierkonzept eine sehr gute Möglichkeit, sehr hohe Feinheiten bei einer extrem engen Tropfengrößen-Verteilung zu erzielen. Ebenso anspruchsvoll gestaltet sich die Gleitringdichtung mit einer ungewöhnlichen Bauart. Hierfür wurde ein Abdichtungskonzept mit zwei doppeltwirkenden Gleitringdichtungen in koaxialer Bauweise, die auch noch gegenläufig zueinander funktionieren, entwickelt.

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Die Vakuum-Prozessanlage wird zur Herstellung von Emulsionen und Suspensionen für höherwertige kosmetische und pharmazeutische Produkte in einem breiten Viskositätsbereich eingesetzt. Der Homogenisator arbeitet auf der Basis einer Zahnkranz-Dispergiermaschine. Im Unterschied zu herkömmlichen Homogenisatoren besitzt er zwei unabhängig voneinander angetriebene Rotoren, wobei Rotor 2 in beide Richtungen drehen kann. Vor Rotor 1 ist auf derselben Antriebswelle ein Inducer, d.h. ein axiales Förderelement, platziert, der das Produkt aus dem Arbeitsbehälter ansaugt und stromabwärts in den Homogenisator fördert. Aufgrund seiner ausgeprägten Fördereigenschaft erzeugt der Inducer im Scherspalt einen Überdruck. Das Entstehen von Kavitation beim Dispergieren ist somit vermieden.

Herausforderung an dieDichtungstechnik

Drehen beide Rotoren gegenläufig, sind Umfangsgeschwindigkeiten bis zu 84 m/s möglich. Diese hohen Umfangsgeschwindigkeiten wirken sich positiv auf die Scherwirkung aus. So können Emulsionen mit Tropfengrößen bis in den nm-Bereich hergestellt werden. D50-Werte von unter 200nm sind möglich. Sind beide Rotoren im Gleichlauf, besitzt der Homogenisator eine ausgeprägte Pumpwirkung bei geringem Energieeintrag. Pumpleistung und Energieeintrag sind unabhängig voneinander regelbar und lassen sich an die jeweiligen Anforderungen des Prozesses anpassen. Ein Scale-up auf andere Baugrößen dieser Baureihe ist somit gewährleistet.

Eine große Herausforderung an die Dichtungstechnik zeigt sich bei den getrennt arbeitenden Antriebswellen. Durch die gegenläufigen Drehrichtungen der Antriebswellen entstehen Relativbewegungen an den Abdichtungen bis zu 8000min-1. Konstruktiv musste hierbei eine optimale Zirkulationsführung hergestellt werden. Zur Abführung und Steuerung der entstehenden Reibwärme dienen spezielle Strömungskanäle, welche die einzelnen Abdichtstellen, d.h. die Hauptabdichtungsstellen und Nebenabdichtungen, effektiv miteinander durchströmen.
Beim hochkomplexen Dichtungskonzept des Typs 541 KS wird das druckbeaufschlagte Sperrmedium, in diesem Fall VE-Wasser, von der ersten Hauptabdichtung in doppeltwirkender Funktion zu einer zweiten, inneren Doppeldichtung geleitet. Beide Abdichtungseinheiten sind in koaxialer Bauweise, also radial übereinander angeordnet. Dadurch ist es dichtungstechnisch möglich, beide Rotoren drehrichtungsunabhängig und getrennt voneinander zu betreiben. Für einen montagegerechten Einbau wurde das komplette Dichtungskonzept in zwei separate und vormontierte Patroneneinheiten aufgebaut. Produktseitig wurde eine CIP/SIP-gerechte Konstruktion hergestellt. Alle Komponenten sind FDA-konform. Neben der guten Reinigbarkeit wurden Gleitwerkstoffe unter Beachtung einer optimalen Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt.

Hohe Drehzahlen: umlaufendeMassen klein halten

Schnelllaufende Vakuum-Prozessanlagen verlangen Hightech-Dichtungen. Bei hohen Gleitgeschwindigkeiten – >25m/s – sollten die federbestückten Dichtungskonstruktionen wegen der hohen Fliehkrafteinflüsse stationär angeordnet werden. Grundsätzlich sollten bei hohen Drehzahlen die umlaufenden Massen und damit die Schwingungen und Unwuchterscheinungen so klein wie möglich gehalten werden. Ein weiteres Augenmerk erfolgt in der konstruktiven Maßnahme, Lufteinschlüsse zu vermeiden. Dies könnte zu einer erhöhten Flächenreibung bzw. Trockenlauf führen, was eine erhebliche Laufzeitverkürzung zur Folge haben kann. Für eine gute Zwangszirkulation sorgt eine entsprechende Umwälzeinheit. Die nötigen Durchsatzmengen des Sperrmediums sind bei diesen Betriebsbedingungen relativ hoch. Hierbei sind der Wärmeeintrag durch Verwirbelung des durchströmenden Sperrmediums und die Stirnflächenreibung der Gleitringe wesentliche Komponenten.

Schnelllaufende Vakuum-Prozessanlagen verlangen Hightech-Dichtungen

Heftausgabe: Februar 2007
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Über den Autor

Peter Bock , Vertriebsingenieur, Chetra Dichtungstechnik
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