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Mobile Filtrationsanlage erhält Ex-Schutz durch Überdruckkapselung

Bild 1. Vereinfachtes R&I-Fließbild der organophilen Nanofiltrationstestanlage

Bild 2. Mobile Nanofiltrationsanlage mit Schaltschrank in Zündschutzart Ex p

Bild 3. Das Atex-konforme Touchscreen-Bedienterminal ist in den Schaltschrank integriert

Bild 4. USV-Systeme von R. Stahl sorgen für normgerechte Batterieüberwachung im Ex-Bereich

Das sächsische Anlagenbauunternehmen Andreas Junghans hat in Zusammenarbeit mit R. Stahl eine Filtrations-Testanlage für den Einsatz in Ex-Bereichen entwickelt. Die kompakt ausgeführte Anlage ist auf einem Rollrahmen montiert und lässt sich auftragsgemäß an verschiedenen Orten einsetzen. Im Schaltschrank wird durch Spülung mit einem Inertgas eine nichtexplosive Atmosphäre erzeugt. Die Überdruck­kapselung des Gehäuses erlaubt es, die gesamte Steuerung mit Standard-Industrie­komponenten auszurüsten. Bei der Bedieneinheit wird auf HMI-Technologie von R. Stahl gesetzt.

Andreas Junghans Anlagenbau und Edelstahlbearbeitung, ein auf anspruchsvolle Metallkonstruktionen, Labortechnik und Sonderanlagen spezialisiertes Unternehmen, konstruiert und baut seit 1996 Komponenten, Behälter und Komplettanlagen zur Abtrennung verschiedener Substanzen aus flüssigen Medien. In Zusammenarbeit mit öffentlichen und privaten Forschungseinrichtungen entwickelte das Unternehmen ein Konzept für Nano­filtrationsanlagen, die zukünftig breite Anwendung in verschiedenen Branchen finden können. Bisher hat Andreas Junghans eine Reihe von ­Nanofiltrationsanlagen zur Aufbereitung von speziellen Industrieabwässern, wie stark alkalischen Waschbädern und heißen Abwässern, realisiert. Im Auftrag eines belgischen Forschungsinstituts entstand nun eine Einzelanfertigung für den Betrieb mit organischen Lösemitteln. Die Anlage sollte mobil sein und Ex-Schutz gemäß II 2/3G IIB T4 bieten.

Die Anwendung
Neben den Explosionsschutzanforderungen musste die Nanofiltrationsanlage den GMP-Regularien (Good Manufacturing Practice) entsprechen, einen maximalen Betriebsdruck von 60 bar aufweisen und sich zudem einfach an unterschiedliche Einsatzorte bewegen lassen. Die Anlage wurde daher kompakt ausgeführt und zusammen mit dem Schaltschrank auf einem Rollrahmen installiert. Das Konzept (Bild 1) erlaubt gleichermaßen Anwendungen mit Keramik- und Polymermembranen. Die unterschiedlichen Filtrationsmodule können durch zwei Kreisläufe separat vonei­nander betrieben werden. Der Druck in der Anlage wird durch eine Verdrängerpumpe erzeugt, wobei ein Regelventil einen Teil des Retentatstroms zurück in den Vorlagebehälter überführt. Über dieses Regelventil kann der genaue Betriebsdruck eingestellt werden. Um Ablagerungen auf der Membran zu vermeiden, wird durch eine zweite Pumpe ein Volumenstrom quer zur Filtrationsrichtung erzeugt. Dieser erzielt einerseits eine Scherwirkung und wälzt anderseits das Stoffgemisch um. Ein Coriolis-Massendurchflussmesser erfasst den Volumenstrom, anhand dessen die Drehzahl des Pumpenmotors geregelt wird, um den eingestellten Sollwert zu erreichen. Die durch die Membran permeierende Flüssigkeit (Permeat) gelangt nach der Durchflussmessung in einen externen Behälter; sie kann für einen zweiten Filtrationsschritt zurück in den Vorlagetank geführt werden. Die Filtration geschieht entweder als chargenweises Aufkonzentrieren der Flüssigkeit im Vorlagetank oder mit kontinuierlicher Nachförderung (Option der Diafiltration). Den Anforderungen der GMP-Richtlinie bezüglich der Tot­raumfreiheit und Oberflächengüte der produktberührenden Teile wurde durch die Verwendung von speziellen ­Verbindungsarmaturen, automatisierten Schweißverfahren und einer hohen Fertigungsqualität Rechnung getragen. Sämtliche produktberührenden Teile der Anlage sind aus Edelstahl 1.4404/1.4435 gefertigt, als Dichtungswerkstoffe wurden FFKM- und FEP-ummantelte O-Ringe eingesetzt (FFKM: Perfluorkautschuk, FEP: Perfluorethylenpropylen-Copolymer).

Steuerungsschaltschrank in Zündschutzart Ex p
Da es sich um eine Einzelanfertigung für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich handelt und der Aufbau der Steuerung adäquat zu einer Steuerung im sicheren Bereich mit Standardkomponenten erfolgen sollte, wurde die Zündschutzart Überdruckkapselung (Ex p) für den Schaltschrank gewählt (Bild 2). Im Inneren des Ex-p-Gehäuses wird eine nicht explosionsfähige Atmosphäre geschaffen, indem es mit Inertgas gespült wird und ein innerer Überdruck im Millibar-Bereich, der das Eindringen von explosiven Gasgemischen in das Gehäuse verhindert, erzeugt wird. Dieser Überdruck wird permanent von dem eingesetzten Steuergerät aufrechterhalten und überwacht. Die Inertgas-Zufuhr erfolgt über ein am Gehäuse befindliches Digitalventil. Bei einer Unterschreitung des eingestellten Schwellwerts wird zuerst das Lufteinlassventil geöffnet, um den Druckverlust wieder auszugleichen. Sollte der gemessene Druckwert weiterhin unter dem Schwellwert liegen, so erfolgt abhängig von der definierten Ex-Zone entweder eine sofortige Abschaltung (Zone 1) oder mindestens eine Alarmierung des Betreibers (Zone 2). Für die vorgenannte Spülung mit Inertgas beträgt das benötigte Spülvolumen ein Mehrfaches des Schrankvolumens und wird über ein Messverfahren nach den Vorgaben der DIN EN 60079-2 (VDE 0170-3) ermittelt und dokumentiert. Weitere Vorteile der Zündschutzart Ex p für diese Anwendung sind das geringere Gewicht gegenüber dem Einsatz von druckfesten Gehäusen (Ex d) sowie die Möglichkeit einer zusätzlichen Abfuhr von Verlustwärme durch den Einsatz eines Vortex-Kühlers.

Ex-gerechte Bedieneinheit
Die Bedienung der Anlage ist halbautomatisch und erfolgt mittels eines berührungssensitiven Bildschirms von R. Stahl HMI Systems, der direkt in den Schaltschrank integriert ist (Bild 3). Die Visualisierung des Prozesses basiert auf Win CC Flexible von ­Siemens. Der Datenaustausch erfolgt mit der inte­grierten Siemens-SPS und dem ­Bedienterminal MT436. Der innere Aufbau ist bei den HMI-Serien ET und MT so ausgeführt, dass die Geräte ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen in überdruckgekapselten Gehäusen für die Ex-Zone 1 (Serie ET) bzw. die Ex-Zone 2 (Serie MT) eingesetzt ­werden können. In jedem Fall ist die volle Funktionalität des Touchscreens gegeben. Die regelbaren Betriebs- und Alarmparameter können direkt über den Bildschirm eingegeben werden. Um eine maximale Sicherheit zu gewährleisten, unterscheidet die Steuerung vier Berechtigungslevel für Bediener.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung
Die besonders in der Pharmaindustrie wichtige validierbare Archivierung der Betriebsparameter war ein weiteres Auftragskriterium. Die Daten (Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand) werden fortdauernd an mehreren Stellen erfasst und in einer Datenbank gespeichert, die nur autorisiertem Personal zur Verfügung steht. Um bei einem Ausfall des Energieversorgungsnetzes diese Daten nicht zu verlieren, sollte eine Spannungsversorgung implementiert werden, die im Notfall zumindest die Versorgung des Panel-PC sicherstellt, um die gewonnenen Daten zu sichern. Eine Integration in den überdruckgekapselten Schrank ist nicht möglich, da Batterien mit der benötigten Kapazität weder in Ex-p- noch in Ex-d-Gehäuse eingebaut werden dürfen. Es sind daher speziell zugelassene Batteriegehäuse notwendig. R. Stahl hat unter Rückgriff auf ein modulares Sortiment unterbrechungsfreier Stromversorgungen für explosionsgefährdete Umgebungen eine passende Lösung implementiert (Bild 4). Während des normalen Betriebs in Ex-Atmosphäre werden die notwendigen Batterien geladen, um bei einem Spannungsausfall für einen Zeitraum von ca. 60 min die Versorgung des Panel-PC sicherzustellen. Ein integrierter Ex-USV-Guard überprüft die Funktionen des Ladegeräts und der Batterien sowohl nach Atex-Richtlinien als auch nach DIN EN 60079 ff und sorgt so für einen sicheren Betrieb.

Fazit
Durch die Zusammenführung der Fachkompetenzen der Unternehmen Andreas Junghans und R. Stahl entstand eine optimal angepasste Anlage. Der Betreiber testet derzeit unterschiedliche Anwendungen, die nach einem erfolgreichen Abschluss der Testreihen in der Industrie etabliert werden sollen. Der Anlagenbauer sieht für die Anlage jedoch schon heute vielfältige Anwendungsgebiete in der chemischen und pharmazeu­tischen Industrie. Sie erschließe neue, sehr wirtschaftliche und umweltschonende Produktionsmöglichkeiten und die nun entwickelte Bauform für explosionsgefährdete Bereiche erweitere den Einsatzbereich noch mehr.

Details zur Nanofiltration
Die organophile Nanofiltration ist ein druckgetriebenes Membrantrennverfahren zur Abtrennung von Partikeln aus wässrigen Medien aufgrund ihrer Größe oder Ladungseigenschaften. Die Rückhaltwerte liegen zwischen denen von Ultrafiltration und Umkehrosmose im Nanometerbereich. Eingesetzt werden organophile, das heißt Wasser abweisende, Membranen aus keramischen Werkstoffen, die aufgrund ihres jewei­ligen speziellen Diffusionsverhaltens verschiedene gelöste Komponenten permeieren lassen. Industrielle Einsätze sind derzeit noch selten. Es existieren einige Anwendungen für wässrige Me­dien, jedoch überwiegen andere Trennverfahren, wie Destillation, Rektifikation oder Adsorption, noch sehr deutlich. Die organophile Nanofiltration hat allerdings Vorteile. Da während der Filtration kein Phasenübergang stattfindet, ist der Energiebedarf geringer. Zudem schont der Prozess aufgrund niedriger Temperaturen die abzutrennenden Partikel, was speziell bei empfindlichen Substraten ausschlaggebend sein kann. Diese Eigen­schaften spielen eine wichtige ­Rolle in der chemischen Prozessindustrie, wo der Einsatz für das Recycling von organischen Lösemitteln, die Rückgewinnung von teuren Katalysatoren, die Fraktio­nierung von Stoffgemischen, die Konzentration bestimmter Substanzen und eventuell für die anschließende Löse­mittelsubstitution infrage kommt. In der pharmazeutischen Industrie können mithilfe der organophilen Nanofiltration bestimmte Proteine, Antibiotika, Vitamine oder Polysaccharide sanft separiert werden. Somit ist neben der Verminderung des Abfallstroms ein hohes Wertschöpfungspotenzial mit dieser Technologie verbunden.

100 % Prozesssicherheit im Ex-Bereich: Modulare USV-Lösungen im Detail
Für den sicheren Betrieb von Systemen, bei denen hundertprozentige Verfügbarkeit unerlässlich ist, bietet R. Stahl einen Baukasten für Ex-geschützte unter­brechungsfreie Stromversorgungen mit einer breiten Auswahl an Komponenten. Sie lassen sich flexibel kombinieren und gegebenenfalls besonders ausstatten, um eine optimale Anpassung an die Anforderungen spezifischer Anwendungsfälle zu gewährleisten. Die USV-Lösungen können wahlweise auf den Bereitschaftsparallel- oder den Bereitschafts­umschaltbetrieb ausgelegt werden. USV-Systeme der Ex-Spezialisten ermöglichen es, angeschlossene Geräte über Zeitspannen zwischen 30 min und mehreren Stunden autonom zu speisen und weiterzubetreiben. Der Modulbaukasten umfasst Ladegeräte, verschiedene explosionsgeschützte Akkutypen (Blei-Gel, NiCd, NiMH), Ladeüberwachungstechnik samt Alarmmeldern, DC-Energieverteilungen und Wechselrichter für unterschiedliche Leistungsbereiche bis maximal 3 000 VA. Über den Baukasten hinaus kann das Unternehmen den Explosionsschutz einzelner Module je nach Anforderung individuell auslegen und die nötige Zertifizierung gewährleisten. Mittels robuster Komponenten und Schutzvorkehrungen können die Systeme selbst für extreme Umweltbedingungen, wie etwa starke Hitze oder Kälte, hohe Luftfeuchtigkeit oder salzhaltige Atmosphäre, ertüchtigt ­werden. Bei Bedarf sind Leistungs- und Funktionsanpassungen an kundenspe­zifische Vorgaben möglich. R. Stahl begleitet Implementierung und Betrieb mit Beratungsangeboten in allen Phasen von der Projektierung über Lieferung und Inbetriebnahme bis zum anschließenden Service.

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Autor: Marcel Franowski ist Projektingenieur Anlagenbau bei Andreas Junghans Anlagenbau und Edelstahlbearbeitung.

Autor: Wolfgang Möller ist Sales Manager System Solution bei R. Stahl.