Chemischer Beständigkeits- und dynamischer Dauerversuch mit den Sensoren für Reinigungsprozesse in der Prozessindustrie

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Symbolverzeichnis

Abbildung und Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

2 Theoretische Grundlagen der Kunststoffe
2.1 Eigenschaften des Materials PEEK
2.2 Eigenschaften des Materials PVDF
2.3 Eigenschaften des Dichtungsmaterials EPDM und Silikon

3 Chemische Versuchsbeschreibung
3.1 Oberflächenmessungen der einzelnen Sensoren
3.2 Bestimmungen des Gewichtes der einzelnen Sensoren
3.3 Durchführung der chemischen Prüfung
3.4 Auswertung der chemischen Prüfung
3.5 Zusammenfassung und Diskussion der chemischen Prüfung

4 Dynamische Versuchsbeschreibung
4.1 Aufbau der Versuchsanlage
4.2 Durchführung der dynamischen Prüfung
4.3 Auswertung der dynamischen Prüfung
4.4 Zusammenfassung und Diskussion der dynamischen Prüfung

5 Zusammenfassung und Auswertung der Ergebnisse

Literaturverzeichnis

Anlagen
Anlage 1 Versuchsprotokoll des dynamischen Versuches
Anlage 2 Versuchsprotokoll des dynamischen Versuches
Anlage 3 Versuchsprotokoll des dynamischen Versuches

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung und Tabellenverzeichnis

Abb.1: Sensor 1 (Sonde 1) vor Beständigkeitsprüfung in 3%-iger Salpetersäure bei T = 60°C und aus dem Material PEEK

Abb.2: Sensor 1 (Sonde 1) nach Beständigkeitsprüfung in 3%-iger Salpetersäure bei T = 60°C und aus dem Material PEEK

Abb.3: Sensor 2 (Sonde 2) vor Beständigkeitsprüfung in 3%-iger Salpetersäure bei T = 60°C und aus dem Material PVDF

Abb.4: Sensor 2 (Sonde 2) nach Beständigkeitsprüfung in 3%-iger Salpetersäure bei T = 60°C und aus dem Material PVDF

Abb.5: Sensor 3 (Sonde 3) vor Beständigkeitsprüfung in 3%-iger Salpetersäure bei T = 60°C und aus dem Material PEEK

Abb.6: Sensor 3 (Sonde 3) nach Beständigkeitsprüfung in 3%-iger Salpetersäure bei T = 60°C und aus dem Material PEEK

Abb.7: Dynamischer Versuchsaufbau

Abb.8: Dynamischer Versuchsaufbau

Abb.9: VARINLINE Gehäuse zur Sensoranbindung

Abb.10: Sensoren 1 bis 3 in waagerechter Stellung eingebunden

Abb.11: Prozessüberwachungssystem der Firma Jumo

Abb.12: Sensor 1 aus dem Material PEEK nach dynamischer Prüfung

Abb.13: Sensor 2 aus dem Material PVDF nach dynamischer Prüfung

Abb.14: Sensor 2 aus dem Material PVDF nach der dynamischer Prüfung

Abb.15: Sensor 3 aus Material PEEK nach dynamischer Prüfung

Tab.1: Sensor 1 (Sonde 1) Besteht aus dem Material PEEK und mit der Prozessanschlussverschraubung Milchrohrverschraubung

Tab.2: Sensor 2 (Sonde 2) besteht aus dem Material PVDF und mit der Prozessanschlussverschraubung Milchrohrgewinde

Tab.3: Sensor 3 (Sonde 3) besteht aus dem Material PEEK und mit der Prozessanschlussverschraubung Varivent

Tab.4: Sensor 1 (Sonde 1) besteht aus dem Material PEEK und mit der Prozessanschlussverschraubung Milchrohrgewinde

Tab.5: Sensor 2 (Sonde 2) besteht aus dem Material PVDF und mit der Prozessanschlussverschraubung Milchrohrgewinde

Tab.6: Sensor 3 (Sonde 3) besteht aus dem Material PEEK und mit der Prozessanschlussverschraubung Varivent

1.Einleitung

Die Firma Tuchenhagen GmbH ist ein weltweit renommierter Anlagenhersteller für die Prozessindustrie. Bei der Produktion und Verarbeitung von Lebensmitteln sind hygienische Reinheit und hochwertige Qualität sehr wichtig. Das kann nur durch einwandfrei saubere Bearbeitungsanlagen und direkte Reinigung von Anlagenteilen wie Tanks, Rohrleitungen und Pumpen, nach Beendigung der Produktion bzw. vor Beginn einer neuen Produktionsphase gewährleistet werden [1]. Hinsichtlich der Verarbeitung und des Einbaus von Anlagenteilen in Lebensmittelbetrieben sind die Vorschriften unter dem Begriff des „Hygienic Designs“ in entsprechenden Regelwerken festgehalten [2]. Hier sind exemplarisch europäische Organisationen wie die EU Kommission, die European Food Safety Authority (EFSA), das Comité Européen de Normalisation (CEN) sowie die European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG) zu nennen [3]. Damit Produkte diesen Anforderungen entsprechen, muss vor allem die Hygiene im Produktionsprozess einwandfrei sein. Dabei muss darauf geachtet werden, dass sowohl primäre Kontaminationen, z.B. durch die verwendeten Rohstoffe, als auch sekundäre Kontaminationen, z.B. durch verunreinigte Anlagen, während der Herstellung und Verpackung so gering wie möglich gehalten bzw. ganz vermieden werden [4]. Damit soll verhindert werden, dass im Produkt Mikroorganismen oder Toxine entstehen können.

Um diese gesundheitliche Bedrohung der Konsumenten auszuschließen , bzw. so gering wie möglich zu halten, ist eine gründliche Reinigung von Produktionsanlagen wichtig .

Bei den Untersuchungen für die vorliegende Arbeit werden die Rohstoffe und Materialien für die Überwachungssensoren solcher Produktionsanlagen untersucht. Im Rahmen der „cleaning in place“ (CIP)-Reinigung werden Sensoren für die automatischen Reinigungsprozesse eingesetzt [5].

In diesem Projekt werden Sensoren aus unterschiedlichen Werkstoffen der Firma Jumo untersucht. Dabei werden die Sensoren auf ihre chemischen und dynamischen Eigenschaften geprüft. Nach den Versuchen werden die Ergebnisse ausgewertet und analysiert ob die Werkstoffe sich als Herstellstoff für Sensoren eignen und ob man sie einsetzen kann.

Die drei Sensoren bestehen aus folgenden Werkstoffen:

- Sensor 1 (Sonde 1) besteht aus dem Material PEEK mit dem Dichtungsmaterial EPDM und der Prozessanschlussverschraubung Milchrohrverschraubung.
- Sensor 2 (Sonde 2) besteht aus dem Material PVDF mit dem Dichtungsmaterial Silikon und der Prozessanschlussverschraubung Milchrohrverschraubung.
- Sensor 3 (Sonde 3) besteht aus dem Material PEEK mit dem Dichtungsmaterial EPDM und der Prozessanschlussverschraubung Varivent.

Bevor die Sensoren geprüft werden, wird der Ausgangszustand der einzelnen Sensoren ermittelt. Dabei wird die Oberfläche der Sensoren ermittelt bzw. es werden die Ra-Werte gemessen [6].

Im Anschluss werden die Sensoren einzeln abgewogen und das Gewicht der Sensoren festgestellt. Bei der Auswertung wird der Ausgangszustand mit dem Endzustand der jeweiligen Sensoren verglichen. Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Werkstoffauswahl und dessen Verhalten in der Praxis.

Nach Ablauf der Gewichtsmessung werden die Sensoren chemisch gereinigt, um zu klären ob die Werkstoffe gegen chemische Stoffe wie Säuren und Basen beständig sind und zum Schluss wird der Dauerversuch als dynamischer Versuch durchgeführt.

2. Theoretische Grundlagen der Kunststoffe

Als Kunststoff bezeichnet man einen Festkörper, dessen Grundbestandteil syn-thetisch oder halbsynthetisch aus monomeren organischen Molekülen hergestellt wird [7]. Kunststoffe können sowohl aus linearen Ketten wie aus verzweigten und vernetzten Ketten bestehen [8]. Ein herausragendes Merkmal von Kunststoffen ist, dass sich ihre technischen Eigenschaften wie Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit, Temperatur- und chemische Beständigkeit durch die Wahl von Ausgangsmaterial, Herstellungsverfahren und Beimischung von Zusätzen in weiten Grenzen variieren lassen. Kunststoffe werden nach Aufbau und Eigenschaften in Duroplaste, Thermoplaste und Elastomere aufgeteilt.

In dieser Arbeit werden die folgenden Kunststoffe näher betrachtet:

- Elastomere bzw. die Untergruppen PEEK und PVDF als Herstellungs-
material für die Sensoren.
- EPDM und Silikon als Dichtungsmaterial für die Sensoren.

2.1 Eigenschaften des Materials PEEK

Die Eigenschaften dieses Werkstoffes sind vergleichbar mit denen von POM oder PET. Polyetheretherketone besitzen außer einer sehr guten Temperaturfestigkeit auch noch die folgenden besseren mechanischen Eigenschaften [9]:

- Hohe Festigkeit, hohe Steifigkeit, gute Chemikalienbeständigkeit, schwer entflammbar.
- Günstiges Gleit- und Abriebverhalten und ein Temperatureinsatzbereich von 65°C bis 240°C.

2.2 Eigenschaften des Materials PVDF

Dieser Hochleistungskunststoff hat eine sehr gute chemische Beständigkeit mit guten mechanischen Eigenschaften. PVDF-Werkstoffe gehören zu den

Fluorkunststoffen und besitzen aufgrund ihres hohen Fluorgehalts die folgenden Eigenschaften [9]:

- Eine hohe Festigkeit sowie eine hohe Kriechfestigkeit unter Dauerbelastung.
- Gute Kälteeigenschaften und eine hohe Temperaturbeständigkeit zwischen 30°C bis 150°C.

2.3 Eigenschaften des Dichtungsmaterials EPDM und Silikon

Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk -EPDM- hat folgende Eigenschaften:

- Hervorragende Licht- und Witterungsbeständigkeit, eine gute Kältebeständigkeit.
- Ausgezeichnete Waschlaugenbeständigkeit.
- Nicht ölbeständig.
- Kann bis zu einer Temperaturbereich von 130ºC eingesetzt werden, bei kurzfristiger Einwirkungsdauer sogar bis 150ºC.
- Weitgehend beständig gegen Säuren und Laugen auch bei erhöhten Temperaturen.

Silikone werden in Form von Ölen, Harzen und Kautschuken verwendet und haben folgende Eigenschaften:

- Eine hohe Wärmebeständigkeit.
- Die mechanischen Eigenschaften ändern sich bei Temperaturwechsel nur geringfügig.
- Sie sind temperaturstabil und flexibel von -5°C bis 200°C.
- Die Dauerwärmebeständigkeit liegt für die meisten Silikone bei 150°C bis 180°C.
- Sie haben eine stark wasserabweisende Wirkung.
- Sie reagieren fast überhaupt nicht mit Säuren oder Basen.
- Auch biologisch sind Silikone nahezu unreaktiv.

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