Für Vakuummischtrockner mit raschen Temperaturwechseln eignen sich vor allem metallbalggestützte Gleitringdichtungen sowie doppelte Gleitringdichtungssysteme mit kontrolliertem Sperrmedium. Bei hoher Reinheitsanforderung oder wenn ein Eintrag einer Sperrflüssigkeit in das Produkt ausgeschlossen werden soll, kommen gasgesperrte oder – unter geeigneten Betriebsbedingungen – gasgeschmierte Dichtungen in Betracht. Die Auswahl darf jedoch nie allein auf der maximalen Temperatur beruhen. Entscheidend sind das gesamte Temperaturprofil, das Vakuumniveau, die Drehzahl und axiale Bewegung der Mischwelle, die chemische Beständigkeit gegenüber Produkt, Lösemittel und Reinigungsmedien, die geforderte Dichtheit, der ATEX- und Inertisierungsbedarf sowie das Reinigungs- und Wartungskonzept.

Die dynamische Wellendichtung ist beim Vakuummischtrockner die anspruchsvollste Dichtstelle. Sie muss die rotierende Mischwelle gegenüber dem Vakuumraum abdichten und gleichzeitig Relativbewegungen zwischen Welle, Dichtungsgehäuse, Lagerung und Behälter aufnehmen. Wenn der Mantel oder das Mischgut schnell aufgeheizt oder abgekühlt wird, dehnen sich diese Bauteile unterschiedlich stark und zeitlich versetzt aus. Die Welle kann sich axial verlängern, das Gehäuse kann sich radial verformen, und im Dichtungsbereich können hohe Temperaturgradienten entstehen. Eine ungeeignete Dichtung kann dadurch verkanten, an Vorspannung verlieren, übermäßig verschleißen oder Leckage verursachen.

Für solche Anwendungen ist eine Metallbalg-Gleitringdichtung besonders geeignet. Der metallische Faltenbalg übernimmt die axiale Beweglichkeit und stellt die Vorspannung der Gleitflächen bereit. Dadurch kann er thermische Längenänderungen der Welle aufnehmen, ohne dass dynamisch gleitende Elastomer-O-Ringe auf der Welle erforderlich sind. Gerade diese dynamischen Elastomer-O-Ringe können bei starken Temperaturwechseln, aggressiven Lösemitteln, Produktanhaftungen oder Ablagerungen problematisch sein. Sie können quellen, schrumpfen, verhärten oder durch Reibung und Ablagerungen in ihrer Bewegung behindert werden. Metallbalgdichtungen vermeiden dieses Risiko weitgehend und werden deshalb für Vakuum, hohe Temperaturen, aggressive Chemikalien und stark schwankende Prozessbedingungen eingesetzt.

Der Metallbalg selbst muss aus einem Werkstoff bestehen, der gegenüber dem jeweiligen Medium und den auftretenden Temperaturwechseln beständig ist. Je nach Anwendung kommen hochlegierte Edelstähle oder Nickelbasislegierungen in Betracht. Die Auswahl hängt unter anderem von Säuren, Laugen, Chloriden, Lösemitteln, Temperatur, Feuchte, möglicher Spannungsrisskorrosion und der erwarteten Zahl thermischer Zyklen ab. Ebenso wichtig ist die Wahl der Gleitflächen. Hartstoffpaarungen wie Siliciumcarbid, Wolframcarbid oder Kohlewerkstoffe können je nach Schmierzustand, Abrasivität, Vakuum, Temperatur und zulässiger Kontamination eingesetzt werden. Eine allgemeingültige Werkstoffpaarung gibt es nicht, weil die Eignung stark von Produkt, Drehzahl und Betriebszuständen abhängt.

Für anspruchsvolle Vakuummischtrockner ist eine doppeltwirkende Gleitringdichtung häufig die robusteste Gesamtlösung. Sie besteht aus zwei hintereinander angeordneten Dichtstufen mit einem kontrollierten Zwischenraum. Dieser Sperrraum kann mit einer Sperrflüssigkeit oder mit Sperrgas betrieben werden. Die zweite Dichtebene verbessert die Prozesssicherheit, erschwert den Eintritt von Umgebungsluft in den Vakuumprozess und begrenzt im Fehlerfall einen möglichen Produktaustritt in die Umgebung. Dies ist insbesondere bei toxischen, brennbaren, geruchsintensiven oder hochwertigen Produkten relevant.

Bei einer flüssigkeitsgesperrten Doppeldichtung erfüllt das Sperrmedium mehrere Funktionen. Es schmiert und kühlt die Gleitflächen, führt Reibungswärme ab und kann Temperaturschwankungen im Dichtungsbereich abpuffern. Ein Thermosiphon oder ein externes Umlaufaggregat sorgt dafür, dass Druck, Temperatur, Flüssigkeitsstand und gegebenenfalls Durchfluss im erforderlichen Bereich bleiben. Gerade bei schnellen Temperaturwechseln kann die kontrollierte Temperierung des Sperrmediums die Standzeit der Dichtung deutlich verbessern. Die Wärmelast an den inneren Gleitflächen wird reduziert, die sekundären Dichtelemente werden geschont und die Gefahr von Verformungen im Dichtungsbereich sinkt. Doppelte metallbalggestützte Dichtungen verbinden dabei die thermische Ausgleichsfähigkeit des Metallbalgs mit der zusätzlichen Sicherheits- und Überwachungsfunktion eines Sperrsystems.

Der Sperrdruck muss zum Dichtungskonzept und zum Prozessdruck passen. Bei einer druckbeaufschlagten Flüssigkeitssperre wird der Sperrdruck üblicherweise oberhalb des Prozessdrucks geführt. Bei Vakuumbetrieb ist dabei besonders zu prüfen, ob bei einer inneren Leckage Sperrflüssigkeit in das Produkt gelangen könnte. In pharmazeutischen, feinchemischen oder hochreinen Prozessen muss das Sperrmedium deshalb im Rahmen der Containment-, Reinigungs- und Risikoanalyse bewertet werden. Je nach Anwendung können beispielsweise ein geeignetes Thermoöl, ein Wasser-Glykol-Gemisch oder ein pharmazeutisch akzeptables Sperrfluid eingesetzt werden. Die Wahl hängt davon ab, welche Konsequenz ein möglicher Spureintrag in das Produkt hätte.

Wenn der Eintrag einer Sperrflüssigkeit unerwünscht oder nicht zulässig ist, kann eine doppelte gasgesperrte Gleitringdichtung sinnvoll sein. Hier wird häufig Stickstoff als Sperrgas eingesetzt. Der Gasstrom bildet eine definierte Barriere zwischen Prozess und Umgebung und kann gleichzeitig zur Inertisierung beitragen. Das ist bei oxidations- oder feuchtigkeitsempfindlichen Produkten sowie bei brennbaren Lösemitteln vorteilhaft. Bei raschen Temperaturwechseln muss die Gasversorgung jedoch besonders stabil geregelt werden, weil sich Druck und Volumen des Gases bei Erwärmung und Abkühlung verändern. Der Sperrgasdruck, der Verbrauch, die Temperatur im Dichtungsraum und die Abführung möglicher Leckageströme sollten überwacht werden. Ein trocken betriebenes Mischertrockner-Dichtungssystem mit Stickstoff- oder Luftbarriere kann den Druck im Dichtungsraum als Zustandsindikator nutzen und ist speziell für Anwendungen mit großen Temperaturänderungen und thermischen Ausdehnungen verfügbar.

Gasgeschmierte, berührungslose Dichtungen – oft als Dry-Gas-Seals bezeichnet – sind eine Sonderform der gasgesperrten Technik. Speziell strukturierte Gleitflächen erzeugen bei geeigneter Rotation ein dünnes Gaspolster. Die Gleitflächen berühren sich dann im Normalbetrieb kaum noch. Dadurch sinken Reibung, Verschleiß und Wärmeeintrag. Solche Systeme können bei sehr hohen Reinheitsanforderungen und geeigneten Betriebsbedingungen attraktiv sein. Allerdings benötigen sie präzise hergestellte Dichtflächen, eine stabile Gasversorgung, eine sichere Druckregelung und ausreichende Betriebsbedingungen. Bei langsam laufenden, drehmomentstarken Mischwerken ist nicht jede gasgeschmierte Dichtung gleich geeignet. Die konkrete Eignung muss deshalb mit dem Dichtungshersteller und unter Berücksichtigung von Anfahr-, Stillstands- und Notbetriebszuständen bewertet werden.

Neben der dynamischen Wellendichtung müssen sämtliche statischen Verbindungen vakuumdicht sein. Dazu gehören Mannlochdeckel, Inspektionstüren, Schaugläser, Flansche, Sensoranschlüsse, Filtergehäuse, Heizmantelanschlüsse und Austragsorgane. Für diese Anwendungen stehen unterschiedliche Dichtwerkstoffe zur Verfügung. FFKM eignet sich für sehr aggressive Chemikalien, hohe Temperaturen und anspruchsvolle Reinigungsmedien. FKM ist bei vielen organischen Lösemitteln, Ölen und moderaten bis höheren Temperaturen eine weit verbreitete und wirtschaftliche Lösung. EPDM eignet sich besonders für Heißwasser, Dampf und wässrige Reinigungsmedien, ist aber für viele Öle, Fette und unpolare Lösemittel ungeeignet. PTFE und modifiziertes PTFE besitzen eine sehr breite Chemikalienbeständigkeit und geringe Reaktivität, benötigen wegen ihres Kaltflussverhaltens jedoch eine passende konstruktive Abstützung. Metallische C-Ringe, E-Ringe oder Spiraldichtungen können bei hohen Temperaturen, hohen Druckdifferenzen oder besonders hohen Anforderungen an die Formstabilität sinnvoll sein, stellen aber höhere Anforderungen an Flanschgeometrie, Oberflächenqualität und Montagekräfte.

Bei statischen Dichtungen ist die richtige Nutgeometrie ebenso wichtig wie der Werkstoff. Die Dichtung muss über den gesamten Temperaturbereich ausreichend verpresst bleiben, darf aber nicht so stark belastet werden, dass sie durch Temperaturwechsel, Quellung oder bleibende Verformung beschädigt wird. Definierter Verpressungsgrad, geeignete Nuttiefe und Nutbreite, saubere Oberflächen, gleichmäßige Flanschverschraubung und kontrollierte Anzugsmomente sind deshalb wesentliche Voraussetzungen für eine dauerhafte Vakuumdichtheit. Bei kritischen Verbindungen können PTFE-ummantelte Dichtungen mit elastischem Kern oder metallisch unterstützte Dichtungen die Vorteile hoher chemischer Beständigkeit mit zusätzlicher Formstabilität verbinden.

Die konstruktive Einbindung der Dichtung in den Vakuummischtrockner ist mindestens so wichtig wie die Dichtung selbst. Der Dichtungsbereich sollte möglichst gleichmäßig temperiert werden, damit Welle, Dichtungsgehäuse und Flansch nicht mit stark unterschiedlichen Temperaturen arbeiten. Eine gezielte Kühlung oder Temperierung des Dichtungsgehäuses kann die Temperatur der sekundären Dichtungen, Lager und Gleitflächen im zulässigen Bereich halten. Gleichzeitig sollten axiale und radiale Wärmedehnungen konstruktiv berücksichtigt werden. Große Mischwellen können sich bei hohen Temperaturunterschieden deutlich verlängern. Metallbalgdichtungen sind dafür besonders geeignet, weil sie die axiale Bewegung elastisch aufnehmen können. Ein Beispiel für eine Dichtung für horizontale Trockner und Reaktoren ist ausdrücklich darauf ausgelegt, Vakuum während großer Temperaturänderungen und thermischer Ausdehnungen sicher zu halten.

Ein belastbares Dichtungskonzept benötigt außerdem eine kontinuierliche Zustandsüberwachung. Bei Sperrflüssigkeitssystemen sollten mindestens Sperrdruck, Temperatur, Füllstand und gegebenenfalls Durchfluss überwacht werden. Bei gasgesperrten Systemen sind Gasdruck, Gasverbrauch, Gasqualität und Abgasführung relevant. Zusätzlich können Differenzdruck zwischen Prozess, Sperrraum und Atmosphäre, Temperatur am Dichtungsgehäuse, Lagertemperatur, Schwingungen und Antriebsdrehmoment wichtige Hinweise auf Verschleiß, Leckage, Produktanhaftungen oder Wellenverzug liefern. Alarmgrenzen, Abschaltlogik, Inspektionsintervalle und ein vorbeugendes Wartungskonzept sollten bereits bei der Auslegung festgelegt werden.

In der Praxis ist für einen Vakuummischtrockner mit häufigen und schnellen Temperaturwechseln eine doppelte Metallbalg-Gleitringdichtung mit überwachten Sperrsystem häufig die bevorzugte Ausgangslösung. Sie nimmt thermische Wellenbewegungen auf, vermeidet dynamisch gleitende Elastomer-O-Ringe und bietet mit der zweiten Dichtebene eine hohe Prozesssicherheit. Eine flüssigkeitsgesperrte Ausführung ist vorteilhaft, wenn Kühlung und Schmierung der Gleitflächen besonders wichtig sind und ein kompatibles Sperrmedium toleriert werden kann. Eine gasgesperrte Ausführung ist bevorzugt, wenn Sperrflüssigkeit im Produkt unerwünscht ist oder wenn der Prozess ohnehin mit Stickstoff inertisiert wird. Für extreme Temperaturwechsel, aggressive Medien und hohe Vakuumanforderungen sind metallbalggestützte Bauformen meist robuster als klassische Pusher-Dichtungen mit dynamisch bewegten Elastomeren.