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Kolbenpumpe zum Fördern von aggressiven Flüssigkeiten
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phären, z. B. 50 Atmosphären, in einen Re- aktionsraum einzuführen. Die Durchführung des drucksteigern : den Pumpvorganges mit einer Kolbenpumpe wird durch die ausserordentlich aggressiven korrodierenden Eigenschaften solcher Gemische oder Emulsionen, sowie die leichte Vergasbarkeit und Giftigkeit des Stickstofftetroxyds bzw. Stickstoffdioxyds erschwert.
Man hat deshalb Kolbenpumpen mit Kolbenlaufbüchsen und in diese eingepassten, ohne Kolbenringe und übliche Dichtungen laufende Kolben aus säurefesten Werkstoffen hoher verschiedener Brinellhärte benutzt, wobei an die vom Hochdruckraum abgewandte Seite des Kolbens ein unter ger wöhnlichem Druck stehender, nach aussen abgedichteter Raum angeschlossen wurde, mit Öffnungen für die Abführung von durch die Laufbüchse durchgetretener Förderflüssigkeit bzw. von Bestandteilen derselben. Der Kolbendurchmesser und das Verhältnis von Kolbenlänge zu Kolbendurchmesser wurden möglichst gross gewählt.
Es hat sich herausgestellt, dass die Anwendung von Kolben und Laufbüchsen aus sehr harten metallischen Werkstoffen, wie z. B. Ferrosilicium mit mindestens 15% Si oder z. B. hochprozentigen Chromstählen, die mit polierten Oberflächen saugend ineinander eingepasst werden, betrieblich mit schwerwiegenden Nachteilen verbunden ist. Die anfangs geringen Mengen durchtretender Flüssigkeit steigen schon nach kurzer Laufzeit infolge Veränderung der polierten Oberflächen über 1 oder 2% der Fördermenge, und anschliessend weiter.
Infolge der erwähnten Eigenschaften der zu fördernden Gemische, sowie der mechanischen Beanspruchung der ohne Schmiermittel betriebenen polierten Flächen, bei geringer Viskosität der zweiphasigen Förderflüssigkeit selbst, bleibt die Oberfläche nicht unverändert glatt, und Aufrauhung sowie mechanische Beanspruchung führen manchmal zu Schrammen bzw. Durchtrittsmöglichkeiten in Längsrichtung. Angesichts der beträchtlichen Drücke und der ge, ringen Viskosität, insbesondere von flüssigem Stickstofftetroxyd, führen schon geringe derartige Verletzungen der Oberfläche zu unzulässigem Anstieg der durchtretenden Mengen.
Dadurch werden, wie die Praxis zeigte, erhebliche betriebliche Nachteile hervorgerufen, die in dem Erfordernis dauernder Kontrollen, in Betriebsunterbrechungen und hohen Unterhaltungskosten bei Ersatz der sehr harten polierten Kolben und Zylinderteile, dem erhöhten Energiebedarf, der leichten Vergasbarkeit des Stickstofftetroxyds usw. bestehen.
Der Stand der Technik für diese schwierige Aufgabenstellung ist folgender. Es wurde gefunden, dass eine solche Ausbildung der Druck-
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kann, und die geschilderten schwerwiegenden Nachteile damit entfallen, wenn man eine Pumpe verwendet, bei der Kolben und bzw. oder Kolbenlaufbüchse mindestens teilweise aus Polyhalogenäthylenen mit 3 oder 4 Fluoratomen im monomeren Halogenäthylen besteht, oder mindestens teilweise damit verkleidet bzw. damit ausgerüstet sind, so dass die Abdichtung der gegeneinander bewegten Teile zwischen Metall und Polyhalogenäthylen bzw. Polyhalogenäthylen und Polyhalogen- äthylen erfolgt. Als Polyhalogenäthylene werden bevorzugt Polytetrafluoräthylen und Polytrifluoräthylen angewendet, die als säurefeste Dichtungsmittel an sich bekannt sind.
Man lässt z. B. einen Kolben aus polierten säurefesten Metallen z.
B. aus Chromnickelstahl, Chromstahl oder Ferrosilicium oder Tantal oder andern säurefesten Metallen in einer Laufbüchse aus Polytetrafluoräthylen laufen. Umgekehrt lässt sich eine metallische Laufbüchse und ein Kolben aus Polyfluortetra- äthylen verwenden. Es ist nicht erforderlich, dass Laufbüchse oder Kolben in ihrer ganzen Masse aus diesem Kunststoff bestehen, son-
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dern es lassen sich Metallteile verwenden, die damit verkleidet bzw. ausgerüstet sind.
Während bisher kein Kunststoff diesen ungewöhnlichen Anforderungen genügen konnte. und andere als säurefest bezeichnete Kunststoffe aus den verschiedensten Gründen versagen, hat sich überraschend-herausgestellt, dass mit den angegebenen Polyhalogenäthylenen eine den bisherigen Anordnungen überlegene Abdichtung und Haltbarkeit unter Senkung der Herstellungs- und Unterhaltungskosten der Pumpen erreichbar wird. Auch die Verformbarkeit hat sich überraschenderweise nicht nachteilig ausgewirkt, sondern führt bei der später beschriebenen Ausbildung zu einem besonders guten Anliegen an den Dichtungsflächen.
Dieses Verhalten unter der gleichzeitigen Beanspruchung durch Gemische von N204, HNO und H2O, hohe Drücke und mechanische Anforderungen bei der Kolbenbewegung war nicht vorherzusehen, und die neue Ausbildung der Pumpen führt zu einem erheblichen technischen Fortschritt dadurch, dass ein saugendes Einpassen harter polierter Metallteile ineinander und die damit verbundenen Unzuträglichkeiten entfallen. Man kann zwischen Kolben und Laufbüchse einen Spalt lassen, so dass Metallteile sich nicht berühren bzw. gegeneinander fressen können, wobei die ein-oder mehrmalige Unterbrechung des Spaltraumes durch Polyhalogenäthylene in Form von Verkleidungen, Manschetten, Kolbenringen od. dgl. übernommen wird. Man hat dabei noch den bekannten Vorteil geringer Reibung zwischen Metall und Polyhalogenäthylen.
Werden die bewegten Teile beiderseitig mit Flächen aus Polyhalogenäthylen ausgebildet, so ist die bekannte Tatsache für diesen Sonderzweck, bei dem eine Schmierung entfallen soll, dass z. B. Polytetrafluoräthylen gegen Polytetrafluor- äthylen noch wesentlich geringere Reibung hat als gegen metallische Flächen, zu einer weiteren bisher nicht angewendeten Erleichterung dieses schwierigen technischen Pumpvorganges ausgenutzt.
Eine weitere Ausbildung der zu dieser Förderung von Gemischen oder Emulsionen aus flüssigem N204, HN03 und H20 auf hohe Drücke benützten Pumpen besteht darin, dass aus Polyhalogenäthylenen bestehende Dichtungsteile, Manschetten od. dgl. derart in die Metallteile der Kolben und/oder der Laufbüchsen und/oder der Stopfbüchse der Kolbenstangendurchführung eingelassen oder von der der Dichtung nachgeformten Metallteilen abgestützt sind, dass nicht abgestützte freitragende Flächen aus Polyhalogenäthylen entfallen bzw. auf ein Minimum beschränkt sind, während die abzudichtenden Spalträume durch entsprechende Polyhalogenäthylenteile einoder mehrmals unterbrochen werden.
Dabei werden Ausführungsformen bevorzugt, bei denen diese Spalträume zwischen Kolben und Zylinder weniger als 2 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm, und insbesondere weniger als 0, 5 mm breit sind, u. zw. überall, oder wenigstens an den durch die Polyhalogen- äthylenene unterbrochenen Stellen. Scharfe Metallkanten in Berührung mit dem Dichtungsmittel lassen sich bei der Abstützung vermeiden.
Besonders bewährt haben sich in die Metallteile eingelassene oder von solchen abgestützte, aus Polyhalogenäthylen mit 3 oder 4 Fluoratomen im monomeren Fluoräthylen bestehende Dichtungsteile, Manschetten od. dgl., die durch den druckseitig herrschenden Flüssigkeitsdruck an die gegenüberliegende Lauffläche abdichtend angedrückt werden. z. B. Kolbenmanschetten an die Laufbüchsen.
Das geschieht durch Einwirken der Druckflüssigkeit hinter den Dichtungsteilen, z. B. bei Kolbenmanschetten auf deren Rückseite.
Hiedurch wird ein sattes Anliegen an der Zylinderlaufbüchse erreicht. Der Zutritt der Druckflüssigkeit wird insbesondere durch Aussparungen bzw. Rillen bzw. Bohrungen in den abstützenden Metallteilen bewirkt, z. B. bei abgestützten Kolbenmanschetten durch Rillen in den abstützenden Metallteilen.
Die Polyhalogenäthylene werden rein oder mit Zusätzen bzw. Füllmitteln verwendet.
Durch Zusätze oder Füllmittel lassen sich die Eigenschaften beeinflussen, z. B. die Reibung vermindern oder die Haltbarkeit durch Füll- mittel bzw. Bindemittel erhöhen. Als Polyhalogenäthylen hat sich Polytetrafluoräthylen besonders bewährt, welches z. B. unter der Bezeichnung Teflon für Dichtungen aller Art mit spezifischen Gewichten von 2, 1 bis 2, 3 an sich bekannt ist. Als die Reibung vermindernder Zusatz bzw. als Füllmittel kann in an sich bekannter Weise bei Teflon z. B.
Graphit zugesetzt werden. Auch andere nichtmetallische oder metallische säurefeste Zusätze bzw. Füllmittel in feiner Verteilung kommen in Betracht.
Auch bei der Durchführung der Kolbenstange lassen sich bei diesen Pumpen Ab- dichtungen mit solchen Polyhalogenäthylen mit besonderen Vorteilen verwenden. Es wird dadurch möglich, diese Abdichtung auch gegen Betriebsdruck vorzunehmen, so dass man auf einen druckentlasteten Raum vor der Durchführung der Kolbenstange nicht mehr unbedingt angewiesen ist. Die einfache Ausbildung doppelt wirkender Kolben wird dadurch erleichtert. Selbstverstnädlich kann aber auch bei den nach vorliegender Erfindung ausgebildeten Pumpen zwischen Kolben und der nach aussen führenden Abdichtung seiner Kolbenstange in an sich bekannter Weise ein unter geringerem oder gewöhnlichem
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Druck stehender, nach aussen abgedichtete Raum vorgesehen werden, aus dem etwa durch die Laufbüchse getretene Förderflüssigkeit abgeführt wird.
Ebenso. kann bei doppelt wirkenden Pumpen an die erste Durchführung der Kolbenstange noch ein solcher druckentlasteter Raum angeschlossen werden, aus dem die Kolbenstange über eine zweite abgedichtet Durchführung nach aussen tritt.
Ein solcher Raum kann in bekannter Weise mit getrennten öffnungen zur Abführung der Flüssigkeit und vergaster Stickoxyde versehen werden. Es genügt aber auch eine angeschlossene Leitung, Unter Benutzung derartiger Pumpen lassen sich die angegebenen Gemische bei hohen Drücken betriebssicher mit verminderten Herstellung-un Unterhaltungskosten sowie vermindertem Energiebedarf kontinuierlich nach Belieben verarbeiten, z. B. mit Sauerstoff zu hochkonzentrierter Salpetersäure mit Gehalten zwischen 98 und 100 Gew. % HN03.
In der Zeichnung Fig. 1-3 ist ein Ausführungsbeispiel einer derartig ausgebildeten Manschette mit Kolben dargestellt. Auf der Druckseite a erfolgt die Verdichtung des Gemisches oder der Emulsion aus flüssigem N204, HN03 und H20 auf die gewünschten. bzw. notwendigen höheren Drücke. Der Kolben b ist in diesem Beispiel so ausgeführt, dass derselbe zweimal unterteilt, auswechselbar auf der Kolbenstange c sitzt. Zwischen dem ungeschliffenen Kolben b und der Zylinderlaufbüchse d besteht keine metallische Berührung, sondern es ist ein Spalt von beispielsweise 0, 15-0, 30 mm vorhanden. Die beiden hintereinander eingebauten Manschetten e bestehen aus Polytetrafluoräthylen und sind ohne Spalt dicht in die Zylinderlaufbüchse d eingepasst, so dass die Abdichtung des Kolbens ausschliesslich durch dieselben übernommen wird.
Die Lippen dieser Manschetten sind konisch geformt. Auf der Druckseite der Manschetten passt sich der Kolben dem konischen Profil derselben genauestens an. Unter der Manschettenlippe ist der Kolben in regelmässigen Abständen durch Nuten unterbrochen. Die Manschette selbst wird jedoch in ihrer Lage jederzeit festgehalten.
Bei dem Pumpvorgang tritt Gemisch durch den Spalt zwischen Kolbenkörper b und Zylinderlaufbüchse d und weiterhin durch die Nuten g, so dass die Lippe der Manschette gegen die Zylinderwand gepresst wird und so die Abdichtung erfolgt. Beim Saugvorgang ist die Manschette entlastet, sie wird jedoch durch den Kolben in ihrer Lage gehalten.
Der Kolben ist auf der Antriebseite f so ausgebildet, dass er sich der Manschettenform anpasst, so dass auch hier keine unerwünschte und schädliche Verformung der Manschette eintreten kann.
Beispiel 1
Zwei Dreikolbenpumpen, die bei 60 Umdr/min. etwa 6 m3/h eines zur Herstellung 99% HNO3 enthaltender Salpetersäure dienenden Gemisches aus flüssigem N2û4, HN03 und H20 auf 52 atü beförderten,. waren mit Kolben und Laufbüchsen aus Ferrosilicium ausgerüstet, die mit 0, 01 mm Spiel saugend ineinander eingeschliffen und poliert waren.
Dabei zeigte sich, dass die möglichen Be- triebsstunden einer aufeinander passend eingeschliffenen Zylinder- und Kontakteinheit sehr unterschiedlich waren. Beispielsweise wurde es erforderlich, sofort nach dem Einbau oder nach einer kurzen Betriebszeit von zirka 200'Stunden eine Einheit wieder auszubauen, da die durchtretenden Rücklaufmengen über 5 % der Fördermenge betrugen.
Anderseits wurde bei einer besonders gut arbeitenden Kolben-und Zylindereinheit festgestellt, dass die zwischen Kolben und Laufbüchse durchtretenden Rücklaufmengen nach 150 Betriebsstunden 1-2% der Ansaugmengen, nach 2000 Betriebsstunden bereits 3-4% und schon nach 2600 Betriebsstunden etwa 5 % erreicht waren.
Beispiel 2
In denselben Pumpen wurden ungeschliffene Kolben aus säurefestem Stahl'mit einem zwischen 0, 2 und 0, 3 mm liegenden Spiel zwischen metallischen Kolbenteilen und Laufbüchsen derart eingebaut, dass eine Berührung der Metalle nicht mehr bestand. Die Abdichtung erfolgt je Kolben durch 1 oder 2 hintereinander angebrachte Kolbenmanschetten aus Polytetrafluoräthylen. Die Rücklaufmengen lagen teilweise nach 150 Betriebsstunden unterhalb 0, 1 % der Ansaugmengen, z. B. bei 0, 02 % oder 0, 06 %. Der Rücklauf war nach 150 Betriebsstunden um ein bis zwei Grössenordnungen geringer als bei der bekannten Ausbildung dieser Pumpen.
Nach einer Einlaufzeit von 300 bis 400 Stunden passen sich die Manschetten durch die vor stehend beschriebene Arbeitsweise und Ausführungsform ausgezeichnet der Zylinderwand an. Bei 1000 bis 1500 Betriebsstunden wird teilweise erst 0, 2-0, 3 /o Rücklauf gemessen.
Der Rücklauf bleibt gering. Kolben und Laufbüchse werden nicht mehr erneuert, da einfaches Auswechseln lediglich der Kolben-
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