Druckpumpe zum Fördern von Gemischen aus flüssigem N204, HNO3 und H20 Es ist bekannt, Gemische aus flüssigem N204, HNO3 und H.,0 unter Drucksteigerung um mehr als 10 Atmosphären, z. B. 50 Atmosphären, in einen Re aktionsraum einzuführen. Die Durchführung des drucksteigernden Pumpvorganges mit einer Kolben pumpe wird durch die ausserordentlich agressiven kor rodierenden Eigenschaften solcher Gemische oder Emulsionen sowie die leichte Vergasbarkeit und Gif tigkeit des Stickstofftetroxyds bzw. Stickstoffdioxyds erschwert.
Man hat deshalb Kolbenpumpen mit Kol- benlaufbüchsen und in diese eingepassten, ohne Kol benringe und übliche Dichtungen laufende Kolben aus säurefesten Werkstoffen hoher verschiedener Bri- nellhärte benutzt, wobei an die vom Hochdruck raum abgewandte Seite des Kolbens ein unter ge wöhnlichem Druck stehender, nach aussen abgedich teter Raum angeschlossen wurde, mit Öffnungen für die Abführung von durch die Laufbüchse durchge tretener Förderflüssigkeit bzw. von Bestandteilen der selben. Der Kolbendurchmesser und das Verhältnis von Kolbenlänge zu Kolbendurchmesser wurde mög lichst gross gewählt.
Es hat sich herausgestellt, dass die Anwendung von Kolben und Laufbüchsen aus sehr harten metalli schen Werkstoffen, wie z. B. Ferrosilicium mit min- destens 15 % Si oder z. B. hochprozentigen Chrom- stählen, die mit polierten Oberflächen saugend inein ander eingepasst werden, betrieblich mit schwerwie genden Nachteilen verbunden ist.
Die anfangs gerin gen Mengen durchtretender Flüssigkeit steigen schon nach kurzer Laufzeit infolge Veränderung der polier- ten 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 mehrphasigen 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 geringen Viskosität, insbesondere von flüssi gem Stickstofftetroxyd, führen schon geringe derartige Verletzungen der Oberfläche zu unzulässigem Anstieg der durchtretenden Mengen.
Dadurch werden erhebliche betriebliche Nachteile hervorgerufen, die in dem Erfordernis dauernder Kon trollen, in Unterbrechungen und hohen Unterhalts kosten bei Ersatz der sehr harten polierten Teile, dem erhöhten Energiebedarf, der leichten Vergasbarkeit usw. bestehen.
Es wurde gefunden, dass eine solche Ausbildung der Druckpumpen bei der Förderung von Gemischen aus flüssigem N204, HNO3 und H z0 auf hohe Drücke vermieden werden kann, und die geschilderten schwer wiegenden Nachteile damit entfallen, wenn man eine Pumpe verwendet, bei der erfindungsgemäss Kolben und(oder Kolbenlaufbüchse mindestens teilweise aus Polyhalogenäthylen mit 3 oder 4 Fluoratomen im mono meren Halogenäthylen bestehen oder mindestens teil weise damit verkleidet sind,
so dass die Abdichtung der gegeneinander bewegten Teile entweder zwischen Me tall und Polyhalogenäthylen oder zwischen Polyhalo genäthylen und Polyhalogenäthylen erfolgt. Als Poly- halogenäthylen kommt einerseits Polytetrafluoräthy- len und anderseits ein Polytrifluoräthylen in Betracht, die als säurefeste Dichtungsmittel an sich bekannt sind.
Man lässt z. B. einen Kolben aus polierten säure festen Metallen z. B. aus Chromnickelstahl, Chrom stahl oder Ferrosilicium oder Tantal oder anderen säurefesten Metallen in einer Laufbüchse aus Poly- tetrafluoräthylen laufen. Umgekehrt lässt sich eine metallische Laufbüchse und ein Kolben aus Poly- teirafluoräthylen verwenden. Es ist nicht erforderlich, dass Laufbüchse oder Kolben in ihrer ganzen Masse aus diesem Kunststoff bestehen, sondern es lassen sich Metallteile verwenden, die damit verkleidet bzw.
ausgerüstet sind, Während bisher kein Kunststoff diesen ungewöhn lichen Anforderungen genügen konnte, und andere als säurefest bezeichnete Kunststoffe aus den ver schiedensten Gründen versagen, hat sich überraschend herausgestellt, dass mit den angegebenen Polyhalogen- äthylenen eine den bekannten Verfahren überlegene Abdichtung und Haltbarkeit unter Senkung der Her stellung- und Unterhaltskosten der Pumpen erreich bar wird. Auch die Verformbarkeit hat sich über raschenderweise nicht nachteilig ausgewirkt, sondern führt bei der unten beschriebenen Ausbildung zu einem besonders guten Anliegen an den Dichtungs flächen.
Dieses Verhalten unter der gleichzeitig ausser ordentlichen korrodierenden Beanspruchung durch Gemische von N.,04, HN03 und H,0, hohe Drücke und mechanische Anforderungen bei der Kolbenbewe gung war nicht vorherzusehen, und die neue Ausbil dung der Pumpen führt zu einem erheblichen tech nischen Fortschritt dadurch, dass ein saugendes Ein passen 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 einmalige oder mehrmalige Unterbrechung des Spaltraumes durch Polyhalogenäthylene in Form von Verkleidun gen, Manschetten, Kolbenringen oder dergleichen übernommen wird. Man hat dabei noch den bekann ten Vorteil geringer Reibung zwischen Metall und Polyhalogenäthylen. Werden die bewegten Teile bei derseitig mit Flächen aus Polyhalogenäthylen ausge bildet, so ist die bekannte Tatsache für diesen Sonder zweck, bei dem eine Schmierung entfallen soll, dass z.
B. Polytetrafluoräthylen gegen Polytetrafluoräthy- len noch wesentlich geringere Reibung hat, zu einer weiteren bisher nicht angewendeten Erleichterung dieses schwierigen technischen Pumpvorganges aus genutzt.
Man kann aus Polyhalogenäthylenen bestehende Dichtungsteile, z. B. Manschetten oder dergleichen, derart in die Metallteile der Kolben und/oder der Laufbüchsen und/oder der Kolbenstangen einlassen oder von den der Dichtung nachgeformten Metall teilen abstützen, dass freitragende Flächen oder Stoss kanten aus Polyhalogenäthylen praktisch entfallen, während der abzudichtende Spaltraum zwischen Kol ben und Zylinder durch die aus Polyhalogenäthylen bestehenden Dichtungsteile ein- oder mehrmals unter brochen wird.
Diese Spalträume sind vorzugsweise weniger als 2 mm, zweckmässig weniger als 1 mm, und insbesondere weniger als 0,5 mm breit, und zwar überall, oder wenigstens an den durch die aus Poly- halogenäthylen bestehenden Dichtungsteile unterbro- chenen Stellen. Scharfe Metallkanten in Berührung mit dem Dichtungsmittel lassen sich bei der Abstüt zung vermeiden.
Besonders bewährt haben sich in die Metallteile eingelassene oder von solchen abgestützte, aus Poly- halogenäthylen bestehende Dichtungsteile, z. B. Man schetten oder dergleichen, die durch den druckseitig herrschenden Flüssigkeitsdruck an die gegenüberlie gende Lauffläche abdichtend angedrückt werden, z. B. Kolbenmanschetten an die Laufbüchsen. Das geschieht durch Einwirken der Druckflüssigkeit hinter den Dichtungsteilen, z. B. bei Kolbenmanschetten kol benseitig. Der Zutritt der Druckflüssigkeit wird ins besondere durch Aussparungen bzw. Rillen bzw. Boh rungen in den abstützenden Metallteilen bewirkt, z. B.
bei abgestützten Kolbenmanschetten durch Rillen in den abstützenden Metallteilen.
Die Polyhalogenäthylene werden rein oder mit Zusätzen, z. B. Füllmitteln, verwendet. Durch Zusätze lassen sich die Eigenschaften beeinflussen, z. B. die Reibung vermindern oder die Haltbarkeit durch Füll mittel oder Bindemittel erhöhen. Als Polyhalogenäthy- len hat sich Polytetrafluoräthylen besonders bewährt, welches z. B. unter derBezeichnung Teflon (eingetra gene Marke) für Dichtungen aller Art mit spezifischen Gewichten von 2,1 bis 2,3 an sich bekannt ist. Als die Reibung vermindernder Zusatz kann z. B.
Graphit verwendet werden. Auch andere nichtmetallische oder metallische säurefeste Zusätze in feiner Verteilung kommen in Betracht.
Auch bei der Durchführung der Kolbenstange las sen sich bei diesen Pumpen Abdichtungen mit sol chem Polyhalogenäthylen mit besonderen Vorteilen verwenden. Es wird dadurch möglich, diese Abdich tung auch gegen Betriebsdruck vorzunehmen, so dass man auf einen druckentlasteten Raum vor der Durch führung der Kolbenstange nicht mehr unbedingt an gewiesen ist. Die einfache Ausbildung doppelt wir kender Kolben wird dadurch erleichtert.
Selbstver ständlich kann aber auch zwischen Kolben und der nach aussen führenden Abdichtung seiner Kolben stange in an sich bekannter Weise ein unter gerin gerem oder gewöhnlichem Druck stehender, nach aussen abgedichteter Raum vorgesehen werden, aus dem etwa durch die Laufbüchse getretene Förder- flüssigkeit 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 oder eine zweite abgedichtete 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 der erfindungsgemässen Pumpen lassen sich die angegebenen Gemische bei hohen Drücken betriebssicher mit verminderten Herstel- lungs- und Unterhaltskosten sowie vermindertem Energiebedarf kontinuierlich nach Belieben verarbei ten, z. B. mit Sauerstoff zu hochkonzentrierter Sal- petersäure mit Gehalten zwischen 98 und 100 Gew.% HN03.
<I>Beispiel</I> Zwei Dreikolbenpumpen, die bei 60 Umdrehun- gen/Minute etwa 6 m3/h eines zur Herstellung 99 % iger Salpetersäure dienenden Gemisches aus flüs- sigem N204, HNO3 und( H20 auf 52 atü beförderten,
waren mit Kolben und Laufbüchsen aus Ferrosilicium ausgerüstet, die mit 0,01 mm Spiel saugend inein ander eingeschliffen und poliert werden. Die zwischen Kolben und Laufbüchse durchtretenden Rücklauf- mengen betrugen nach 150 Betriebsstunden 1 bis 2 % der Ansaugmengen, nach 2000 Betriebsstunden 3 bis 4%, und stiegen weiter an,
wobei schon nach 2600 Betriebsstunden etwa 511/o Durchtritt erreicht waren. Nur durch Erneuerung eines Kolbens mit Lauf büchse kann Abhilfe geschaffen werden.
In denselben Pumpen wurden ungeschliffene Kol ben aus säurefestem Stahl mit einem zwischen 0,2 und 0,3 mm liegenden Spiel zwischen metallischen Kolbenteilen und Laufbüchsen derart eingebaut, dass keine Berührung der Metalle mehr bestand.
Die Ab dichtung erfolgte durch zwei je Kolben hintereinander angebrachte Kolbenmanschetten aus Polytetrafluor- äthylen. Die Rücklaufmengen lagen nach 150 Be- triebsstunden im Gebiet unterhalb 0,1% der Ansaug- mengen, z. B. bei 0,02 oder 0,060/0. Der Rücklauf war nach 150 Betriebsstunden um ein bis zwei Grö ssenordnungen geringer als bei der bekannten Aus bildung dieser Pumpen.
Auch nach 300 Betriebsstun den wurde kein höherer Rücklauf festgestellt. Der Rücklauf bleibt gering. Kolben und Laufbüchse wer den nicht mehr erneuert, da das Auswechseln der Kolbenmanschetten genügt, um zu hoch angestiegenen Rücklauf wieder auf das Gebiet unterhalb 0,1% der Ansaugmenge herabzusetzen.
Bei einer weiteren Druckpumpe wurden Kolben benutzt, bei der die Druckflüssigkeit durch Ausspa rungen in den die Manschetten abstützenden Metall teilen des Kolbens derart einwirkte, dass die Lippen der Manschetten durch den Flüssigkeitsdruck an die Laufbüchse angedrückt wurden. Dabei war der Rück lauf nach 150 und 300 Betriebsstunden praktisch beseitigt bzw. blieb bei 0,01' /o der abgesaugten Menge und darunter. Daran hatte sich auch nach 600 Be triebsstunden nichts geändert.
Pressure pump for pumping mixtures of liquid N204, HNO3 and H20. It is known to use mixtures of liquid N204, HNO3 and H., 0 with an increase in pressure of more than 10 atmospheres, e.g. B. 50 atmospheres in a Re action room. Carrying out the pressure-increasing pumping process with a piston pump is made difficult by the extremely aggressive corroding properties of such mixtures or emulsions and the easy gasification and toxicity of nitrogen tetroxide or nitrogen dioxide.
Piston pumps have therefore been used with piston liners and pistons fitted into these and made of acid-resistant materials with different Brennell hardnesses and running without piston rings and customary seals, with a side of the piston facing away from the high pressure chamber being exposed to the outside under normal pressure sealed space was connected, with openings for the discharge of through the liner passed through conveying liquid or of components of the same. The piston diameter and the ratio of piston length to piston diameter were chosen to be as large as possible.
It has been found that the use of pistons and liners made of very hard metallic materials, such as. B. ferrosilicon with at least 15% Si or z. B. high-percentage chromium steels, which are fitted into one another with polished surfaces, have serious operational disadvantages.
The initially small amounts of penetrating liquid increase after a short running time as a result of changes in the polished surfaces to over 1 or 2% of the delivery rate, and then continue to do so.
As a result of the mentioned properties of the mixtures to be conveyed as well as the mechanical stress on the polished surfaces operated without lubricant, with low viscosity of the multiphase pumped liquid itself, the surface does not remain smooth and roughening and mechanical stress sometimes lead to scratches or penetration possibilities in the longitudinal direction. In view of the considerable pressures and the low viscosity, in particular of liquid nitrogen tetroxide, even minor damage to the surface of this type lead to an unacceptable increase in the amounts that pass through.
This causes considerable operational disadvantages, which trolls in the need for permanent Kon, in interruptions and high maintenance costs when replacing the very hard polished parts, the increased energy consumption, easy gasification, etc. exist.
It has been found that such a design of the pressure pumps can be avoided when pumping mixtures of liquid N204, HNO3 and HZ0 to high pressures, and the serious disadvantages described are thus eliminated if a pump is used with the piston and according to the invention (or the piston liner is at least partly made of polyhaloethylene with 3 or 4 fluorine atoms in the monomeric halogenoethylene or is at least partly covered with it,
so that the sealing of the parts moving against each other is carried out either between Me tall and polyhalogenethylene or between polyhalogenethylene and polyhalogenethylene. Polytetrafluoroethylene on the one hand and polytrifluoroethylene on the other hand, which are known per se as acid-resistant sealants, come into consideration as the polyhalogenethylene.
One lets z. B. a piston made of polished acid solid metals z. B. made of chrome nickel steel, chrome steel or ferrosilicon or tantalum or other acid-proof metals in a liner made of polytetrafluoroethylene. Conversely, a metallic liner and a piston made of polytetrafluoroethylene can be used. It is not necessary for the liner or piston to be made entirely of this plastic; instead, metal parts can be used that are clad or covered with it.
While no plastic has so far been able to meet these unusual requirements, and other plastics designated as acid-resistant fail for a variety of reasons, it has surprisingly been found that with the specified polyhalogen ethylenes, a seal and durability that is superior to the known methods, while reducing the Manufacture and maintenance costs of the pumps is achievable. The deformability has surprisingly not had a disadvantageous effect, but leads in the training described below to a particularly good concern of the sealing surfaces.
This behavior under the at the same time extremely corrosive stress from mixtures of N., 04, HN03 and H, 0, high pressures and mechanical demands on the piston movement could not be foreseen, and the new design of the pumps leads to considerable technical progress due to the fact that a sucking one hard, polished metal parts fit into one another and the associated inconveniences are eliminated. You can leave a gap between the piston and the liner so that metal parts do not touch or
can eat against each other, with the single or repeated interruption of the gap space by polyhaloethylene in the form of cladding conditions, cuffs, piston rings or the like is taken over. One still has the well-known advantage of low friction between metal and polyhaloethylene. If the moving parts are formed on the other side with surfaces made of polyhalogenethylene, the known fact is for this special purpose, in which lubrication should be omitted, that z.
B. Polytetrafluoräthylen against Polytetrafluoräthy- len still has significantly lower friction, used for a further previously unused alleviation of this difficult technical pumping process.
You can seal parts made of Polyhalogenäthylenes, for. B. cuffs or the like, so let in the metal parts of the piston and / or the liners and / or the piston rods or support parts of the post-formed metal parts that cantilevered surfaces or abutting edges made of polyhalogenous are practically omitted, while the gap to be sealed between Kol ben and cylinder is interrupted one or more times by the sealing parts made of polyhalogenethylene.
These gap spaces are preferably less than 2 mm, expediently less than 1 mm, and in particular less than 0.5 mm wide, namely everywhere, or at least at the points interrupted by the sealing parts made of polyethylene. Sharp metal edges in contact with the sealant can be avoided in the bracing.
Sealing parts which are embedded in the metal parts or which are supported by them and are made of polyethylene, e.g. B. Man cuffs or the like, which are sealingly pressed by the pressure side prevailing liquid pressure to the gegenlie ing running surface, z. B. Piston sleeves on the liners. This is done by the action of the hydraulic fluid behind the sealing parts, e.g. B. for piston sleeves on the piston side. The access of the hydraulic fluid is in particular caused by recesses or grooves or bores in the supporting metal parts, eg. B.
with supported piston cuffs through grooves in the supporting metal parts.
The Polyhalogenäthylen are pure or with additives such. B. fillers used. The properties can be influenced by additives, e.g. B. reduce the friction or increase the shelf life with fillers or binders. Polytetrafluoroethylene has proven particularly useful as polyhalogenethylene. B. under the designation Teflon (registered trademark) for seals of all kinds with specific weights of 2.1 to 2.3 is known per se. As the friction-reducing additive, for. B.
Graphite can be used. Other finely divided non-metallic or metallic acid-resistant additives can also be used.
In these pumps, too, seals with sol chem polyhalogenethylene can be used with particular advantages for the implementation of the piston rod. This makes it possible to make this seal against operating pressure so that you no longer have to rely on a pressure-relieved space before the implementation of the piston rod. The simple training double we kender piston is facilitated.
Of course, between the piston and the outward seal of its piston rod, in a manner known per se, an outwardly sealed space under low or normal pressure can be provided, from which conveyed liquid that has passed through the liner is discharged. In the case of double-acting pumps, such a pressure-relieved space can also be connected to the first passage of the piston rod, from which the piston rod or a second sealed passage emerges to the outside.
Such a space can be provided in a known manner with separate openings for the discharge of the liquid and gasified nitrogen oxides. A connected line is also sufficient.
Using the pumps according to the invention, the specified mixtures can be processed continuously at will at high pressures with reduced production and maintenance costs and reduced energy requirements, e.g. B. with oxygen to highly concentrated nitric acid with contents between 98 and 100 wt.% HN03.
<I> Example </I> Two three-piston pumps which, at 60 revolutions / minute, conveyed around 6 m3 / h of a mixture of liquid N204, HNO3 and (H20 to 52 atmospheres) used to produce 99% nitric acid,
were equipped with pistons and liners made of ferrosilicon, which are sucked into one another and polished with 0.01 mm clearance. The return flow rates between the piston and the liner amounted to 1 to 2% of the intake volume after 150 operating hours and 3 to 4% after 2000 operating hours, and continued to rise.
with about 511 / o penetration being achieved after just 2600 operating hours. This can only be remedied by replacing a piston with a liner.
Unpolished pistons made of acid-proof steel with a clearance of between 0.2 and 0.3 mm between metallic piston parts and liners were installed in the same pumps in such a way that the metals were no longer in contact.
The seal was made by two piston collars made of polytetrafluoroethylene attached one behind the other to each piston. After 150 hours of operation in the area, the return quantities were below 0.1% of the intake quantities, e. B. at 0.02 or 0.060 / 0. After 150 hours of operation, the return flow was one to two orders of magnitude less than with the known design of these pumps.
Even after 300 hours of operation, no higher return was found. The return remains low. The piston and liner are no longer replaced, since the replacement of the piston sleeves is sufficient to reduce excessively high return flow to the area below 0.1% of the intake volume.
Another pressure pump used pistons in which the pressure fluid acted through recesses in the metal parts of the piston supporting the sleeves in such a way that the lips of the sleeves were pressed against the liner by the fluid pressure. The reflux was practically eliminated after 150 and 300 hours of operation or remained at 0.01% of the amount sucked off and below. Even after 600 hours of operation nothing had changed.