DD209087A3 - Verschleissgeschuetztes eckventil zur ausschleusung feststoffhaltiger abrasiver medien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Eckventil zur Ausschleusung und Druckabsenkung feststoffhaltiger, Abrasivverschleiss verursachender, insbesondere auch zu Verstopfung neigender Medien. Ziel der Erfindung ist eine wesentliche Senkung des Ventilverschleisses bei gleichzeitiger vermeidung von Verstopfung enger Drosselquerschnitte. Im Gegensatz zu bekannter Eckventilkonstruktionen mit Vordrosselung wird der Ventilsitz mit einer zylindrischen drosseldruese kombiniert die einen gegenueber der Nennweite des Ventils entsprechenden Stoeroemungsquerschnitten im Eintritt, Dichtflaechenbereich und austritt erheblich, um 100% und mehr reduzierten Stroemungsquerschnitt aufweist sowie im Schliesszustand den ueber ihre gesamte laenge reichenden zylindrischen Vordrosselkolben aufnimmt und somit bei jedem Arbeitsspiegel gleichzeitig zur Vermeidung von Verstopfungen freigestossen wird. Das Ventil ist fuer die diskontinuierliche Ausschleusung feststoffhaltiger Abprodukte der Kohledruckvergasung und aenliche Anwendungsfaelle in der Kohleveredlung und chemischen Verfarenstechnik geeignet.

Description

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Titel der Erfindung ^:

Verschleißgeschütztes Eckventil zur Ausschleusung feststoffhaltiger abrasiver Medien

Anwendungsgebiete der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein verschleißgeschütztes Eckventil für Auf-Zu-Betrieb zur diskontinuierlichen Ausschleusung feststoffhaitiger abrasiver Medien aus Systemen höheren Druckes in Systeme niedrigeren Druckes. Das Eckventil ist besonders für die Ausschleusung feststoffhaitiger zum Verkleben und zu Verstopfungen neigender Produkte, z. B. bei der Kohledruckvergasung anfallendes heißes Staub-Dickteer-Phenolwassergeiaisch sowie für ähnliche Anwendungsfälle in der Kohleveredlung und chemischen Verfahrenstechnik geeignet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Beim Transport feststoffhaltiger Gase und Flüssigkeiten in Rohrleitungen tritt durch die schmirgelnde Wirkung der Feststoffteilchen mehr oder weniger starker Verschleiß auf, dessen Ausmaß von der Härte der Feststoffteilchen, vom Werkstoff der Bauteile und von den Strömungsverhältnissen abhängt. Besonders starker Verschleiß-entsteht bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und großen!Auftreffwinkeln der Feststoffteilchen auf Bauteilflächen. h' : ·; .'' ' "' ' ^i; ! '-' -. ' ' ' ^:

' ''''' \ ι ' '" ' ''i · ' i'' :^; -I'''':'- ' ^;·' ^ : -.·' ^/;' Absperrarmaturen gehören zii den besonders _; verschaleißbeansprucb.- ten Bauteilen solcher Hohrlieiturige.n. Bei größej?e|i Druckdifferenzen treten hohe SitrÖmuhg|sgesdhwindigkeiten^: in| OffenstelfLuiig: der Armatur sowie beträchtlich Reiter erhöht^/Sitjrömungsge-; j/

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und Schließvorganges auf, die im Zusammenwirken mit den abrasiven Feststoffteilchen hohen Verschleiß an Dichtflächen sowie infolge Umlenkungen des Mediums an Gehäuseinnenflächen verursachen.

"Eine hundertprozentig dichte Absperrung feststoffhaltiger Medienströme mit Absperrarmaturen ist im allgemeinen nicht erreichbar, da sich beim Schließen Peststoffteilchen zwischen den Dichtflächen einklemmen können. Die damit verbundenen geringen Leckraten müssen Verfahrenstechnologisch in Kauf genommen werden, sie verursachen aber an den Dichtflächen mit hoher Geschwindigkeit erfolgende und damit verschleißintensive Drosselspaltströmung.

Die Problematik des Verschleißes bzw. der Minderung des Verschleißes von Absperrarmaturen für feststoffhaltige Medien, insbesondere auch in Verbindung mit hoher Anzahl Arbeitsspiele je Zeiteinheit, ist derzeit noch nicht allseitig befriedigend gelöst. Extrem hoher Armaturenverschleiß mit Standzeiten von zum Teil nur wenigen Wochen ist z. B. bei Anlagen der Kohledruckvergasung zu verzeichnen, wo feststoffhaltige Medien aus Systemen höheren Druckes in Systeme niedrigeren Druckes mit entsprechend hohen Druckdifferenzen bei hoher Anzahl Auf-Zu-Stellvorgänge je Zeiteinheit diskontinuierlich ausgeschleust und entspannt werden müssen.

Zur Verschleißminderung werden seitens der Armaturenhersteller die auf Verschleiß besonders beanspruchten Flächen, wie z. B. Dichtflächen, durch Auftragsschweißen mit Hartlegierungen gepanzert. Die Sitz-Kegel-Garnituren sind zum Teil als auswechselbare Bauteile angeordnet, zum Teil werden auch zusätzliche Gehäuseverschleißschutzhülsen angewendet, insbesondere bei Eckventilen, deren geometrische Form den Einbau rotationssymetrischer Verschleißhülsen leicht ermöglicht. Die Panzerung verschleißgefährdeter Flächen allein bringt je nach Auftragswerkstoff unterschiedliche, für die vorstehenden Belastungsfälle häufig auch keine ausreichende Verschleißminderung. Die Herstellung rißfreier Auftragsschweißungen aus verschleißfesten Hartlegierungswerkstoffen ist zu dem um so schwieriger zu beherrschen und mit um so höheren Ausschußraten verbunden, je verschleißfester die Hartlegierungen sind. Besonders gut gegen Abrasiwerschleiß beständige Hartlegierungen lassen sich

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entweder gar nicht oder nicht rißfrei in ausreichenden Schichtstärken auftragen. Zur Entlastung der Dichtflächen während der Öffnungs- und Schließphase werden die Ventilkegel auch mit Drosselkolben ausgeführt, der z. B. bei Schließbewegung vor dem Aufeinandertreffen der Dichtflächen von Sitz und Kegel in den Durchtrittsquerschnitt des Sitzes eintaucht und den Medienstrom weitgehend abdrosselt, so daß bis zum völligen Schließen verschleißintensive Drosseiströmung an den Dichtflächen vermieden wird.

Der durch Verdrosselung mit Drosselkolben weitgehend abgeschlossene freie Strömungsquerschnitt des Ventilsitzes wird in seiner Größe der Nennweite des Ventiles entsprechend ausgeführt und ist daher nur unwesentlich geringer als der freie Strömungsquerschnitt des Sitzes im unmittelbaren Dichtflächenbereich. Mit beginnendem Dichtflächenverschleiß auftretende Leckraten werden in ihrer Höhe auch durch den freibleibenden Hingspaltquerschnitt zwischen Drosselkolben und Ventilsitzdurchtritt bestimmt, je größer dieser ist, um so höher kann die verschleißintensive Drosselströmung an den Dichtflächen sein. Das Prinzip der Drosselung des strömenden Mediums mittels in den Durchtrittsquerschnitt des Ventilsitzes eintauchendem, Drosselkolben wird auch bei kontinuierlich arbeitenden Regelventilen angewendet, wobei Drosselkolben oder Ventilsitzdurchtritt mit über die Länge veränderlichem Querschnitt ausgeführt sind, so daß kontinuierlich über den Hub des Kegels unterschiedliche Strömungsquerschnitte für das durchtretende Medium freigegeben werden, wie dies z. B. in den Patentschriften BIlD 47g 1—1/44, Nr. 1550555 und BRD 47g 1-1/06, Nr. 1475948 ausgewiesen ist. Kontinuierlich arbeitende Regelventile unterliegen aber auf Grund ihrer Arbeitsweise überwiegend in eingedrosseltem Zustand und damit an Drosselorganen und Dichtflächen ständig auftretenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten bei abrasiven feststöffhaltigen Medien einem besonders hohen Verschleiß. Sie sind zu dem nicht einsetzbar, wenn der Medienstrom klein ist und auf Grund des Festßtoffgehaltes. zu Verstopfungen neigt, wie dies z. B. bei als Abprodukt der Kohledruckvergasung anfallendem heißem Staub-Dickteer-Phenolwassergemisch der Fall ist.

In der Patentschrift BRD 47g 40/03, Nr. 808515 wird als weitere Möglichkeit des Verschleißschutzes von Dichtflächen eine für

feststoffhaltige Medien jedoch nicht geeignete Lösung beschrieben, bei der die Dichtflächen praktisch im Strömungsschatten des Mediums angeordnet sind. Bei feststoffhaltigen Medien würden sich die Dichtflächen mit Feststoff versetzen, so daß kein dichter Abschluß gewährleistet wäre. Eine andere Lösung wird in WP 47 g 1/^47173, Klasse 47 g 1, ?5/00, Patentschrift Nr. 81281, beschrieben, die durch die Anordnung von Filterelementen im Sitz-Kegel-Bereich gekennzeichnet ist, die während der Öffnungs- und Schließphase einer Armatur Feststoffteilchen aus der Strömung aushalten sollen. Für größere Feststoffgehalte und insbesondere bei gleichzeitiger Anwesenheit von Teerbestandteilen ist die Lösung nicht anwendbar, da mit raschem Zusetzen der Filterelemente gerechnet werden muß.

In WP F 16 K/208466, Klassifikation F 16 K 25/04, Patentschrift Nr. 139287, wird zur Verschleißminderung von Ausschleusarmaturen die Anordnung von zwei Ventilen in Hintereinanderschaltung mit dazwischen liegendem Anschluß und ständiger Zuführung von sauberem Spülwasser vorgeschlagen.

In WP F 16 K/212687, Klassifikation F 16 K 25/04, Patentschrift IsIr., 144102, wird eine Anordnung und Verfahren zur Ausschleusung von feststoffhaltigen Flüssigkeiten vorgeschlagen, die im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß bei jedem Öffnungs-. und Schließvorgang eine durch eine zusätzliche Armatur gesteuerte Spülung der Ausschleusrohrleitung und der Ausschleusarmatur mit sauberem, feststofffreiem Spülmedium erfolgt, so daß während der Öffnungs- und Schließvorgänge feststofffreies Medium an den Dichtflächen der Ausschleusarmatur strömt. Zur Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit in Offenstellung der Ausschleusarmatur dient eine in der Ausschleusrohrleitung angeordnete verschleißfest auseeführ'te Drossellochscheibe, deren freier Querschnitt zu dem der Ausschleusarmatur möglichst kleiner 1 : 5» vorzugsweise kleiner 1 : 10, ist.

Mit den in den beiden letztgenannten Patentschriften vorgeschlagenen Lösungen dürften Standzeiterhöhungen der Ausschleusarmaturen erreichbar se.in, die Lösungen sind jedoch hinsichtlich zusätzlicher mit Stellantrieben ausgerüsteter Armaturen, zusätzlicher Zuführungen beträchtlicher Mengen sauberer Spülmedien und hinsieht!icb notwendiger BMSR-Installationen relativ

aufwendig. Zudem besteht bei feststoff- und teerhalt;igen zu Verstopfungen neigenden Medien an den geringen freien Querschnitten der Drossellochscheiben Verstopfungsgefahr. Drossellochscheiben allein reduzieren außerdem nicht die Strömungsge-^ schwindigkeit beim Durchsatz relativ kleiner Mengen, wie sie am Anfang des Öffnungs- und Ende des Schließvorganges auftreten. '' -. ' .

Ziel der Erfindung :.,. . '

Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Vorgang des Ausschleusens feststoffhaltiger abrasiver Medien, insbesondere fest- ' stoffhaltiger zu Verstopfungen neigender Medien, aus Systemen höheren Druckes in Systeme niedrigeren Druckes mit einer weitgehend verschleißgeschützten Armatur für Auf-Zu-Betrieb bei im Vergleich zu den bekannten Lösungen höheren Standzeiten der.Armatur bzw. geringerem anlagentechnischem Aufwand unter Vermeidung von Verstopfungen enger Drosselquerschnitte zu beherrschen. ·"· '.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Für die bei der Ausschleusung feststoffhaltiger Medien, insbesondere feststoffhaltiger und zu Verstopfungen neigender Medien, aus Systemen höheren Druckes in Systeme niedrigeren Drukkes herrschenden Verschleißwirkungen an den die Ausschleusung steuernden Armaturen ist der Schutz verschleißbeanspruchter Bauteiiflächen durch Aufpanzern mit Hartlegierungswerkstoffen allein nicht ausreichend bzw. sind rißfeste Auftragungen von gegen Abrasiwerschleiß besonders beständigen Hartlegierungen nicht realisierbar. Die zusätzliche Anordnung von Drossellochscheiben in den Ausschleusleitungen reduziert zwar die Strömungsgeschwindigkeiten während des Ausschleusens bei.geöffneter Armatur, jedoch nicht in der Öffnungs- und Schließphase, bei feststoff- und teerhaltigen zu Verstopfungen neigenden Medien besteht außerdem die Gefahr der Verstopfung der relativ geringen Drosselquerschnitte. Die Vordrosselung des Medienstromes im Durchtrittsquerschnitt, des"Sitzes durch Ventilkegel mit Drosselkolben bringt eine Entlastung der Dichtflächen während des üffnens und Schließen?·, eine Verringerung dee freibleibenden Eingspaltquerschnittes zwischen Drosselkolben und

Vantilsitz.durchtritt würde gegenüber der üblichen Ausführung von Ventilen mit Verdrosselung mit annähernd gleichen Strömungsquerschnitten mit Dichtflächenbereich des Ventilsitzes und im der Vordrosselung dienenden Durchtrittsquerschnitt des Sitzes sowohl den Effekt der Vordrosselung verstärken als auch durch Reduzierung versohleißintensiver Leckratenströmung eine weitere Verschleißminderung bzw. Verlängerung des Zeitraumes bis zum Erreichen maximal zulässiger Leckraten bewirken. Die vorgeschlagenen Lösungen zur Standzeiterhöhung von Ausschleusarmatüren mittels gesteuerter oder ungesteuerter Spülung mit sauberem Spülmedium und Hintereinanderschaltung von zwei Ausschleusarmaturen sind relativ aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein im Armaturenbau eine bekannte Konstruktion darstellendes Eckventil für Auf-Zu- ·. Betriebdurch Kombination verschiedener konstruktiver Maßnahmen 'sowohl weitgehend, geschützt gegen Abrasiwerschleiß feststoffhaltiger Medien als auch geschützt gegen Verstopfungen enger Drosselquerschnitte durch zu Verstopfungen neigende feststoffhaltige Medien auszuführen und mit dem Einsatz dieses Ventiles die diskontinuierliche Ausschleusung feststoffhaltiger und insbesondere feststoffhaltiger und zu Verstopfungen neigender Medien aus Systemen höheren Druckes in Systeme niedrigeren Drukkes bei geringem Verschleiß der Armatur zu beherrschen. Die hierzu dienende Eckventilkonstruktion wird mit Eintrittsrichtung des Mediums seitlich über dem geschlossenen Kegel rechtwinklig zur Kegelbewegungsrichtung sowie in bekannter Weise mit auswechselbaren Gehäuseverschleißschutzhülsen und auswechselbarem Ventilsitz und Ventilkegel ausgeführt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß einerseits der freie Durchtrittsquerschnitt des Ventilsitzes im Dichtflächenbereich in Strömungsrichtung nach dem Dichtflächenbereich stark verringert wird, so daß der eigentliche Ventilsitz mit'Dichtfläche und eine nachgeschaltete Drosseldüse mit geradem zylindrischem. Durchgang zu einem auswechselbaren Bauteil kombiniert sind, wobei das Verhältnis des freien Strömungsquerschnittes der Drosseldüse zum Durchtrittsquerschnitt des Sitzes an der Dichtfläche kleiner 1:2 auszuführen ist. Andererseits ist der Ventilkegel mit einem der Drosseldüse 'entsprechenden, mit möglichst kleinem Durchmesserspiel zur

Drosseldüse ausgeführten, zylindrischen Drosselkolben versehen, dessen Länge so bemessen ist, daß er in geschlossenem. Zustand des Ventiles die Drosseldüse über deren gesamte Länge ausfüllt. In Offenstellung des Ventiles während des Ausschleusens des abrasiven Mediums ist die durch die Drosseldüse des Ventilsitzes bewirkte Begrenzung des Medienstromes und damit die im Verhältnis der Durchtrittsquerschnitte an der Dichtfläche des Sitzes und im übrigen Ventilgehäuse erreichte wesentliche Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit für die Verschleißminderung entscheidend. Die vorgeschlagene strömungstechnische Gestaltung der Inneneinbauten vermeidet außerdem im Bereich der hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Drosselquerschnitt jede verschleißintensive Prallströmung mit großen Auftreffwinkeln. Bei jedem Auf-Zu-Arbeitsspiel wird der Drosselquerschnitt durch den Drosselkolben freigestoßen, so daß Verstopfungen durch festsfcoffhaltige zu Verstopfungen neigende Medien vermieden werden. Durch den im Vergleich zum Durchtrittsquerschnitt im Dichtflächenbereich beträchtlich verringerten Durchtrittsquerschnitt der Drosseldüse ist der freibleibende Ringspaltquerschnitt zwischen Drosselkolben und Drosseldüsendurchtritt gegenüber üblichen Absperrarmaturen mit Vordrosselung beträchtlich verringert. Heben der dadurch erhöhten Vordrosselwirkung und Dichtflächenentlastung während des Öffnungs- und Schließvorganges wird damit auch in Schließstellung des Ventiles bei beginnendem Dichtflächenverschleiß auftretende verschleißintenöive Leckströmung an den Dichtflächen gemindert und eine Verlängerung des Zeitraumes bis zum Auftreten maximal zulässiger Leckraten erreicht.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll im folgenden anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert werc.en. . Diese zeigt die Schnittdarstellung eines verschleißgeschützten Sckventiles für Auf-Zu-Betrieb in geschlossener Stellung, das die erxindungsgemäßen Lösungen enthält, wie es für den Einsatz als Arn&tur zur diskontinuierlichen Ausschleusung von bei der Kohledruckvergasung anfallendem ca. I70 - 200 ⁰C heißem abrasivem zu Verstopfungen neigendem Staüb-Dickteer-Phenolwassergemisch aus unter Verfahrensdruck von 2,5 MPa (Ü) stehenden

Anlagenteilen in unter einem Druck von 1,5 - 2,0 MPa (Ü) stehende Anlagensysteme vorgesehen ist.

Die Eintrittsrichtung des Mediums ist seitlich über dem geschlossenen Kegel rechtwinklig zur Kegelbewegungsrichtung. Das Ventil besteht aus dem seitlich angeordneten mit Verschleißhülse versehenen Eintrittestutzen 4_ä, dem mit Verschleißhülse versehenen Austrittsstutzen 7 und dem Spindelführung und Stopfbuchse enthaltenden Oberteil 8. Das Oberteil 8 und der sich in Austrittsrichtung konisch erweiternde Austrittsstutzen 7 sind über im Gehäusemittelteil 5 eingelassene Stiftschrauben mit diesem verbunden. Zwischen Austrittsstutzen 7 und Gehäusemittelteil 5 ist der auswechselbare Ventilsitz 1 geklemmt. Der Ventilsitz 1 ist mit einer nachgeschalteten Drosseldüse mit geradem zylindrischem Durchgang zu einem Bauteil kombiniert, wobei das Verhältnis des freien Strömungsquerschnittes der Drosseldüse zum freien Durchtrittsquerschnitt des Sitzes an der Dichtfläche 1 s 4 beträgt. Der Ventilkegel 2 besitzt einen der Drosseldüse entsprechenden zylindrischen Drosselkolben 3> dessen Durchmesser geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Drosselöffnung und dessen Länge so bemessen ist, daß er im geschlossenen Zustand des Ventiles die Drosseldüse über deren gesamte Lange ausfüllt, so daß Verstopfungen des engen Drosselquerschnittes mit feststoffhai tigern Medium durch ständiges Freistoßen bei jedem Arbeitsspiel vermieden werden. Im oberen Bereich der Verschleißhülse des Eintrittsstutzens 4 am Übergang zum Gehäusemittelteil 5 ist noch eine Leiteinrichtung 6 in Form eines Ringsegmentes zur Unterstützung der Umlenkung des strömenden Mediums angeordnet. In Offenstellung des Ventiles wird durch die Wirkung der Drosseldüse der abrasive Medienstrom gedrosselt, so daß an der Sitzdiehtflache und im Gehäuseinnern eine den größeren Durchtrittsquerschnitten entsprechende relativ geringe Strömungsgeschwindigkeit und damit geringer Verschleiß herrschen« Durch den gegenüber dem Dichtflächenbereich beträchtlich verringerten freien Drosseldüsenquerschnitt ist auch in Schließstellung der freibleibende Ringspaltquerschnitt zwischen Drosselkolben und Drosseldüsendurchtritt gegenüber üblichen Absperrarmaturen mit Vordrosselung stark verringert, so daß in Bezug auf den Durchtrittsquerschnitt des Dichtflächenbereiches sowohl die verschleißmindernde Verdrosselung in der Öffnungs- und Schließphase verstärkt ist als auch bei be-

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ginnendem-Dichtflächenverschleiß auftretende verschleißintensive Leckströmung an den Dichtflächen gemindert und eine Verlängerung des Zeitraumes bis zum Auftreten maximal zulässiger Leckraten erreicht wird.

Erste Erprobungen dieses Ausf uhrungsbeispieles unter Betriebsbedingungen haben Standzeiterhöhungen von mehr als 100 % ergeben.

Claims (1)

1. Xf

   Erfindungsanspruch .

   Verschleißgeschütztes Eckventil zur Ausschleusung feststoffhaltiger abrasiver Medien, vorzugsweise feststoff- und teerhaltiger zuifi Verkleben und zu Verstopfungen neigender Medien, aus Systemen höheren Druckes in Systeme niedrigeren Druckes für Auf-Zu-Betrieb dadurch gekennzeichnet, daß einerseits der eigentliche Ventilsitz mit Dichtfläche und eine in Strömungsrichtung nachgoschaltete Drosseldüse mit geraden zylindrischem Durchgang zu einem auswechselbaren Bauteil (1) kombiniert sind, wobei das Verhältnis des freien Strömungsquerschnittes der Drosseldüse zum freien Durchtrittsquerschnitt des Sitzes an der Dichtfläche kleiner 1 » 2 beträgt, und daß andererseits der Ventilkegel (2) einen der Drosseldüse entsprechenden mit möglichst kleinem Durchmesserspiel zur Drosseldüse ausgeführten zylindrischen Drosselkolben (3) besitzt, dessen Länge so bemessen ist, daß er im geschlossenen Zustand des Ventiles die Drosseldüse über deren gesamte Länge ausfüllt.