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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgeben eines bei hohem Druck
dosierten Flüssigkeitsstroms
sowie eine zur Ausführung
des Verfahrens geeignete Vorrichtung. Die Erfindung betrifft insbesondere
ein Verfahren zum Abgeben eines dosierten Stroms einer scherempfindlichen
Flüssigkeit.
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Die
dosierte Abgabe einer scherempfindliche Flüssigkeit, d. h. der Dosierflüssigkeit,
ist mit besonderen Schwierigkeiten verbunden. Bei einer Dosierung
mit herkömmlichen
Dosierpumpen für
hohe Drücke,
z. B. Hubkolbenpumpen, Zahnradpumpen, einige Drehkolbenpumpen oder
auch Membrankolbenpumpen, die meist über 30 bar aufbringen können, ist festzustellen,
dass in Spalten und Querschnittsverengungen, die in allen Pumpen
oder der den Pumpen nachfolgenden Druckregelungsperipherie vorhanden sind,
Scherung auf das Dosiermedium wirkt. Zu nennen sind Stellen wie
z. B. Lagerdichtungen, Stirnflächen
von radial arbeitenden Verdrängerpumpen,
Kolbenringe und Ventile von Hubkolbenpumpen, Ventile von Hochdruckmembranpumpen,
Druck- und Durchsatzregelventile oder -kugelhähne. Die Scherung kann bewirken,
dass reaktive scherempfindliche Flüssigkeiten reagieren oder es
auch, bei nicht reaktiven oder reaktiven Flüssigkeiten, zu einer Verminderung
der Molekülkettenlänge und
einer Abnahme des maximalen Molekulargewichts kommt. Die bei reaktionsfähigen Flüssigkeiten
entstehenden Reaktionsprodukte liegen meist in fester oder gelartiger Form
vor. Die Folgen sind eine Beeinträchtigung der Funktion des Dosiersystems
oder des Produktes. Eine Revision des Systems ist dadurch unausweichlich.
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Der
verwendete Begriff Scherung ist die Kurzform von Schergeschwindigkeit
und besser Schergeschwindigkeitsgefälle in einer strömenden Flüssigkeit.
Diese ist über
den Differenzialquotienten definiert. Dieser wird aus dem Modell
hergeleitet, bei dem eine Flüssigkeit
zwischen zwei sich relativ gegeneinander bewegenden Platten geschert
wird:
wobei
die
Schergeschwindigkeit, L die Länge
der Fließstrecke,
y die Schichtdicke der Flüssigkeitsschichten,
t die Zeit und dv die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den Flüssigkeitsschichten
darstellt. Man sieht daraus, dass, je schneller die Flüssigkeit geschert
wird, oder je kleiner der Spalt ist, desto größer ist die Scherung. Weiterhin
gilt die Abhängigkeit, dass
die Druckdifferenz proportional der Schubspannung ist:
wobei τ die Schubspannung bezeichnet, η die Viskosität und
dieselbe
Bedeutung wie oben aufweist. Aus diesem Zusammenhang ist zu erkennen,
dass die Scherung, konstante Viskosität vorausgesetzt, mit steigenden
Schubspannungen zunimmt. Siehe dazu auch HAAKE Viskosimeter „Einführung in
die praktische Viskosimetrie",
G.Schramm, Gebr. HAAKE GmbH, Karlsruhe 1998, 5. Auflage.
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Deshalb
werden Hochdruckpumpen für scherreaktive
Flüssigkeiten
meist so ausgelegt, dass die Schergeschwindigkeiten niedrig sind.
D. h., Kolbenpumpen laufen mit geringer Hubzahl und radiale Verdrängerpumpen
mit niedriger Drehzahl. Dies jedoch steht den Forderungen entgegen,
dass eine exakte Dosierung eine möglichst geringe Pulsationsamplitude
und eine Pulsation mit hoher Frequenz aufweisen soll. Wenn hochviskose
reaktive Flüssigkeiten
dosiert werden, ergeben sich mit den herkömmlichen Dosierpumpen weitere
Limitierungen. Geringe Durchsatzbereiche können im Allgemeinen nur mit
sehr kleinen Pumpen genau und pulsationsarm dosiert werden. Dies
hat zu Folge, dass insbesondere Pumpen, die mit Ventilen arbeiten,
konstruktionsbedingt mit kleinen Ventilen gebaut werden. Ein hoher
Strömungswiderstand
der Ventile und vermindertes Ansaugvermögen ist die Folge. Die Einsetzbarkeit
der Pumpe ist damit viskositätsbegrenzt.
Im Allgemeinen sind Pumpen im Durchsatzverhältnis 1 : 10 verstellbar. Dabei
tritt im oberen Durchsatzbereich mit hochviskosen Flüssigkeiten
das Problem auf, dass die Ventile nicht mehr schnell genug öffnen und schließen können und
bei Zahnradpumpen Kavitation im Ansaugbereich erfolgt. Eine Verminderung
des Durchsatzes und des Druckbereichs ist die Folge.
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Die
beim Fördern
scherempfindlicher Fluide typischerweise eingesetzten Dosierpumpen
weisen verschiedene Nachteile auf. Kolbenpumpen sind mit einer hohe
Scherung an den Kolbenringen und in den Ventilen verbunden. Zahnradpumpen
und Kreiskolbenpumpen weisen eine hohe Scherung an den Stirnflächen der
Zahnräder,
Dichtungen und Lagern auf. Membrankolbenpumpen sind mit einer hohen Scherung
in den Ventilen verbunden. Generell weisen Druck- und Durchsatzregelungseinheiten
wie z. B. Ventile, Schieber oder Hähne eine hohe Scherung aufgrund
der mit ihnen verbundenen Querschnittsverengung auf.
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Der
Nachteil dieser Systeme besteht darin, dass die Stempel durch Stellglieder
mit mechanischem Antrieb angetrieben werden. D. h., der Druck über dem
Stempel entspricht dem Atmosphärendruck,
so dass die Dichtungen mit der gesamten Druckdifferenz zwischen
dem Raum des Dosiermediums und dem Luftraum über dem Kolben belastet wird,
wenn das System in Betrieb ist. Die maximal realisierbaren Drücke sind
durch die Dichtungen begrenzt. Weiterhin besteht gerade bei reaktiven
und empfindlichen Medien die Gefahr, dass eine an der Behälterwand
zurückbleibende
Flüssigkeitsschicht an
der Luft reagiert oder altert. Dies kann auch bei einem luftangetriebenen
Stempel der Fall sein. Die Schichtdicke der zurückbleibenden Flüssigkeitsschicht
ist umso dicker, je viskoser das Fluid ist (Hiltscher/Mühlthaler/Smits,
Molchtechnik – Grundlagen, Komponenten,
Anwendungstechnik; Weinheim, Wiley-VCH 1999). Hierdurch bilden sich
Schichten, welche die Dichtwirkung der Stempeldichtungen vermindern
und somit den Druckaufbau des Systems begrenzen. Verstärkt wird
dies durch an Luft alternde Flüssigkeiten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu
beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren zum Abgeben eines
bei hohem Druck dosierten Flüssigkeitsstroms
angegeben werden, das eine Minimierung der auf die abzugebende Flüssigkeit
wirkenden Scherung ermöglicht. Ferner
soll eine Vorrichtung zur Ausführung
des Verfahrens angegeben werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 6 und 16 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis
5 sowie 7 bis 15.
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Nach
Maßgabe
der Erfindung ist ein Verfahren zum Abgeben eines dosierten Stroms
einer ersten Flüssigkeit,
insbesondere einer scherempfindlichen Flüssigkeit, vorgesehen, bei dem
die erste Flüssigkeit
mittels eines Kolbenhubs eines beweglichen Kolbens aus einer ersten
Kammer eines Kolbenbehälters
abgegeben wird, wobei zur Steuerung des Kolbenhubes eine zweite
Flüssigkeit
in eine zweite Kammer des Kolbenbehälters, die von der ersten Kammer
durch den beweglichen Kolben getrennt ist, eingeleitet wird, wobei
dabei die zweite Flüssigkeit die
erste Flüssigkeit
aus dem Kolbenbehälter
verdrängt.
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Die
erste und die zweite Kammer sind volumenveränderliche Kammern, wobei die
Summe des Volumens beider Kammern konstant bleibt. Das Volumen beider
Kammern wird durch die Position des Kolbens bestimmt. Der Kolbenbehälter ist,
abgesehen von den Ein- und Auslassöffnungen für die Zufuhrleitung und die
Abgabeleitung ein geschlossener Behälter.
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Ferner
ist eine Vorrichtung zum Abgeben eines dosierten Stromes einer ersten
Flüssigkeit
vorgesehen, die
- – einen ersten Kolbenbehälter mit
einer ersten Kammer zur Aufnahme einer ersten Flüssigkeit und einer zweiten
Kammer zur Aufnahme einer zweiten Flüssigkeit, wobei die erste Kammer
von der zweiten Kammer durch einen beweglichen Kolben getrennt ist
und wobei die erste Flüssigkeit mittels
eines Kolbenhubs des beweglichen Kolbens aus einer ersten Kammer
eines Kolbenbehälters
abgegeben wird;
- – einer
Abgabeleitung für
die erste Flüssigkeit,
die aus der ersten Kammer des Kolbenbehälters verdrängt und einem Flüssigkeitsverbraucher
zugeführt
wird; und
- – einer
Zufuhrleitung für
die zweite Flüssigkeit
umfasst, die aus einem Vorratsbehälter der zweiten Kammer des
Kolbenbehälters
zugeführt
wird, wobei die Zufuhr der zweiten Flüssigkeit in die zweite Kammer
den Kolbenhub des Kolbens steuert und die erste Flüssigkeit
aus dem Kolbenbehälter
verdrängt.
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Der
bewegliche Kolben wird zweckmäßigerweise
mit einer Kolbenstange geführt,
die außerhalb des
Kolbenbehälters
in einer Führung
gelagert ist. Die Kolbenstange ist vorzugsweise axial zur Längsachse
des Kolbenbehälters
angeordnet. Sie verhindert ein Verkanten des Kolbens in dem Kolbenbehälter und
kann zur Füllstandsmessung
verwendet werden.
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Die
Zufuhrleitung ist zweckmäßigerweise
im oberen Teil des Kolbenbehälters,
vorzugsweise in der Oberseite (Deckel) des Kolbenbehälters ausgebildet.
Die Abgabeleitung ist zweckmäßigerweise
im unteren Teil des Kolbenbehälters,
vorzugsweise in der Unterseite (Boden) des Kolbenbehälters ausgebildet.
Beide können
jedoch unabhängig
von einander auch seitlich im Mantel des Kolbenbehälters ausgebildet
sein.
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Die
Erfindung ermöglicht
eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Dosierung und Förderung
insbesondere von scherempfindlichen Fluiden. Die Fluide können dabei
mit hohen Drücken
abgegeben, d. h. dosiert und gefördert
werden. Erreicht wird dies durch ein Kolbensystem, das eine Trennung
der zu dosierenden ersten Flüssigkeit
(beispielsweise eine scherempfindliche Flüssigkeit) und einer als Treibmedium
dienenden zweiten Flüssigkeit
(in der Regel einer scherunempfindlichen Flüssigkeit) bewirkt. Die zweite
Flüssigkeit
treibt den Kolben an, dessen Kolbenhub die erste Flüssigkeit
verdrängt.
Der Druckaufbau und die Dosierung erfolgt hierbei vorzugsweise durch
eine Dosierpumpe. Das Verfahren beschränkt sich nicht auf scherempfindliche
Medien wie z. B. Vernetzer, Initiatoren und Polymere, sondern ist gleichfalls
sehr gut geeignet, gefährliche, ätzende Flüssigkeiten
wie z. B. Säuren
und Laugen, hoch- und niedrigviskose sowie andere scherunempfindliche
Dosierflüssigkeiten
mit beliebigen Durchsätzen, Drücken und
Genauigkeiten zu dosieren. Die Druckhöhe wird durch die Auslegung
der Komponenten bestimmt und ist nach dem Stand der Technik bis
zu mehreren hundert bar ausführbar.
Die Viskosität
der ersten Flüssigkeit
kann zwischen 0, vorzugsweise 0,5 mPa s und 200.000 Pa s liegen.
Der Druck, mit dem die erste Flüssigkeit
abgegeben wird, kann bis zu 350 bar betragen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 eine
schematische Querschnittsdarstellung des erfindungsgemäßen Kolbenbehälters;
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2 schematische Darstellungen des in 1 gezeigten
Kolbenbehälters
in verschiedenen Verfahrensstadien;
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3 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die eine diskontinuierliche Versorgung eines Flüssigkeitsverbrauchers
ermöglicht;
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4 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die eine diskontinuierliche Versorgung eines Flüssigkeitsverbrauchers
und ein Nachfüllen
der ersten Flüssigkeit
ermöglicht;
und
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5 eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die
eine kontinuierliche Versorgung eines Flüssigkeitsverbrauchers ermöglicht.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
die Abgabe eines dosierten Stroms einer ersten Flüssigkeit,
indem in einem Kolbenbehälter
eine zweite Flüssigkeit
eingebracht wird, die Druck auf den Kolben ausübt. Die erste Flüssigkeit
ist das zu dosierende Medium. Die erste Flüssigkeit wird daher im Folgenden
als Dosierflüssigkeit
bezeichnet. Die zweite Flüssigkeit
verdrängt
die erste Flüssigkeit
aus dem Kolbenbehälter.
Die zweite Flüssigkeit
wird daher im Folgenden als Treibmedium bezeichnet.
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Nach 1 umfasst
die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 einen
Kolbenbehälter 2 mit
einer ersten Kammer 3 zur Aufnahme der Dosierflüssigkeit
und einer zweiten Kammer 4 zur Aufnahme des Treibmediums.
Die erste Kammer 3 ist von der zweiten Kammer 4 durch
einen beweglichen Kolben 5 getrennt. Der bewegliche Kolben 5 weist
eine Kolbestange 13 auf, die außerhalb des Kolbenbehälters 2 in
einer Führung 13a gelagert
ist. Die Kolbenstange 13 ist in der Führung 13a linear beweglich
gelagert. Die Kolbenstange 13 ist zweckmäßigerweise
axial zur Längsachse
des Kolbenbehälters 2 ausgebildet.
In diesem Fall endet sie mittig auf der Oberfläche des beweglichen Kolbens 5,
die der zweiten Kammer 4 zugewandt ist. Die Kolbenstange 13 und
die Führung 13a verhindern
ein Verkanten des beweglichen Kolbens 5 in dem Kolbenbehälter 2.
Die Kolbenstange 5 stellt zusätzlich ein Mittel zur Füllstandsmessung
dar.
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Die
Dosierflüssigkeit
wird mittels eines Kolbenhubs des beweglichen Kolbens 5 aus
der ersten Kammer 3 des Kolbenbehälters 2 über die
Abgabeleitung 6 abgegeben, wenn das Treibmedium über eine
Zufuhrleitung 7 in die zweite Kammer 4 eingefüllt wird.
Dabei wird das Treibmedium unter Druck in die zweite Kammer 4 gepumpt,
so dass das Treibmedium Druck auf den beweglichen Kolben 5 ausübt und der
Kolbenhub des Kolbens 5 die Dosierflüssigkeit aus der ersten Kammer 3 verdrängt. Die
verdrängte Flüssigkeit
kann dann über
die Abgabeleitung 6 einem Flüssigkeitsverbraucher (nicht
gezeigt) zugeführt
werden. Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
sind somit dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe der Dosierflüssigkeit
aus der ersten Kammer durch den Kolbenhub des Kolbens gesteuert
wird, in dem auf den Kolben durch Einfüllen des Treibmediums Druck
ausgeübt
wird, was zu einer Vergrößerung des
Volumens der zweiten Kammer 4 und zu einer Verkleinerung
des Volumens der ersten Kammer 3 führt.
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Die 2a, 2b und 2c zeigen
den Kolbenbehälter
in verschiedenen, aufeinander folgenden Verfahrensstadien. In 2a,
die den Ausgangszustand zeigt, ist die erste Kammer 3 mit
der Dosierflüssigkeit 8 gefüllt. Der
Kolben 5 befindet sich am oberen Ende des Kolbenbehälters 1.
Die erste Kammer hat ihr maximales Volumen und nimmt im Wesentlichen
das gesamte Volumen des Kolbenbehälters 1 ein. Die zweite
Kammer 4 hat ihr minimales Volumen. Wird über die
Zufuhrleitung 7 das unter Druck stehende Treibmedium 9 in
den Reaktionsbehälter
eingefüllt
(2b, Pfeil T), so drückt es den beweglichen Kolben
in Richtung der ersten Kammer 3 (Pfeil K), wodurch sich
die zweite Kammer 4 vergrößert und die erste Kammer 3 verkleinert.
Dabei wird die Dosierflüssigkeit 8 aus
der ersten Kammer 3 über die
Abgabeleitung 6 abgegeben (Pfeil D). Die Menge der Dosierflüssigkeit 8,
die abgegeben wird, wird durch die Geschwindigkeit des Kolbenhubs
bestimmt, die wiederum von der Geschwindigkeit abhängt, mit
dem das Treibmedium 9 in die zweite Kammer gepumpt wird.
In 2c hat die erste Kammer ihr minimales Volumen
und die zweite Kammer ihr maximales Volumen. Durch die Zufuhr des
Treibmediums 9 ist der Kolben soweit wie möglich in
Richtung der ersten Kammer 3 gedrückt worden und hat zu einer
nahezu vollständigen
Verdrängung
des Dosiermediums aus der ersten Kammer 3 geführt.
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In 3 ist
eine Vorrichtung 101 dargestellt, mit der ein Flüssigkeitsverbraucher 119 diskontinuierlich
mit einer Dosierflüssigkeit
versorgt werden kann. Die erste Kammer 103 unter dem Kolben 105 des
Kolbenbehälters 102 wird
zunächst
mit der Dosierflüssigkeit
gefüllt.
Das Treibmedium befindet sich zunächst in einem Vorratsbehälter 111.
Eine För derpumpe 112 saugt
das Treibmedium aus dem Vorratsbehälter 111 und setzt
das Treibmedium unter Druck. Förderpumpe 112 ist
eine Druckerhöhungspumpe, zweckmäßigerweise
eine Dosierpumpe. Dabei wird das Treibmedium durch die Zufuhrleitung 107 oberhalb
des Kolbens 105 in die zweite Kammer 104 des Kolbenbehälters 101 gepumpt.
Die Menge des in den Kolbenbehälters 101 gepumpten
Treibmediums kann durch die Füllstandsänderungen
des Vorratsbehälters 111,
unter Verwendung eines Mittels zur Bestimmung der Durchflussmenge
oder mit Kolbenstange 113 an der Kolbenführung des
Kolbenbehälters 101 gemessen
und geregelt werden. Die Kolbenstange ist – wie in 1 dargestellt – linear
beweglich in einer Führung
gelagert, wobei die Führung
lediglich aus Gründen
der Übersichtlichkeit
in 3 und den folgenden Figuren nicht gezeigt ist.
Ein Mittel 114 zur Bestimmung der Durchflussmenge kann
zwischen dem Vorratsbehälter 111 und
der Förderpumpe 112 angeordnet
sein. Alternativ oder zusätzlich
kann ein Mittel 115 zur Bestimmung der Durchflussmenge
zwischen der Förderpumpe 112 und
dem Kolbenbehälter 102 abgeordnet
sein. Ferner ist zwischen der Förderpumpe 112 und
dem Kolbenbehälter
ein Sicherheitsüberdruckventil 116 vorgesehen,
das die Vorrichtung im Bereich des Treibmediums gegen Überdruck
schützt.
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Der
Kolbenbehälter 101 ist über eine
Abgabeleitung 106 für
die Dosierflüssigkeit
an einen Flüssigkeitsverbraucher 119 angeschlossen,
dem die Dosierflüssigkeit
zudosiert wird. Der Flüssigkeitsverbraucher 119 kann
einen Prozess darstellen, in dem die Dossierflüssigkeit verarbeitet wird.
Zwischen dem Kolbenbehälter 101 und
dem Flüssigkeitsverbraucher 119 ist
ein Sicherheitsüberdruckventil 116 vorgesehen,
das den Bereich der Vorrichtung 101, in denen sich die
Dosierflüssigkeit
befindet gegen Überdruck
schützt.
Durch die Volumenverdrängung
bewegt sich der Kolben 105 und drückt die Dosierflüssigkeit
volumengleich aus dem Kolbenbehälter 101. Ein
Rückschlagventil 117 sichert
den Bereich der Vorrichtung 101, in denen sich die Dosierflüssigkeit befindet,
gegen Überdrücke aus
dem Flüssigkeitsverbraucher 119.
Ferner ist ein Mittel 118 zur Bestimmung der Durchflussmenge
der Dosierflüssigkeit zwischen
dem Kolbenbehälter 101 und
dem Flüssigkeitsverbraucher 119 vorgesehen.
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Das
Leitungssystem ist ein geschlossenes Leitungssystem.
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Die
in 4 gezeigte Vorrichtung 201 gleicht der
Vorrichtung 101, ist aber um Mittel zum automatischen Befüllen, insbesondere
Nachfüllen,
von Dosierflüssigkeit
in die erste Kammer ergänzt.
Mittels Vorrichtung 201 kann der Befüllvorgang der ersten Kammer
mit der Dosierflüssigkeit
automatisch durchgeführt
werden. Hierbei wird die Dosierflüssigkeit mit einer Förderpumpe 222,
vorzugsweise einer scherarmen Förderpumpe,
aus einem Vorratsbehälter 221 für die Dosierflüssigkeit über Befüllungsleitung 223 eine
Dreiwegeabsperrarmatur 224 rückwärts in die zu befüllende,
insbesondere nachzufüllende,
erste Kammer 203 des Kolbenbehälters 201 gepumpt. Hierfür wird auf
der Treibmediumseite die Absperrarmatur 225 geöffnet, wodurch
das Treibmedium über eine
Rückführungsleitung 226 zurück in den
Vorratsbehälter 211 gedrückt wird
und für
den nächsten
Dosiervorgang zur Verfügung
steht.
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Die übrigen Einrichtungen
der Vorrichtung 201 entsprechen denen der Vorrichtung 101.
Einrichtungen in Vorrichtung 201 sind mit den Bezugszeichen
für die
gleichen Einrichtungen in Vorrichtung 101, ergänzt um 100,
gekennzeichnet.
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5 zeigt
eine Ausführungsform,
die eine kontinuierliche Abgabe eines dosierten Stroms der Dosierflüssigkeit
an einen Flüssigkeitsverbraucher 319 ermöglicht.
Die Vorrichtung 301 umfasst einen Kolbenbehälter 302 und
einen zweiten Kolbenbehälter 302'. Im folgenden
werden Teile der Vorrichtung, die Kolbenbehälter 302' zuzuordnen
sind, mit der gleichen Zahl wie die entsprechenden Teile, die Kolbenbehälter 302 zuzuordnen
sind, gekennzeichnet, ergänzt
um ein Strichzeichen. Die erste Kammer 303 unter dem Kolben 305 des
Kolbenbehälters 302 wird zunächst mit
der Dosierflüssigkeit
gefüllt.
Das Treibmedium befindet sich dabei in einem Vorratsbehälter 311.
Eine Förderpumpe 312 saugt
das Treibmedium aus dem Vorratsbehälter 111 und setzt
das Treibmedium unter Druck. Förderpumpe 312 ist
eine Druckerhöhungspumpe,
zweckmäßigerweise
eine Dosierpumpe. Dabei wird das Treibmedium durch die Zufuhrleitung 307 über den
Dreiwegehahn 351 und Zufuhrleitung 352 in die
zweite Kammer 304 des Kolbenbehälters 302 oberhalb
des Kolbens 305 gepumpt. Dazu befindet sich ein Dreiwegehahn 351 in einer
solchen Stellung, dass Zufuhrleitung 107 zur Zufuhrleitung 352 hin
geöffnet
ist. Dreiwegehahn 351 ist zweckmäßigerweise ein Dreiwegekugelhahn.
Die Menge des in den Kolbenbehälter 302 gepumpten Treibmediums
kann durch die Füllstandsänderungen des
Vorratsbehälters,
unter Verwendung eines Mittels zur Bestimmung der Durchflussmenge
oder mit einem Mittel zur Füllstandsmessung
an der Kolbenführung
des Kolbenbehälters 302 gemessen
und geregelt werden. Ein Mittel 314 zur Bestimmung der Durchflussmenge
kann zwischen dem Vorratsbehälter 311 und
der Förderpumpe 312 angeordnet
sein. Alternativ oder zusätzlich
kann ein Mittel zur Bestimmung der Durchflussmenge zwischen der
Förderpumpe 312 und
dem Kolbenbehälter 302 angeordnet sein.
Ferner ist zwischen der Förderpumpe 312 und dem
Dreiwegehahn 351 ein Sicherheitsüberdruckventil 316 vorgesehen,
das die Vorrichtung im Bereich des Treibmediums gegen Überdruck
schützt.
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Der
Kolbenbehälter 302 ist über eine
Abgabeleitung 353, Dreiwegehahn 354 und Abgabeleitung 306 für die Dosierflüssigkeit
an einen Flüssigkeitsverbraucher 319 angeschlossen,
dem die Dosierflüssigkeit
zudosiert wird. Dazu befindet sich Dreiwegehahn 354 in
einer solchen Stellung, dass Abgabeleitung 353 zur Abgabeleitung 306 hin
geöffnet
ist. Dreiwegehahn 354 ist zweckmäßigerweise ein Dreiwegekugelhahn.
Der Flüssigkeitsverbraucher 319 kann
einen Prozess darstellen, in dem die Dossierflüssigkeit verarbeitet wird.
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Während der
Abgabe von Dosierflüssigkeit über Kolbenbehälter 302 kann
Kolbenbehälter 302' mit Dosierflüssigkeit
aus einem Vorratsbehälter 321 befüllt werden.
Hierbei wird Dosierflüssigkeit
mit einer Förderpumpe 322 aus
dem Vorratsbehälter 321 über Befüllungsleitung 323,
einen Dreiwegehahn 355, eine Befüllungsleitung 356', ein Dreiwegehahn 324 und
ein Teil der Abgabeleitung 353' rückwärts in die zu befüllende erste
Kammer 303' des
Kolbenbehälters 302' gepumpt. Hierfür wird auf
der Treibmediumseite der Dreiwegehahn 325' geöffnet, wodurch das Treibmedium über die
Zufuhrleitung 352' und
die Rückführungsleitung 326' zurück in den
Vorratsbehälter 311 gedrückt wird
und für
den nächsten
Dosiervorgang zur Verfügung
steht.
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Sobald
der erste Kolbenbehälter 302 entleert ist,
kann die Dosierung des Dosiermittels über den zweiten, inzwischen
befüllten
Kolbenbehälter 302' fortgeführt werden.
Dazu saugt Förderpumpe 312 das
Treibmedium aus dem Vorratsbehälter 311 und setzt
das Treibmedium unter Druck. Dabei wird das Treibmedium durch die
Zufuhrleitung 307 über
den Dreiwegehahn 351 und Zufuhrleitung 352' in die zweite
Kammer 304' des
Kolbenbehälters 301' oberhalb des
Kolbens 305' gepumpt.
Dazu befindet sich Dreiwegehahn 351 in einer solchen Stellung,
dass Zufuhrleitung 307 zur Zufuhrleitung 352' hin geöffnet ist.
Die Menge des in den Kolbenbehälter 302' gepumpten Treibmediums
kann durch die Füllstandsänderungen
des Vorratsbehälters 311,
unter Verwendung eines Mittels zur Bestimmung der Durchflussmenge
oder mit einem Mittel zur Füllstandsmessung an
der Kolbenführung
des Kolbenbehälters 301' gemessen und
geregelt werden. Ein Mittel 314 zur Bestimmung der Durchflussmenge
kann zwischen dem Vorratsbehälter 311 und
der Förderpumpe 312 angeordnet
sein. Alternativ oder zusätzlich
kann ein Mittel zur Bestim mung der Durchflussmenge zwischen der Förderpumpe 312 und
dem Kolbenbehälter 302 angeordnet
sein. Ferner ist zwischen der Förderpumpe 312 und
dem Dreiwegehahn 351 ein Sicherheitsüberdruckventil 316 vorgesehen,
das die Vorrichtung im Bereich des Treibmediums gegen Überdruck schützt.
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Der
Kolbenbehälter 302' ist über eine
Abgabeleitung 353',
Dreiwegehahn 354 und Abgabeleitung 306 für die Dosierflüssigkeit
an einen Flüssigkeitsverbraucher 319 angeschlossen,
dem die Dosierflüssigkeit
zudosiert wird. Dazu befindet sich Dreiwegehahn 354 in
einer solchen Stellung, dass Abgabeleitung 353' zur Abgabeleitung 306 hin
geöffnet
ist.
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Während der
Abgabe von Dosierflüssigkeit über Kolbenbehälter 302' kann Kolbenbehälter 302 mit
Dosierflüssigkeit
aus einem Vorratsbehälter 321 befüllt werden.
Hierbei wird Dosierflüssigkeit
mit einer Förderpumpe 222,
vorzugsweise einer scherarmen Förderpumpe,
aus dem Vorratsbehälter 223 über Befüllungsleitung 223,
einen Dreiwegehahn 355, ein Befüllungsleitung 356,
ein Dreiwegehahn 324 und ein Teil der Angabeleitung 353 rückwärts in die
zu befüllende
erste Kammer 303 des Kolbenbehälter 301 gepumpt.
Hierfür
wird auf der Treibmediumseite der Dreiwegehahn 325 geöffnet, wodurch das
Treibmedium über
die Zufuhrleitung 307 und die Rückführungsleitung 326 zurück in den
Vorratsbehälter 311 gedrückt wird
und für
den nächsten
Dosiervorgang zur Verfügung
steht.
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Die übrigen Einrichtungen
der Vorrichtung 301 entsprechen denen der Vorrichtung 201.
Einrichtungen in Vorrichtung 301 sind mit den Bezugszeichen
für die
gleichen Einrichtungen in Vorrichtung 201, ergänzt um 100,
gekennzeichnet.
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Die
zur Befüllung
der beiden Kolbenbehälter 302 und 302' wird nur eine
Förderpumpe 311 für das Treibmedium
benötigt,
da diese über
den Dreiwegehahn 351 beide Kolbenbehälter wechselseitig versorgen
kann. Das Wiederauffüllen
der Kolbenbehälter 302 und 302' erfolgt wie
in Vorrichtung 201 mit einer Förderpumpe 322, vorzugsweise
einer scherarmen Förderpumpe,
nach dem Umschalten der Dreiwegearmatur 355 auf den jeweilig
leeren Kolbenbehälter und Öffnen des
Dreiwegehahnes 325, wenn Kolbenbehälter 302 befüllt wird,
oder Öffnen
des Dreiwegehahnes 325',
wenn Kolbenbehälter 302' befüllt wird. Alle
druckseitigen Systeme mit Sicherheitsüberdruckventilen 316 ausgestattet.
Zur Vermeidung oder zumindest Minimierung von Pulsationen durch
den Umschaltvorgang zwischen den Dreiwegehähnen ist in der Abgabeleitung 306 zum
Flüssigkeitsverbraucher 319 ein
Pulsationsdämpfer 360 geschaltet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
sind somit zur kontinuierlichen Dosierung und Förderung insbesondere von scherempfindlichen
Dossierflüssigkeiten
mit hohem Druck geeignet. Mit der Vorrichtung wird durch die langsame
Hubbewegung der Kolben in den Kolbenbehältern erreicht, dass auf die
abzugebende Dosierflüssigkeit
nur minimale Scherung wirkt und dadurch eine Reaktion von reaktiven
scherempfindlichen Flüssigkeiten
oder eine Schädigung
der Molekülkettenlänge im Allgemeinen
nahezu ausgeschlossen ist.
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Der
Druckaufbau erfolgt in der erfindungsgemäßen Vorrichtung über eine
Förderpumpe,
die das Treibmedium aus dem Vorratsbehälter ansaugt und in die zweite
Kammer des Kolbenbehälters
drückt. Die
Förderpumpe
ist vorzugsweise eine Dosierpumpe, wobei alle handelsüblichen
Dosierpumpen als Förderpumpe
für den
Betrieb der Vorrichtung eingesetzt werden können. Die Auswahl kann, je
nach Anforderungen an die Dosiergenauigkeit und Pulsation erfolgen.
Geeignete Förderpumpen
sind somit Rotationskolbenpumpen insbesondere Zahnradpumpen, Schlauchpumpen,
Excenterschneckenpumpen, Kolbenpumpen, insbesondere deren Mehrfachanordnungen
zur Verringerung der Pulsation, Membrankolbenpumpen insbesondere
deren Mehrfachanordnungen zur Verringerung der Pulsation, sowie
Kreiselpumpen. Besonders bevorzugt werden Zahnradpumpen eingesetzt,
die einen pulsationsarmen und genauen Dosierstrom bei hohem Druck
leisten können.
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Das
Treibmedium, das mit der Förderpumpe dosiert
wird, kann je nach Anforderungen frei gewählt werden. Bevorzugt eingesetzt
werden inkompressible, gegenüber
Scherung unempfindliche Medien, in denen das Dosiermedium vorzugsweise
löslich
ist. Besonders geeignet als Treibmedium sind Medien, die inkompressibel,
vorteilhafterweise schmierend und verträglich mit der Dossierflüssigkeit
sind. Beispiele sind Additive wie flüssige Weichharze bei der Herstellung
und Verarbeitung lösungsmittelhaltiger und
lösungsmittelfreier
Klebstoffe; Wasser bei der Herstellung und Verarbeitung wässriger
Dispersionen; sowie Öle
bei der Verarbeitung von Naturkautschuken.
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Durch
den Antrieb des Kolbens mit einem Treibmedium entstehen nur geringe
Druckdifferenzen über
die Abdichtungen des Kolbens zur Kolbenbehälterwand, die den Raum des
Treibmediums zur Dosierflüssigkeit
trennt, da der Druck des Treibmediums und der Druck der Dosierflüssigkeit
annähernd gleich
sind. Aus diesem Grund können
sehr hohe Dosier- bzw. Förderdrücke realisiert
werden. Die Abdichtungen des Kolbens zur Kolbenbehälterwand
bewirken eine Abreinigung der Kolbenbehälterwand von der Dosierflüssigkeit.
Dies ist insbesondere bei Produktwechseln und Anlagenstillstand
bei dem eine Restentleerung stattfinden muss, z. B. wenn sehr lagerungsempfindliche
Medien, die zum Vercracken oder Alterung neigen, eingesetzt wurden,
sehr vorteilhaft. Eine zusätzliche
Reinigung der Kolbenbehälterwand
wird durch das Treibmedium bewirkt, insbesondere dann, wenn ein
Treibmedium gewählt
wird, in dem sich das Dosiermedium löst.
-
Der
Kolben sollte gegen die Innenwand des Kolbenbehälters abgedichtet sein. Der
Kolben kann als Platte ausgebildet sein. Vorteilhafterweise sind die
Seite des Kolbens, die der ersten Kammer zugewandt ist und der Boden
der ersten Kammer zueinander komplementär ausgeformt. Ebenso sollte
die Seite des Kolbens, die der zweiten Kammer zugewandt ist, und
die Decke der zweiten Kammer zueinander komplementär ausgeformt
sein. Beispielsweise können
die Seiten des Kolbens halbkreisförmig oder konisch sein. Besonders
vorteilhaft ist eine kreisrunde Ausführung der Seite des Kolbens,
die in Kontakt mit der Dosierflüssigkeit
steht. Der Kolben sollte daher in diesem Fall als Halbkugel ausgeführt sein.
Ist außerdem
der Boden der ersten Kammer halbkreisförmig nach außen gewölbt, so
kann eine weitgehende Restentleerung des Behälters erreicht werden. Alternativ kann
der Kolben als Platte ausgebildet sein.
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Der
Kolbenbehälter
ist vorzugsweise rohrförmig
und/oder langsprofiliert und/oder doppelwandig. Bevorzugt weist
der Kolbenbehälter
einen kreisförmigen
Querschnitt auf. Der Kolbenbehälter
ist zweckmäßigerweise
mit einer antiadhäsiven
und/oder antikorrosiven Schicht ausgekleidet.
-
Alle
Teile der Vorrichtung, die in Kontakt mit der Dossierflüssigkeit
gelangen, sollten auf die Eintrittstemperatur der Dossierflüssigkeit
in die erste Kammer thermostatisiert werden. Die Thermostatisierung
kann elektrisch, vorzugsweise durch einen Heizleiter, oder induktiv,
durch Thermalflüssigkeiten wie
Wasser oder Thermalöl
und/oder durch Dampf erfolgen.
-
Das
gesamte Volumen des Kolbenbehälters sollte
während
des gesamten Verfahrens vollständig von
dem Treibmedium und/oder der Dossierflüssigkeit gefüllt sein.
-
Der
Dosierflüssigkeitsmassestrom,
der von dem Kolbenbehälter
abgegeben wird, kann durch die Messung des Dosierstroms mit einem
Massendurchflussgerät
stromabwärts
von dem Kolbenbehälter (Seite
der Dosierflüssigkeit)
gemessen werden. In manchen Fällen,
z. B. wenn hochviskose Dosiermedien gefördert werden, ist es von Vorteil,
das Massendurchflussgerät
stromaufwärts
von dem Kolbenbehälter
(Seite des Treibmediums) zu betreiben. Dies ist vorteilhaft, wenn
durch das Massedurchflussmessgerät
hohe Druckverluste entstehen würden. Dichteunterschied
zwischen Treibmedium und Dosierflüssigkeit würden bei dieser Anordnung unterschiedliche
Massenströme
auf der Seite des Treibmediums und der Seite der Dosierflüssigkeit
bewirken, da es sich um eine volumetrisch arbeitende Vorrichtung
handelt. Die Dichteunterschiede zwischen Dosierflüssigkeit
und Treibmedium können
regelungstechnisch ausgeglichen werden.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
Dosierflüssigkeiten
in Viskositätsbereichen
von 0,5 mPa s bis 200.000 Pa s unter Verwendung nur einer Treibmedium-Förderpumpe dosiert werden. Die Mengen
und die Genauigkeit sind dabei von der Treibmedium-Förderpumpe
und der dazugehörigen Dosierregelung
abhängig.
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Beispiele
für scherempfindliche
reaktive Flüssigkeiten
und/oder scherempfindliche Flüssigkeiten,
die besonders mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtung
dosiert werden können
sind Vernetzer für
Klebstoffe (insbesondere für
Hot Melts), ferner Härter,
Monomere, Präpolymere,
Polymere und Initiatoren.
-
Beispiele
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels und eines Vergleichsbeispiels
näher erläutert.
-
Beispiel 1
-
In
einem Versuch wurden mit einem Versuchaufbau, der Vorrichtung 101 in 3 entsprach, folgende
Ergebnisse erzielt. Ein sehr empfindlicher, unter Scherung zur Reaktion
neigender Vernetzungspromotor wurde in die erste Kammer 103 in den
bis 30 bar druckfesten, 2 Liter fassenden Kolbenbehälter 102 eingefüllt. Der
aus Edelstahl hergestellte Kolbenbehälter wurde mit einer DN10-Leitung
an einen Extrusionsprozess angeschlos sen, der den Flüssigkeitsverbraucher 119 darstellte.
Die Abdichtung des Kolbens 105 wurde mit speziellen, gegen den
Vernetzungspromotor und dem produktinerten Treibmedium resistenten
Dichtungen realisiert. Die dosier- und treibmediumseitige Absicherung
erfolgte wie in 3 gezeigt. Als Förderpumpe 112 wurde eine
als Zahnradpumpe ausgeführte
Dosierpumpe ausgewählt,
die das gegenüber
der Dosierflüssigkeit und
dem Produkt inerte Treibmedium in den Kolbenbehälter pumpte. Die Durchflussmessung
erfolgte mit einem Durchflussmessgerät 114, das auf dem
Coriolismessprinzip basiert. Die Kolbenstange 113 zeigte den
Füllstand
des Kolbenbehälters
an. Realisiert wurden Massenströme
bis zu 2 kg/h gegen 30 bar Prozessdruck. Nach Beendigung der Dosierung
wurden im Kolbenbehälter 102 keine
Spuren von reagiertem Vernetzungspromotor gefunden. Es traten im Betrieb
keine Schwierigkeiten durch den Vernetzungspromotor auf.
-
Vergleichsbeispiel 1
-
In
einem vorherigen Versuch, der Beispiel 1 abgesehen davon entsprach,
dass der Vernetzungspromotor direkt mit der Dosierpumpe 112 zu
dem Flüssigkeitsverbraucher 119 gepumpt
wurde, dauerte es ca. 20 s bis die Dosierpumpe 112 zum
Stillstand kam. Untersuchungen der Pumpe zeigten, dass an der Stelle,
an der die höchste
Scherung auftritt, nämlich
in den metallischen Lagern, eine Reaktion des Vernetzungspromotors
einsetzte, das Lager festsetzte und so die Pumpe zerstörte.
-
- 1
- Vorrichtung
zur Abgabe einer Dosierflüssigkeit
- 2
- Kolbenbehälter
- 3
- erste
Kammer zur Aufnahme der Dossierflüssigkeit
- 4
- zweite
Kammer zur Aufnahme des Treibmediums
- 5
- beweglicher
Kolben
- 6
- Abgabeleitung
- 7
- Zufuhrleitung
- 8
- Dossierflüssigkeit
- 9
- Treibmedium
- 13
- Kolbenstange
- 13a
- Führung für Kolbenstange 13
- 101
- Vorrichtung
zur Abgabe einer Dosierflüssigkeit
- 102
- Kolbenbehälter
- 103
- erste
Kammer zur Aufnahme der Dossierflüssigkeit
- 104
- zweite
Kammer zur Aufnahme des Treibmediums
- 105
- beweglicher
Kolben
- 106
- Abgabeleitung
- 107
- Zufuhrleitung
- 111
- Vorratsbehälter für das Treibmedium
- 112
- Förderpumpe
- 113
- Kolbenstange
- 114
- Mittel
zur Bestimmung der Durchflussmenge des Treibmediums
- 115
- Mittel
zur Bestimmung der Durchflussmenge des Treibmediums
- 116
- Sicherheitsüberdruckventil
- 117
- Rückschlagventil
- 118
- Mittel
zur Bestimmung der Durchflussmenge der Dosierflüssigkeit
- 119
- Flüssigkeitsverbraucher
- 201
- Vorrichtung
zur Abgabe einer Dosierflüssigkeit
- 202
- Kolbenbehälter
- 203
- erste
Kammer zur Aufnahme der Dossierflüssigkeit
- 204
- zweite
Kammer zur Aufnahme des Treibmediums
- 205
- beweglicher
Kolben
- 206
- Abgabeleitung
- 207
- Zufuhrleitung
- 211
- Vorratsbehälter für das Treibmedium
- 212
- Förderpumpe
- 213
- Kolbenstange
- 214
- Mittel
zur Bestimmung der Durchflussmenge des Treibmediums
- 215
- Mittel
zur Bestimmung der Durchflussmenge des Treibmediums
- 216
- Sicherheitsüberdruckventil
- 217
- Rückschlagventil
- 218
- Mittel
zur Bestimmung der Durchflussmenge der Dosierflüssigkeit
- 219
- Flüssigkeitsverbraucher
- 221
- Vorratsbehälter für die Dossierflüssigkeit
- 222
- Förderpumpe
für die
Dossierflüssigkeit
- 223
- Befüllungsleitung
- 224
- Dreiwegeabsperrarmatur
- 225
- Dreiwegeabsperrarmatur
- 226
- Rückführungsleitung
- 301
- Vorrichtung
zur Abgabe einer Dosierflüssigkeit
- 302
- erster
Kolbenbehälter
- 302'
- zweiter
Kolbenbehälter
- 303,
303'
- erste
Kammer zur Aufnahme der Dossierflüssigkeit
- 304,
304'
- zweite
Kammer zur Aufnahme des Treibmediums
- 305,
305'
- beweglicher
Kolben
- 306
- Abgabeleitung
- 307
- Zufuhrleitung
- 311
- Vorratsbehälter für das Treibmedium
- 312
- Förderpumpe
- 313,
313'
- Kolbenstange
- 314
- Mittel
zur Bestimmung der Durchflussmenge des Treibmediums
- 315
- Mittel
zur Bestimmung der Durchflussmenge des Treibmediums
- 316
- Sicherheitsüberdruckventil
- 317
- Rückschlagventil
- 318
- Mittel
zur Bestimmung der Durchflussmenge der Dosierflüssigkeit
- 319
- Flüssigkeitsverbraucher
- 321
- Vorratsbehälter für die Dossierflüssigkeit
- 322
- Förderpumpe
für die
Dossierflüssigkeit
- 323
- Befüllungsleitung
- 324
- Dreiwegehahn
- 325
- Dreiwegehahn
- 326
- Rückführungsleitung
- 351
- Dreiwegehahn
- 352,
352'
- Zufuhrleitung
- 353,
353'
- Abgabeleitung
- 354
- Dreiwegehahn
- 355
- Dreiwegehahn
- 356,
356'
- Befüllungsleitung
- 360
- Pulsationsdämpfer