DE10239032A1 - Vorrichtung zum Absperren von hochviskosen Stoffen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Absperren von Leitungen und Apparaten, in denen hochviskose Stoffe transportiert oder verarbeitet werden. Die Vorrichtung weist im Ruhezustand keine Toträume und die Strömung behinderende Kanten oder Einbauten auf. Die Sperrwirkung wird durch einen nicht raumfüllenden Verdrängerkolben erreicht, der mit Kühlkanälen versehen ist, mit deren Hilfe das Produkt in den offenen Kanälen zum Erstarren oder Einfrieren gebracht wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Absperren von Leitungen oder Apparaten in denen hochviskose Stoffe transportiert oder verarbeitet werden.
• Bei der Herstellung und Förderung von Polymeren ist es wichtig, dass sie unter Luftabschluss bleiben und sich in den Apparaten und Leitungen keine Toträume bilden, in denen das Polymer ungewollt lange verweilt. An solchen Totraumstellen kommt es, wie der Name schon sagt, zu keinem Stoffaustausch mehr mit der Umgebung. Das in solchen Zonen abgelagerte Produkt führt zu Verfärbungen oder Vernetzungen, welche die Produkteigenschaften ungünstig beeinflussen oder die Qualität herabsetzen. Polymere werden in der Regel aus Monomeren durch Reaktion miteinander hergestellt und durchlaufen in technischen Anlagen eine Reihe von Reaktionsapparaten, in denen unterschiedliche Reaktionsbedingungen vorherrschen. Um das Produkt von einem Apparat zum nächsten zu bringen, bedient man sich Förderorganen und Leitungen. In diesen Leitungen darf beispielsweise ein Polymer bei Reaktionsbedingungen nicht stillstehen, da es in diesem Falle wie bei einem Verweilen in Toträumen zu den oben geschilderten unerwünschten Nebenreaktionen kommt. In technischen Anlagen lässt es sich aber nicht vermeiden, dass es durch Verschleiß oder Fehlbedienung zu einem Ausfall des Förderorganes kommen kann und eine Reparatur an diesem notwendig wird. Aus der allgemeinen Verfahrentechnik kennt man eine Vielzahl von Ventilen, von denen man eines vor dem Förderorgan platziert, um durch Absperren des vor dem Förderorgan liegenden Bereiches ein Nachfließen von Produkt zu verhindern. Insbesonders wenn es sich um Stoffe handelt die erst bei höheren Temperaturen fließfähig sind, wie z.B. Kunststoffe. Hier werden Temperaturen in einem Bereich von 80°C bis zu 350°C notwendig.
• Von den aus der allgemeinen Verfahrenstechnik bekannten Ventilen oder Armaturen sind nur wenige geeignet auch bei viskosen oder hochviskosen Stoffen verwendet zu werden. Die in großer Zahl verwendeten Armaturen weisen Ecken, Kanten und Umlenkungen auf, an denen die viskosen Stoffe hängen bleiben und zu Totwasser ähnlichen Rollen und Walzen führen. So bleiben von den üblicherweise eingesetzten Ventilen und Armaturen nur die Kugel- oder Halbkugelhähne und Absperrklappen übrig, die strömungsgünstig und totraumfrei ausgeführt werden können. Nachteilig an beiden Absperrarmaturen ist, dass sie zum einen über Durchführungswellen verfügen, die gegen die Umwelt abgedichtet werden müssen und zum anderen im Falle der Kugelhähne einen Totraum hinter der Dichtfläche aufweisen, in den Polymer eindringen kann. Dieses ist dort eingesperrt, verkokt in Laufe der Zeit und führt zu einer erschwerten Bedienbarkeit, in vielen Fällen sogar zur völligen Blockage oder Abriss der Drehwelle bei nicht begrenzter Krafteinwirkung. Aus diesem Grunde setzt man solche Absperrarmaturen auch nur selten ein. Absperrklappen sind günstiger, haben aber den Nachteil in der Mitte einer Leitung zu liegen und dort, wo die höchste Strömungsgeschwindigkeit vorherrscht als Strömungswiderstand zu wirken. Dies erfordert Rohrerweiterungen, sollen nicht hoher Druckverlust und grössere Förderleistungen in Kauf genommen werden. Des weiteren gibt es in den Randzonen Strömungsschatten und Spalte in denen es auf Dauer zu langen Verweilzeiten kommt, mit all den Nachteilen die solche Toträume mit sich bringen. Vermeiden lassen sich solche Nachteile durch den Einsatz von Einfrier- oder Drosselstellen. Für kleinere und beheizte Leitungsquerschnitte, in der Regel bis 40 mm, ist es möglich durch sogenannte Einfrierabschnitte in der umhüllenden Leitung einen Feststoffpfropfen in der innen liegenden Leitung durch Kühlung zu erzeugen, der den Durchfluss stoppt. Bei größeren Querschnitten ist die Haltekraft des Pfropfens jedoch nicht ausreichend, da Polymere beim Einfrieren stark schrumpfen und zum langsamen Weiterfließen des Pfropfens führen. Des weiteren haben Polymere ein schlechtes Wärmeleitungsvermögen und so dauert es über mehrere Stunden bis größere Querschnitte eingefroren sind. Nicht zuletzt sei auf den großen Durchsatz an Kühlmittel hingewiesen, der notwendig ist, um den Inhalt von Leitungen mit größeren Durchmessern einzufrieren. In bestehenden Anlagen ist auch meist der ungehinderte Zugang zu den notwendigen Stellen nicht möglich. Beim Einfrieren besteht durch die fehlende Prüfungsmöglichkeit des Fortschrittes bei der Verfestigung die Gefahr, dass das Produkt in der Mitte noch nicht ganz fest ist und der die Wartung ausführende Monteur durch nachströmendes heißes Polymer verletzt wird. Vermeiden lässt sich bei großen Querschnitten eine solche Gefahr durch eine Verengung an der Einfrierstelle, was aber den großen Nachteil mit sich bringt, dass einerseits strömungsgünstige Übergänge geschaffen werden müssen und andererseits durch die Drosselstreckecke der Förderdruck dauerhaft und unverhältnismäßig hoch sein muss. Diese Maßnahmen sind aus wirtschaftlichen Gründen nicht günstig, da sowohl der Energieverbrauch des Förderorgans als und die mechanische Belastung und der Verschleiß steigen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Absperrvorrichtung schaffen, dadurch gekennzeichnet, dass ein fließfähiges Produkt in einer Leitung durch Einführen eines Bolzens mit kühl- und heizbaren Kanälen verdrängt und betriebssicher eingefroren wird.
• Rohrleitungen durch die Stoffe von einem Ort zu anderen transportiert verfügen herstellungsbedingt über einen runden Querschnitt. Dies ist äußerst vorteilhaft, da keinerlei Ecken und Kanten auftreten, an denen fließfähiger Stoff länger verweilen kann.
• Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, dass ein sicheres Absperren gegen nachfließende oder nachdrückende Stoffe durch Einfrieren möglich ist, wenn der Abstand zwischen gekühlter Außenwand und gekühlter Kolbenwand vorteilhaft 40 mm und besonders vorteilhaft 30 mm nicht überschreitet.
• In 1 und dem Schnitt A-B ist beispielhaft die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Sie ist gekennzeichnet durch die Leitungswand (9) befestigte Hülse (3), in der sich der Einfrierkolben (7) befindet. Dieser Kolben weist Kanäle (1) und (2) auf, die der Zu- und Abfuhr von Heiz- und Kühlflüssigkeiten dienen. Sie werden von weiter entfernt liegenden Aggregaten je nach betrieblichen Anforderungen mit den entsprechenden Flüssigkeiten gespeist. Der Einfrierkolben kann durch eine hydraulische Vorrichtung oder über einen durch Elektromotoren bewegten Verstellmechanismus, wie sie dem Fachmann bekannt und in der Technik üblich sind, betätigt werden. Die Leitung (9) ist in dem Bereich, in dem der Produktfluss abgesperrt werden soll, mit einem Mantel (5) versehen, durch dessen Zuführungsstutzen (6) je nach betrieblichen Anforderungen mit umlaufenden Temperierflüssigkeiten geheizt oder gekühlt wird.
• Der bewegliche Einfrierkolben (8) ist erfindungsgemäß besonders vorteilhaft plan ausgeführt, kann vorteilhaft aber auch eine flache konvexe oder konkave Form haben. Die Befestigungshülse (3), die den Kolben hält und führt, ist auch mit einem Doppelmantel (4) versehen, durch den wie bei der Leitung (9) auch je nach Anforderungen mit umlaufenden Temperierflüssigkeiten geheizt oder gekühlt wird. Die umlaufende Abstreifdichtung (12) sorgt beim Zurückfahren des Kolben dafür, dass fließfähiger Stoff nicht aus dem Leitungsraum in den hinter der Dichtung liegenden Raum eindringen kann. Der Kolben ist an der Vorderseite vorteilhaft einige zehntel Millimeter konisch (11) erweitert, wobei es sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat, dass die Form des Konus und des Sitzes so gestaltet sind, dass in dem Spalt befindlicher fließfähiger Stoff in den Leitungsraum zurückgedrängt wird und erfindungsgemäß der Kolben bündig mit der Leitungswand abschließt. Durch die Form des Konus und die Rückstellkraft der Verschubmechanik erfolgt eine kraftschlüssige und spaltfreie Abdichtung (11) des Kolbens in der Leitungswand. Für die Platzierung des Kolbens (8) gibt es die Möglichkeit, dass er mit der planen, konvexen oder konkaven Oberfläche tangential mit der Innenkontur einer Leitung (9) abschließt. In diesen Falle tritt durch den entstehenden Zwickel (10) zwischen der zylindrischen planen, konvexen oder konkaven Kolbenkonturlinie (8) und der beispielsweise runden Leitung (9) eine scharfkantige Ecke und eine Querschnittserweiterung auf. Sowohl die Querschnittserweiterung als auch die scharfkantige Ecke sind aus den Gründen der Strömungsveränderung und der Totraumbildung – wie bereits vorab geschildert – schädlich. Erfindungsgemäß werden beide Nachteile dadurch vermieden, dass der Kolben (8) soweit in den Leitungsraum vor- oder zurück verlegt wird, dass sich ein Flächenausgleich zwischen zusätzlicher Zwickelfläche (10) und tangential abgeschnittenem Kreisbogen ergeben. Dieser erfindungsgemäße flächenbehaftete Ausgleich führt für sich alleine aber noch nicht zu einer optimalen Absperrarm für fließfähige Stoffe, denn an der Schnittstelle von Leitungskontur (9) und planem, konvexem, konkavem, elliptischem oder kreisbogenförmig gewölbtem Kolben (8) entsteht eine nicht ausgerundete flache Kante, an der es zu Strömungsinstabilitäten kommt. Es hat sich bei Strömungsuntersuchungen an Plexiglasmodellen und mit Hilfe der Simulation der Strömung durch Finite Elemente Methoden als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn man erfindungsgemäß die Hülse (3) dickwandig ausführt, die Leitung so ausschneidet oder aushalst, dass die mit einer elliptischen Ausrundung (10) versehene Hülse (3) in der Leitung durch eine dem Fachmann geläufige Art ohne Stufen und Kanten befestigt werden kann.
• 2 zeigt eine Anordnung mit zwei gegenüberliegenden Kolben bzw. Absperrvorrichtungen.
• Es hat sich bei der Untersuchung mit hochviskosen Polymeren als vorteilhaft herausgestellt, dass der eingefrorene Bereich beim Wiederaufheizen durch die große Oberfläche und das verdrängte Kolbenvolumen sehr schnell und vollständig in den fließfähigen Zustand übergeht und keine festen Partikel mehr zu Verstopfungen in nachfolgenden Apparaten und Vorrichtungen führen. Über eine Betriebsdauer von 12 Monaten konnten keine Verschmutzungen durch Gele oder Produktverfärbungen beim Einsatz in einer kontinuierlichen Polycarbonatproduktion verzeichnet werden. Eine Stillstandinspektion zeigte die metallischen Oberflächen ohne Spuren von abgebautem oder verfärbtem Polymer.
• Auch nach 12-monatiger Betriebsdauer ließ sich das Absperrorgan bestimmungsgemäß betätigen und erfüllte seine Absperrfunktion.

1

Kühlmittelkanal, Zuführung-Ableitung

2

Heizmittelkanal, Zuführung-Ableitung

3

Hülse

4

Heiz/Kühlmantel, Einfrierkolben

5

Heiz/Kühlmantel, Leitung

6

Heiz/Kühlmittelleitung

7

Einfrierkolben

8

Kolbenboden flach, konvex, konkav, elliptisch, kreisbogenförmig gewölbt

9

Leitungsmantel

10

Ausrundungen, Aushalsungen

11

Konischer Dichtungssitz

12

Abstreifdichtung

Claims (14)

1. Mit einem Doppelmantel versehene Vorrichtung zum Absperren von Leitungen oder Apparaten in denen fließfähige Stoffe transportiert oder verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein beweglicher Kolben, der nicht den gesamten Querschnitt der Leitung einnimmt, der in der Ruhestellung den Leitungsquerschnitt nicht verengt, der von einer in der Wand befestigten Hülse geführt wird, in den Leitungsinnenraum eingebracht wird, den dort befindlichen Stoff verdrängt und durch Kühlung den in den freien Kanälen vorbeifließenden Stoffstrom verfestigt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt in der Leitung am Sitz des Kolbens nicht rund ist, die Querschnittsfläche am Sitz des Kolbens gleich ist der Querschnittsfläche oder deren hydrodynamischen Äquivalent in der Leitung vor und/oder nach der Absperrvorrichtung,
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, das der bewegliche Kolben in der Absperrvorrichtung an der Fläche, die mit dem fließfähigen Stoff in Kontakt steht, glatt, konvex, konkav, elliptisch oder kreisbogenförmig gewölbt sein kann,
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen Leitungswand und Absperrvorrichtung verbleibende Spalt vorteilhaft mindestens 5 mm und höchstens 100 mm, besonders vorteilhaft mindestens 8 mm und höchstens 40mm aufweist,
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrvorrichtung keine Ecken und Winkel an den Flächen hat, die mit dem fließfähigen Stoff in Kontakt stehen und Verrundungen im Strömungsverlauf mit einen Mindestradius von 6 mm aufweist,
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Einfrierkolben an der Seite, die mit dem fließfähigen Stoff in Kontakt steht, eine konische Erweiterung hat und der Steigungswinkel des Konus und der Winkel des Sitzes des Konus in der Führungshülse so gestaltet sind, dass in dem Spalt befindlicher fließfähiger Stoff in den Leitungsraum zurückgedrängt wird und der Kolben in Ruhestellung bündig mit der Leitungswand abschließt,
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, das der bewegliche Kolben in der Absperrvorrichtung mindestens einen Zufuhr- und Abfuhrkanal für Kühlflüssigkeit und mindestens einen Zufuhr- und Abfuhrkanal für Heizflüssigkeit hat,
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, das die Hülse die den Einfrierkolben führt, mindestens eine Abstreifdichtung aufweist, die beim Zurückfahren des Kolben dafür sorgt, dass fließfähiger Stoff nicht aus dem Leitungsraum in den hinter der Dichtung liegenden Raum eindringen kann,
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, das die Absperrvorrichtung mit einem zweiten, die Vorrichtung umhüllenden Mantel ausgestattet ist, durch den die Vorrichtung wahlweise beheizt oder gekühlt werden kann,
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Einfrierkolben durch eine Mechanik aus der Ruhestellung in Sperrposition gebracht wird,
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Endposition durch einen Anschlag gegen Anfahren an die gegenüberliegende Leitungsseite gesichert ist,
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben in Ruheposition gegen den konischen Dichtungssitz verspannt und gegen unbeabsichtigtes Öffnen gesichert ist,
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausführung mit gegenüberstehenden Absperrvorrichtungen der Kolben vorteilhaft einen flachen Boden aufweist,
14. Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausführung mit gegenüberstehenden Absperrvorrichtungen sich die Kolben in Absperrposition nicht berühren.