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Druckpumpe zum Fördern von Gemischen oder Emulsionen aus flüssigem
N.04, H N 03 und H,0 Es ist bekannt, Gemische oder Emulsionen aus flüssigem N204,
H N 03 und H,0 unter Drucksteigerung um mehr als 10 Atmosphären, z. B. 50 Atmosphären,
in einen Reaktionsraum einzuführen. Die Durchführung des drucksteigernden Pumpvorganges
mit einer Kolbenpumpe wird durch die außerordentlich aggressiven korrodierenden
Eigenschaften solcher Gemische oder Emulsionen sowie die leichte Vergasbarkeit und
Giftigkeit des Stickstofftetroxyds bzw. Stickstoffdioxyds erschwert. Man hat deshalb
Kolbenpumpen mit Kolbenlaufbüchsen und in diese eingepaßte, ohne Kolbenringe und
übliche Dichtungen laufende Kolben aus säurefesten Werkstoffen verschieden hoher
Brinellhärte benutzt, wobei an die vom Hochdruckraum abgewandte Seite des Kolbens
ein unter gewöhnlichem Druck stehender, nach außen abgedichteter Raum angeschlossen
wurde mit Öffnungen für die Abführung von durch die Laufbüchse durchgetretener Förderflüssigkeit
bzw. von Bestandteilen derselben. Der Kolbendurchmesser und das Verhältnis von Kolbenlänge
zu Kolbendurchmesser wurden möglichst groß gewählt.
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Es hat sich herausgestellt, daß die Anwendung von Kolben und Laufbüchsen
aus sehr harten metallischen Werkstoffen, wie z. B. Ferrosilicium mit mindestens
15'/o Si oder z. B. hochprozentigen Chromstählen, die mit polierten Oberflächen
saugend ineinander eingepaßt werden, betrieblich mit schwerwiegenden Nachteilen
verbunden ist. Die anfangs geringen Mengen durchtretender Flüssigkeit steigen schon
nach kurzer Laufzeit infolge Veränderung der polierten Oberflächen über 1 oder 2%
der Fördermenge und anschließend weiter. Infolge der erwähnten Eigenschaften der
zu fördernden Gemische sowie der mechanischen Beanspruchung der ohne Schmiermittel
betriebenen polierten Flächen bei geringer Viskosität der mehrphasigen Förderflüssigkeit
selbst bleibt die Oberfläche nicht unverändert glatt, und Aufrauhung sowie mechanische
Beanspruchung führen zunehmend zu Schrammen bzw. Durchtrittsmöglichkeiten in Längsrichtung.
Angesichts der beträchtlichen Drücke und der geringen Viskosität, insbesondere von
flüssigem Stickstofftetroxyd, führen schon geringe derartige Verletzungen der Oberfläche
zu unzulässigem Anstieg der durchtretenden :Mengen.
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Dadurch werden erhebliche betriebliche Nachteile hervorgerufen, die
in dem Erfordernis dauernder Kontrollen, in Unterbrechungen und hohen Unterhaltskosten
bei Ersatz der sehr harten polierten Teile, dem erhöhten Energiebedarf, der leichten
Vergasbarkeit usw. bestehen.
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Der Stand der Technik für diese schwierige Aufgabenstellung entspricht
also den Darlegungen der deutschen Patentschrift 753 114. Es wurde gefunden, daß
eine solche Ausbildung der Druckpumpen bei der Förderung von Gemischen oder Emulsionen
aus flüssigem N2 04, H N 02 und H2 0 mit gleichzeitiger Drucksteigerung vermieden
werden kann und die geschilderten schwerwiegenden Nachteile damit entfallen, wenn
man eine Pumpe verwendet, bei der Kolben und bzw. oder Kolbenlaufbüchse mindestens
teilweise aus Polyhalogenäthylenen mit 3 oder 4 Fluoratomen im monomeren Halogenäthylen
bestehen oder mindestens teilweise damit verkleidet bzw. damit ausgerüstet sind,
so daß die Abdichtung der gegeneinanderbewegten Teile zwischen Metall und Polyhalogenäthylen
bzw. Polyhalogenäthylen und Polyhalogenäthylen erfolgt. Als Polyhalogenäthyle@.le
werden bevorzugt Polytetrafluoräthylen und Polytrifluorchloräthylen angebracht,
die als säurefeste Dichtungsmittel an sich bekannt sind.
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Man läßt z. B. einen Kolben aus polierten säurefesten Metallen z.
B. aus Chromnickelstahl, Chromstahl oder Ferrosilicium oder Tantal oder anderen
säurefesten Metallen in einer Laufbüchse aus Polytetrafluoräthylen laufen. Umgekehrt
läßt sich eine metallische Laufbüchse und ein Kolben aus Polytetrafluoräthylen verwenden.
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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.
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Bisher genügte kein Kunststoff diesen ungewöhnlichen Anforderungen.
Andere als säurefest bezeichnete Kunststoffe versagten aus verschiedenen Gründen.
Nach der britischen Patentschrift 698 346 ist es bekannt, Kolben von Druckpumpen
mit Gummi oder Kunststoffen zu verkleiden, die in üblicher Weise mit
Schmierung
und Dichtungsringen arbeiten. Die Kunststoffauskleidung hat nicht die mit der vorliegenden
Erfindung gelöste Aufgabe, die Abdichtung zu bewirken; denn erstens erfolgt die
Abdichtung der gegeneinanderbewegten Teile dort nicht zwischen Metall und Kunststoffverkleidung,
sondern durch übliche Dichtungsringe, und zweitens arbeitet diese Pumpe mit Schmierung.
In der Zeitschrift »Kunststoffe«, 43, Heft 9 (1953) werden auf S. 368 und 369 unter
anderem Laufbüchsen aus einem für die vorliegende Förderflüssigkeit ungeeigneten
Amidkunststoff beschrieben, wobei noch ausdrücklich gesagt wird, daß diese nur bei
geringer Belastung einen Betrieb ohne Schmierung ermöglichen. In der deutschen Patentschrift
834 305, in welcher Polyfluoräthylen nicht erwähnt wird, ist für den Erfolg des
Pumpvorganges die Aufrechterhaltung eines dünnen Schmiermittelhäutchens notwendig,
das sich zwischen Dichtungsvorrichtung und dem gleitenden Teil befindet.
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Auch die Kenntnis der allgemeinen Eigenschaften der Kunststoffe legte
die Erfindung nicht nahe, weil die als korrosionsfest bezeichneten Kunststoffe sich
im allgemeinen als ungeeignet erwiesen haben. Von dem verwendeten Kunststoff Polytetrafluoräthylen
war außerdem bekannt, daß er unter Druck zu fließen beginnt. In flüssigem Stickstofftetroxyd
N204 erfährt er Gewichtszunahmen, die eine veränderte Oberflächenbeschaffenheit
bedingen. Der praktische Erfolg der Erfindung war daher für den Fachmann überraschend.
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Durch die Erfindung wird eine den bekannten Verfahren überlegene Abdichtung
und Haltbarkeit unter Senkung der Herstellungs- und Unterhaltungskosten der Pumpen
erreicht.
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Auch die Verformbarkeit der Polyhalogenäthylene hat sich überraschenderweise
nicht nachteilig ausgewirkt, sondern führt bei der unten beschriebenen Ausbildung
zu einem besonders guten Anliegen an den Dichtungsflächen. Dieses Verhalten unter
der gleichzeitig außerordentlichen korrodierenden Beanspruchung durch Gemische von
N.04, H N 03 und H2 O, hohe Drücke und mechanische Anforderungen bei der Kolbenbewegung
war nicht vorherzusehen, und die neue Ausbildung der Pumpen führt zu einem erheblichen
technischen Fortschritt dadurch, daß @#in saugendes Einpassen harter polierter Metallteile
ineinander und die damit verbundenen Unzuträglichkeiten entfallen. Man kann zwischen
Kolben und Laufbüchse einen Spalt lassen, so daß Metallteile sich nicht berühren
bzw. gegeneinander fressen können, wobei die einmalige oder mehrmalige Unterbrechung
des Spaltraumes durch Polyhalogenäthylene in Form von Verkleidungen, Manschetten,
Kolbenringen od. dgl. übernommen wird. Man hat dabei noch den bekannten Vorteil
geringer Reibung zwischen Metall und Pol vhalogenäthylen. Werden die bewegten Teile
beiderseitig mit Flächen aus Polyhalogenäthylen ausgebildet, so ist die bekannte
Tatsache für diesen Sonderzweck, bei dem eine Schmierung entfallen soll, daß z.
B. Polytetrafluoräthylen gegen Polytetrafluoräthylen noch wesentlich geringere Reibung
hat, zu einer weiteren bisher nicht angewendeten Erleichterung dieses schwierigen
technischen Pumpvorganges ausgenutzt.
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Eine weitere Ausbildung dieser zur Förderung von Gemischen oder Emulsionen
aus flüssigem N2 04, H N 03 und H20 mit gleichzeitiger Drucksteigerung benutzten
Pumpen besteht darin, daß aus Polyhalogenäthylenen bestehende Dichtungsteile, Manschetten
od. dgl. derart in die Metallteile der Kolben und/oder der Laufbüchsen und/oder
der Kolben-Stangen eingelassen oder von den der Dichtung nachgeformten Metallteilen
abgestützt sind, daß frei tragende Flächen oder Stoßkanten aus Polyhalogenäthylen
entfallen bzw. auf ein Minimum beschränkt sind, während die abzudichtenden Spalträume
durch entsprechende Polyhalogenäthylenteile ein oder mehrmals unterbrochen werden.
Dabei werden Ausführungsformen bevorzugt, bei denen diese Spalträume weniger als
2 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm, und insbesondere weniger als 0,5 mm breit sind,
und zwar überall oder wenigstens an den durch die Polyhalogenäthylene unterbrochenen
Stellen. Scharfe Metallkanten in Berührung mit dem Dichtungsmittel lassen sich bei
der Abstützung vermeiden.
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Besonders bewährt haben sich in die Metallteile eingelassene oder
von solchen abgestützte, aus Polyhalogenäthylen mit 3 oder 4 Fluoratomen im Monomeren
bestehende Dichtungsteile, Manschetten od. dgl., die durch den druckseitig herrschenden
Flüssigkeitsdruck an die gegenüberliegende Lauffläche abdichtend angedrückt werden,
z. B. Kolbenmanschetten an die Laufbüchsen. Das geschieht durch Einwirken der Druckflüssigkeit
hinter den Dichtungsteilen, z. B. bei Kolbenmanschetten kolbenseitig. Der Zutritt
der Druckflüssigkeit wird insbesondere durch Aussparungen bzw. Rillen bzw. Bohrungen
in den -.bstützenden Metallteilen bewirkt, z. B. bei abgestützten Kolbenmanschetten
durch Rillen in den abstützenden Metallteilen.
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Die Polyhalogenäthylene werden rein oder mit Zusätzen bzw. Füllmitteln
verwendet. Durch Zusätze oder Füllmittel lassen sich die Eigenschaften beeinflussen,
z. B. die Reibung vermindern oder die Haltbarkeit durch Füllmittel bzw. Bindemittel
erhöhen. Als Polyhalogenäthylen hat sich Polytetrafluoräthylen besonders bewährt,
welches z. B. für Dichtungen aller Art mit spezifischen Gewichten von 2,1 bis 2,3
an sich bekannt ist. Als die Reibung vermindernder Zusatz bzw. als Füllmittel kann
z. B. Graphit zugesetzt werden.
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Auch bei der Durchführung der Kolbenstange lassen sich bei diesen
Pumpen Abdichtungen mit solchem Polyhalogenäthylen mit besonderen Vorteilen verwenden.
Es wird dadurch möglich, diese Abdichtung auch gegen Betriebsdrucke vorzunehmen,
so daß man auf einen druckentlasteten Raum vor der Durchführung der Kolbenstange
nicht mehr unbedingt angewiesen ist. Die einfacheAusbildung doppelt wirkender Kolben
wird dadurch erleichtert, selbstverständlich kann aber auch bei den nach vorliegender
Erfindung ausgebildeten Pumpen zwischen Kolben und der nach außen führenden Abdichtung
seiner Kolbenstange in an sich bekannter Weise ein unter geringerem oder gewöhnlichem
Druck stehender, nach außen abgedichteter Raum vorgesehen werden, aus dem etwa durch
die Laufbüchse getretene Förderflüssigkeit abgeführt wird. Ebenso kann bei doppelt
wirkenden Pumpen an die erste Durchführung der Kolbenstange noch ein solcher druckentlasteter
Raum angeschlossen werden, aus dem die Kolbenstange 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.
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Unter Benutzung derartiger Pumpen lassen sich die angegebenen Gemische
bei hohen Drücken betriebssicher mit verminderten Herstellungs- und Unterhaltungskosten
sowie vermindertem Energiebedarf kontinuierlich nach Belieben verarbeiten, z. B.
mit
Sauerstoff zu hochkonzentrierter Salpetersäure mit Gehalten
zwischen 98 und 100 Gewichtsprozent H N 03. Beispiel Zwei Dreikolbenpumpen, die
bei 60 Umdr./Min. etwa 6 m3/h eines zur Herstellung 990/a H N 03 enthaltender Salpetersäure
dienenden Gemisches aus flüssigem N2 04, H N 03 und H2 O auf 52 atü förderten, waren
mit Kolben und Laufbüchsen aus Ferrosilicium ausgerüstet, die mit 0,01 mm Spiel
saugend ineinander eingeschliffen und poliert waren. Die zwischen Kolben und Laufbüchsen
durchtretenden Rücklaufmengen 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 51/o Durchtritt erreicht waren. Nur durch Erneuerung eines
Kolbens mit Laufbüchse kann Abhilfe geschaffen werden.
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In denselben Pumpen wurden ungeschliffene Kolben aus säurefestem Stahl
mit einem zwischen 0,2 und 0,3 mm liegenden Spiel zwischen metallischen Kolbenteilen
und Laufbüchsen derart eingebaut, daß keine Berührung der Metalle mehr bestand.
Die Abdichtung erfolgte durch zwei je Kolben hintereinander angebrachte Kolbenmanschetten
aus Polytetrafluoräthylen. Die Rücklaufmengen lagen nach 150 Betriebsstunden im
Gebiet unterhalb 0,1% der Ansaugmengen, z. B. bei 0,020/0 oder 0,06%. Der Rücklauf
war nach 150 Betriebsstunden um ein bis zwei Größenordnungen geringer als bei der
bekannten Ausbildung dieser Pumpen. Auch nach 300 Betriebsstunden wurde kein höherer
Rücklauf festgestellt. Der Rücklauf bleibt gering. Kolben und Laufbüchse werden
nicht mehr erneuert, da das Auswechseln der Kolbenmanschetten genügt, um zu hoch
angestiegenen Rücklauf wieder auf das Gebiet unterhalb 0,1% der Ansaugmenge herabzusetzen.