-
Hochdruckpumpe mit Dichtung Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der
Erzeugung hoher Drücke in zu pumpenden Flüssigkeiten und Gasen und betrifft insbesondere
eine hierfür verwendete Dichtung, die mit einem zähen strömungsfähigen Medium und
einem engen Spalt arbeitet.
-
Bei vielen industriellen Verfahren werden heute ausserordentlich hohe
Drücke gefordert, um Stoffe in Reaktionsbehälter einzuführen, die bei ausserordentlich
hohen Drücken arbeiten. Diese Drücke erfordern besonders konstruierte Einrichtungen,
die diesem Druck widerstehen, und erfordern auch die Verwendung von Pumpen, die
auch für längere Zeitabschnitte bei hohen Drücken betrieben werden können. Es ist
bekannt, dass in vielen Fällen die Drücke über 2800 kg/cm2 (40000 psig) liegen.
-
Bei Hochdruckverfahren werden üblicherweise Pumpen der Verdrängerbauart
verwendet, die einen hin- und herbewegbaren Kolben aufweisen, umdie zu pumpende
Flüssigkeit oder das Gas zusammenzudrücken uhd auf den gewinschten Druck zu bringen.
Eines der Hauptprobleme bei diesen Einrichtungen ist die Zerstörung und der Ausfall
des Dichtungspackungsmaterials und der Kolben, die in den Pumpen verwendet werden.
Die Wirkung der hin- und herbewegten Kolben zerstört schnell das Packungsmaterial,
das den Kolben umgibt, so dass die Einrichtung stillgelegt. werden mussO Dann ist
es erforderlich, das Packungsmaterial auszuwechseln, was zu einem Verlust an Betriebszeit
führt.
-
Bis heute wird bei den meisten Pumpen dieser Art Feststoff-Packungsmaterial
verwendet, um eine Dichtung zu erhalten.
-
Diese Packungsmaterialien sind zwar nicht vollständig zufriedenstellend,
sie sind aber praktisch das einzige in der Industrie verwendete bekannte Mittel;
es ist bereits großer Aufwand an Zeit und Geld betrieben worden, um Verbesserungen
der bekannten Materialien zu erreichen und bessere Ersatzmaterialien mit geringeren
Kosten zu finden.
-
Die hin- und hergehende Bewegung der Kolben hat eine verschleißende
Wirkung auf diese; bei vielen Anwendungsfällen müssen massive Kolben aus Wolframkarbid
verwendet werden, um eine ausreichende Lebenszeit der Packung und des Kolbens zu
erreichen. Diese Kolben sind sehr teuer und stellen eine Gefahr dar wegen ihrer
Sprödbruchneigung, die für dieses Material charakteristisch ist. Es sind zahlreiche
Fälle bekannt, wo massive Wolframkarbidkolben zerstört wurden und ihre Splitter
zusammen mit einer entzündbaren Flüssigkeit
oder einem Gas in den
Arbeitsbereich gelangten.
-
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Verwendung von -herkömmlichen
Packungsmaterialien bei Hochdruck-Verdrängerpumpen zu vermeiden. Dies wird erreicht
durch die Verwendung einer Pumpe, die eine Dichtung mit einer zähen Flüssigkeit
(oder einem Gas) in einem engen Spalt in dem kreisringförmigen Raum zwischen dem
hin- und herbewegten Kolben und dem Pumpengehäuse verwendet, in dem der Kolben angeordnet
ist. Über die gesamte -ringförmige Dichtungszone mit engem Spalt wird die Strömung
einer zähen Flüssigkeit (oder eines Gases) aufrechterhalten, die angenähert den
gleichen Druck auf der Hochdruckseite hat wie der Druck der zu pumpenden Flüssigkeit
oder des Gases. Die zähe Dichtflüssigkeit wirkt als eine Dichtung; sie wird in den
ringförmigen engen Spalt der Dichtzone durch eine Einrichtung für den Kreislauf
der Dichtflüssigkeit eingeführt, die vollständig aus herkömmlichen Bauteilen aufgebaut
ist. Der Druck der zähen Flüssigkeit auf der stromauf gelegenen Seite des ringförmigen
engen Dichtspalts wird durch die Einrichtung für den Kreislauf der Dichtflüssigkeit
aufrechterhalten sowie durch eine schwimmende ("floating") Kolbendichtung, die die
mit zu pumpendem Medium gefüllte Kammer von der zähen Dichtflüssigkeit trennt und
den Druck des gepumpten Mediums auf die Dichtflüssigkeit überträgt.
-
Wenn bei der vorliegenden Erfindung der Kolben das zu pumpende Medium
komprimiert, überträgt das zu pumpende Medium wiederum einen entsprechenden Druck
auf die schwimmende
Kolbendichtung, die in einer Kammer angeordnet
ist. Die schwimmende Kolbendichtung bewegt sich in einer Richtung, die der Bewegungsrichtung
des Kolbens während des Kompressionshubs entgegengesetzt ist und übt einen Druck
auf die zähe Dichtflüssigkeit aus, die auf der Dichtflüssigkeitsseite der Kammer
der schwimmenden Kolbendichtung sich befindet, wodurch die zähe Dichtflüssigkeit
in den engen Ringspalt zwischen dem Kolben und dem Gehäuse der Pumpe gedrückt wird.
Während des Rückhubs des Kolbens, wenn zu pumpendes Medium von geringerem Druck
in die Kammer für das zu pumpende Medium gesaugt wird, kehrt die schwimmende Kolbendichtung
ihre Richtung um und die Einrichtung für den Kreislauf der zähen Dichtflüssigkeit
ersetzt die zähe Flüssigkeit, die während des Zyklus aus dem System herausgelangt
ist. Bei einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens, bei der die zähe Dichtflüssigkeit
über eine Bohrung in den Kolben eingeführt wird (Fig. D), wird die zähe Dichtflüssigkeit
während eines kurzen Zeitraums des Saughubs aufgefüllt; Dichtflüssigkeit tritt durch
den ringförmigen engen Spalt während des Pumpzyklus ause Im Betrieb der erfindungsgemäßen
Vorrichtung befindet sich zähe Dichtflüssigkeit, die physikalisch von der Kammer
des zu pumpenden Mediums getrennt ist, ständig zwischen dem Kolben und dem Gehäuse
der Pumpe. Es ist möglich, diese zähe Dichtflüssigkeit in dem ringförmigen engen
Spalt sogar bei verhältnismäßig hohen Drücken zu erhalten, da der Spalt zwischen
dem Kolben und dem Gehäuse der Pumpe sehr eng ist und das Schmiermittel selbst sehr
zäh ist.
-
Die Dichtung ist so ausgelegt und- das zähe Dichtmittel ist so ausgewählt,
dass klassische laminare Strömungsbedingungen in dem ringförmigen engen Spalt immer
aufrechterhalten bleiben. Bei laminaren Strömungsbedingungen ist die Strömungsmenge
an Dichtmittel durch den ringförmigen Spalt direkt proportional dem Druckunterschied;
sie ändert sich quadratisch mit dem Spalt in dem Ringraum und ist umgekehrt proportional
zur Viskosität des Dichtmittels und der Länge des Ringraums. Die Geschwindigkeit
und Richtung des Kolbens beeinflusst ebenso die Strömungsmenge in Übereinstimmung
mit der herkömmlichen Theorie laminarer Strömungen. Eine annehmbare Strömungsmenge
des Dichtmittels durch den Ringspalt kann für eine bestimmte Pumpe und unter bestimmten
Betriebsbedingungen eingestellt werden, indem geeignete Werte für die oben genannten
veränderlichen Größen gewählt werden.
-
Druck und Temperatur ändern wesentlich die Zähigkeit der meisten Flüssigkeiten.
Wenn beispielsweise ein typisches Paraffinöl bei Atmosphärendruck und 380C (1000F)
eine bestimmte Zähigkeit hat, so ist die Zähigkeit bei 2810 kg/cm2 (40000 psig)
und 380C (1000F) 500mal größer, viermal größer bei 2810 kg/cm2 (40000 psig) und
990C (2100F) und 0,08mal größer bei 2810 kg/cm2 (40000 psig) und 2180C (4250F).
-
Silikonflüssigkei/haben erheblich-unterschiedliche Eigenschaften.
Beispielsweise hat ein typischesSilikonöl, das bei Atmosphärendruck und 380C (1000F)
eine bestimmte Zähigkeit hat, bei 2810 kg/cm2 (40000 psig) und 38°C (100°F) eine
1900mal größere Fähigkeit, bei 2810 kgfom2 (40000 psig)
und 990C
(210°F) eine 10mal größere Zähigkeit und bei 2810 kg/cm2 (40000 psig) und 2180C
(4250F) eine o,64mal größere Zähigkeit.
-
In dem Ringraum wird Wärme erzeugt durch die Scherung der zähen Flüssigkeit
durch die Druckdifferenz und die Bewegung des Kolbens. Ein typischer Temperaturanstieg
für 2 ein Silikon-Dichtmittel, das von 2670 kg/cm2 (38000 psi) auf Atmosphärendrück
durch einen Ringraum gelangt, ist 1950C (3500F), wobei vorausgesetzt ist, dass keine
Wärme während des Drosselvorgangs abgeführt wird. Eine Steuerung der Dichtmittel-Leckströmungsmenge
durch den Ringraum kann dadurch erreicht werden, dass man die Dichtmittelzähigkeit
steuert. Dies wird dadurch erreicht, dass man die Dichtflüssigkeit, deren Anfangszähigkeit
und die Menge der beim Durchtritt durch den Ringraum abgeführten Wärme in geeigneter
Weise auswählt. Die ungefähre Leckmenge für einen Kolben von 7,3 cm (2 7/8 Zoll)
Durchmesser während des Kompressionshubs bei einer Geschwindigkeit von 0,3 m (1
Fuß) pro Sekunde liegt bei 29,5 cm3 (1,8 Kubikzoll) pro. Sekunde, wenn der Kolben
konzentrisch in dem Ringraum angeordnet ist, wobei der radiale Ringspalt 0,2 mm
(0,008 Zoll) beträgt, die Länge des Ringraumes 23 cm (9 Zoll), die Druckdifferenz
2 über den Ringraum 2670 kg/cm2 (38000 psig) und die mittlere Zähigkeit des Dichtmittels
in dem Ringraum 5000 Centipoise.
-
Unter Betriebsbedingungen ist der Spalt größer als der Anfangs spalt
infolge der Ausdehnung des Zylinders und der Zusammendrückung des Kolbens, die durch
di-e sehr hohen Betriebrücke verursacht werden. Diese Wirkung muss berücksichtigt
werden,
damit man eine Dichtung erhält, die ausgehend von einem Anfangs spalt den gewünschten
Spalt unter Betriebdruck aufweist.
-
Die vorliegende Erfindung wird insbesondere angewendet bei bekannten
Hochdruckverfahren für die Polwrmerisation von Äthylen sowohl bei den Kompressionspumpen,
die verwendet werden, um das Äthylen auf den gewünschten Druck zu verdichten, als
auch bei den Einspritzpumpen, die verwendet werden, um Katalysatoren-und andere
Stoffe in den Reaktionsbereich einzuführen.
-
Daher umfasst die vorliegende Erfindung ein System, um strömungsfähige
Medien mit hohen Drücken zu pumpen, wobei hin- und herbewegte Kolben von Verdrängerpumpen,
Druckerhöhern oder Einspritzpumpen gegen eine Leckage im Ringbereith über ihre axiale
Länge abgedichtet werden mittels einer ringförmigen Dichtung mit engem Spalt und
einer schwimmenden Kolbendichtung, die so auf die zähe Dichtflüssigkeit drückt,
dass diese durch den ringförmigen engen Spalt strömt. Daher sind keine herkömmlichen
Dichtpackungsmaterialien erforderlich, die in regelmäßigen Abständen ausgewechselt
werden müssen.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der
Zeichnung.
-
Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung den mechanischen Teil
eines Hochdruck-Prozess-Systems mit der erfindungsgemäßen Dichtung, Fig. 2 in schematischer
Darstellung eine abgewandelte Ausführungsform des mechanischen Teils eines Hochdruck-Prozess-Systems
mit der erfindungsgemäßen Dichtung, wobei nur das Gehäuse, der Kolben und die Dichtbereiche
der Pumpe dargestellt sind, Fig0 3 in schematischer Darstellung eine abgewandelte
Ausführungsform des mechanischen Teils einer Hochdruck-Einspritzpumpe oder eines
Druckerhöhers mit der erfindungsgemäßen Dichtung, wobei nur das Gehäuse, der Kolben
und die Dichtbereiche der Pumpe dargestellt sind,und Fig. 4 in schematischer Darstellung
eine abgewandelte Ausführungsform, bei der die frei-schwimmende Kolbendichtung ausserhalb
des Hochdruck-Prozess-Systems angeordnet ist, das die Dichtung mit zäher Flüssigkeit
und engem Spalt aufweist.
-
In Fig. 1 ist eine Verdrängerpumpe 101 dargestellt, die ein Gehäuse
102 und eine Kammer 103 für das zu pumpende Medium aufweist. Ein Kolben 104 ist
in der Kammer 103 angeordnet. Nicht gezeigt sind die Aufnahmeeinrichtungen für die
Verdrängerpumpe 101, die Antriebseinrichtung für die Bewegung des Kolbens 104, der
Speicherbehälter für die zähe Flüssigkeit und die Einrichtungen zur Kühlung des
Zylinders.
-
Der Kolben 104 bewegt sich in der Kammer 103 für das zu pumpende Medium
hin und her während des Betriebs der Pumpe.
-
Eine ringförmige Druckzone 105 verbindet die Kammer 103 für das zu
pumpende Medium mit einer ringförmigen Dichtkammer 106a und 106b, die eine ringförmige
schwimmende Kolbendichtung 107 enthält, die auf ihrer Aussenseite und ihrer Innenseite
Gleitdichtungen 108 und 109 aufweist (die beide aus herkömmlichem Dichtungspackungsmaterial
bestehen), wodurch die Dichtungskammer in zwei Abschnitte geteilt wird, wobei der
Abschnitt 106a über die ringförmige Druckzone 105 mit der Kammer 103 verbunden ist
und der Abschnitt 106b über eine ringförmige Dichtzone 110 mit engem Spalt mit einer
Kammer 111 für die zähe Flüssigkeit verbunden ist, die durch eine ringförmige Dichtung
112 abgedichtet ist, die aus herkömmlichem Dichtungspackungsmaterial besteht. Die
Kammer 111 für die zähe Flüssigkeit steht über eine Druckflüssigkeitsleitung 113
mit einem Speicher 114 für die zähe Flüssigkeit in Verbindung. Eine Konstantdruckpumpe
115 für die zähe Flüssigkeit arbeitet mit einem Ausgangsdruck, der etwas höher ist
als der geringste Druck, der während des Saughubs in der Kammer 103 auftritt; sie
pumpt die zähe Flüssigkeit durch eine Druckflüssigkeitsleitung 116 auf die für die
zähe Flüssigkeit bestimmte Seite der Dichtkammer 106b durch einen Kanal 117, der
durch das Gehäuse 102 der Verdrängerpumpe 101 gebohrt ist. In der Druckflüssigkeitsleitung
116 sind Rückschlagventile 118 und Druckregelventile 119 für die zähe Flüssigkeit
angeordnet. An einem Punkt im Abstand von dem Kanal 117 ist ein Austrittskanal 120
vorgesehen, der an seinem äusseren Ende mit einem Druckventil 121 verbunden ist,
das im Notfall betätigt werden kann; es bildet jedoch keinen notwendigen Teil der
Vorrichtung.
-
Bei der in Fig0 1' gezeigten Ausführungsform besteht der Druckhub
der Pumpe 101 aus einer Bewegung des Kolbens 104 von links nach rechts. Während
des Druckhubs verdrängt der Kolben 104 das zu pumpende Medium aus der Kammer 103
durch ein Austrittsventil 122 in die Aufnahmeeinrichtung 123 für das mit hohem Druck
zu pumpende Medium durch eine Hochdruckleitung 124 für das zu pumpende Medium. Während
dieses Druckhubes ist das Einlassventil oder Saugventil 125 geschlossen; es verhindert,
dass das zu pumpende Medium über die Niederdruckleitung 126 zu der Niederdruckquelle
127 des zu pumpenden Mediums fließt, Gleichzetig übt der in dem zu pumpenden Medium
durch den Druckhub aufgebrachte Druck einen Druck auf die schwimmende Kolbendichtung
107 aus und bewirkt, dass sich diese von rechts nach links bewegt; diese Bewegung
bewirkt einen Druck auf die zähe Flüssigkeit in der Dichtkammer 106b und drückt
einen Teil von dieser in die ringförmige Dichtzone 110 mit engem Spalt. Die Menge
dieser Leckströmung ist gering, da laminare Strömungsbedingungen durch die Flüssigkeitszähigkeit
und den engen' Spalt in dem Ringraum aufrechterhalten werden. Die Menge der zähen
Flüssigkeit oder des gepumpten Mediums, die durch die Gleitdichtungen 108 und 109
strömt, ist minimal, da dort im wesentlichen keine Druckdifferenz an den Gleitdichtungen
herrscht, die eine Strömung hervorrufen könnte, Der Rückhub besteht aus einer Bewegung
des Kolbens 104 von rechts nach links0 Während dieses Rückhubs ist das Abgabeventil
122 geschlossen und das Einlassventil oder Saugventil 125 ist geöffnet, so dass
das zu pumpende Medium die Kammer 103 füllen kann, indem es von der Niederdruckquelle
127 für das zu pumpende Medium
über die Niederdruckleitung 126
strömt0 Zu gleicher Zeit wird die schwimmende Kolbendichtung 107 von links nach
rechts gedrückt, bis sie mechanisch gegen das Ende der Kammer der schwimmenden Kolbendichtung
durch die zähe Flüssigkeit gedrückt wird, die in die Öldichtkammer 106b durch die
Konstantdruckpumpe 115 für die zähe Flüssigkeit über die Druckflüssigkeitsleitung
116 und den Kanal 117 gedriickt wird, um die zähe Flüssigkeit zu ersetzen, die durch
die ringförmige Dichtzone 110 während des Druckhubs ausgeströmt ist. Auf diese Weise
wird das zu pumpende Medium von einer Niederdruckquelle zu einem Hochdruckbereich
befördert, wobei eine Pumpeinrichtung verwendet wird, die in der ringförmigen Dichtzone
110 nicht die üblichen Packungsmaterialien aufweist Die Oberfläche des engen ringförmigen
Spalts und der Kolben sind keinem größeren Verschleiß ausgesetzt, weil sie durch
eine kontinuierliche Strömung von zäher Flüssigkeit getrennt sind, die Schmiereigenschaften
hat.
-
In Fig. 2 ist ein Zylinder 201 einer Kompressionspumpe mit Hin- und
Herbewegung dargestellt, der ein Gehäuse 202, eine Kammer 203 für das zu pumpende
Medium und einen Kolben 204 aufweist, der in der Kammer 203 angeordnet ist. Nicht
gezeigt sind die Aufnahmeeinrichtungen für die Kompressionspumpe 201, die Antriebseinrichtungen
für die Bewegung des Kolbens 204, die Einrichtungen zur Kühlung des Zylinders, der
Teil der Einrichtung für das zu pumpende Medium, der in der Fig. 1 mit den Bezugszeichen
122 bis 127 bezeichnet ist, und die Einrichtung für den Kreislauf der zähen
Flüssigkeit,
die in Fig. 1 mit den Bezugszeichen 113, 114, 115, 116, 118 und 119 bezeichnet ist0
Der Kolben 204 bewegt sich in der Kammer 203 für das zu pumpende Medium während
des Betriebs der Pumpe hin und her. Das Gehäuse 202 besteht vorzugsweise aus mehreren
Teilen, die zusammengesetzt sind. Ein Kanal 205 für das unter Druck zu pumpende
Medium steht über eine ringförmige Druckzone 205a mit der Kammer 203 für das zu
pumpende Medium und mit einer ringförmigen Dichtkammer 206a und 206b in Verbindung,
die eine ringförmige schwimmende Kolbendichtng 207 enthält, die je eine Gleitdichtung
208 und 209 (bestehend aus herkömmlichem Dichtungspackungsmaterial) aufweist und
somit die Dichtkammer in zwei Abschnitte aufteilt, wobei der Abschnitt 206a über
eine ringförmige Druckzone 205a und durch den Kanal 205 für das unter Druck zu pumpende
Medium mit der Kammer 203 verbunden ist, und wobei der Abschnitt 206b mit der Kreislaufeinrichtung
für die zähe Flüssigkeit der engen Spaltdichtung 214 verbunden ist0 Die externe
Einrichtung für den Kreislauf der zähen Flüssigkeit ist nicht gezeigt mit Ausnahme
der Einlassstelle 210 für die zähe Flüssigkeit und der Austrittsstelle 211 für die
zähe Flüssigkeit, die beide mit der Kreislaufeinrichtung verbunden sind, wie es
ähnlich in Fig. 1 dargestellt ist. Die zähe Flüssigkeit wird durch den Einlass 210
eingepumpt, gelangt über ein Rückschlagventil 212, durch eine Leitung 213 für die
zähe Flüssigkeit, die durch einen Teil des Gehäuses 202 gebohrt ist, und auf die
für die zähe Flüssigkeit vorgesehene Seite der Dichtkammer 206b, die mit einer Dichtzone
214 mit engem ringförmigem Spalt und mit einer ringförmigen Kammer 215 für die Aufnahme
der zähen Flüssigkeit in Verbindung steht,
die über einen Kanal
216, der durch einen Teil des Gehäuses 202 gebohrt ist, mit der Austrittsstelle
211 für die zahe Flüssigkeit verbunden ist. Eine herkömmliche Niederdruck-Dichtpackung
217 wird verwendet, um die zähe Flüssigkeit einzuschließen. Eine ringförmige Kolbengleitdichtung
218 verhindert, dass eine zu große Menge von zäher Flüssigkeit in die Kammer 203
für das zu pumpende Medium eintritt, wobei im Betrieb das Ende des Kolbens 204 nicht
nach links über die ringförmige Kolbengleitdichtung 218 hinausgelangt.
-
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform besteht der Kompressionshub
der Kompressorpumpe 201 aus einer Bewegung des Kolbens 204 von links nach rechts.
Während des Kompressionshubs verdrängt der Kolben 204 das zu pumpende Medium aus
der Kammer 203 in die (nicht gezeigte) Aufnahmeeinrichtung fiir das unter hohem
Druck stehende Medium.
-
Gleichzeitig übt der auf das zu pumpende Medium durch den Kompressionshub
aufgebrachte Druck einen Druck auf die schwimmende Kolbendichtung 207 aus; dieser
Druck wird auf die zähe Flüssigkeit in der Dichtkammer 206b übertragen und bewirkt,
dass ein Teil der zähen Flüssigkeit durch die ringförmige Dichtzone 214 mit engem
Spalt strömt. Die Menge dieser Leckströmung ist aus den Gründen gering, die in bezug
auf Fig. 1 erläutert wurden. Der Rückhub besteht aus einer Bewegung des Kolbens
204 von rechts nach links.
-
Während dieses Rückhubs füllt das zu pumpende Medium die Kammer 203
aus einer (nicht gezeigten) Niederdruckquelle für das zu pumpende Medium auf. Gleichzeitig
bewegt sich die schwimmende Kolbendichtung 207 von links nach rechts,
bis
sie in ihrer rechten Endlage angelangt ist0 Zähe Flüssigkeit wird in die Dichtkammer
206b über die Leitung 213 für die zähe Flüssigkeit durch die (nicht gezeigte) Einrichtung
für den Kreislauf der zähen Flüssigkeit gepumpt, um die zähe Flüssigkeit zu ersetzen,
die durch die ringförmige Dichtzone 214 in die ringförmige Aufnahmekammer 215 für
die zahe Flüssigkeit und nach aussen durch die Aufnahmekammer 215 und nach aussen
durch den Kanal 216 während des Kompressionshubs gelangt ist. Auf diese Weise wird
das zu pumpende Medium von einer Niederdruckquelle zu einer Hochdruckzone befördert,
wobei eine Pumpeinrichtung verwendet wird, die nicht die herkömmlichen Dichtpackungsmaterialien
in der ringförmigen Dichtzone 214 mit engem Spalt aufweist, so dass kein größerer
Verschleiß oder eine spürbare Verunreinigung des zu pumpenden Mediums mit Dichtmittel
auftritt, wie es in Zusammenhang mit Fig0 1 erörtert wurde0 In Fig. 3 ist der Zylinderabschnitt
einer hin- und herbeweglichen Pumpe 301 dargestellt, die ein Gehäuse 302, eine Kammer
303 für das zu pumpende Medium und einen Kolben 304 aufweist, der in der Kammer
303 angeordnet ist. Nicht gezeigt sind die Aufnahmeeinrichtungen für die Pumpe 301,
die Antriebseinrichtung für den Kolben 304, die Kühleinrichtungen für den Zylinder,
der für das zu pumpende Medium bestimmter Abschnitt der Einrichtung, der in Fig.
1 mit den Bezugszeichen 122 bis 127 bezeichnet ist, und die Einrichtung für den
Kreislauf der zähen Flüssigkeit, die mit den Bezugszeichen 113, 114, 115, 116, 118
und 119 in Fig. 1 bezeichnet ist. Der Kolben 304 bewegt sich in der Kammer 303
während
des Betriebs der Pumpe hin und her. Eine ringförmige Druckzone 305 verbindet die
Kammer 303 für das zu pumpende Medium mit einer ringförmigen Dichtkammer 306a und
306b, die eine ringförmige schwimmende Kolbendichtung 307 enthält, die auf ihrer
Aussenseite eine Gleitdichtung 308 und auf ihrer Innenseite eine Gleitdichtung 309
trägt (die beide aus herkömmlichem Dichtpackungsmaterial hergestellt sind), wodurch
die Dichtkammer in zwei Abschnitte aufgeteilt wird, wobei der Abschnitt 306a über
die ringförmige Druckzone 305 mit der Zone 303 verbunden ist, und wobei der Abschnitt
306b mit dem Dichtsystem für die zähe Flüssigkeit mit engem Spalt verbunden ist.
Die externe Kreislaufeinrichtung für die zähe Flüssigkeit ist nicht gezeigt, ausser
der Einlassstelle 310 für die zähe Flüssigkeit und der Austrittsstelle 311 für die
zähe Flüssigkeit, die beide mit der Kreislaufeinrichtung für die zähe Flüssigkeit
verbunden sind, wie es ähnlich in Fig. 1 beschrieben ist. Diese Stellen können an
einer Drosselbüchse 312 vorgesehen sein, die eine unbewegliche ringförmige Dichtpackung
313 aufweisen kann, um zu verhindern, dass eine Leckströmung von zäher Flüssigkeit
aus der Dichtkammer 306b längs des Gehäuses 302 strömt, sowie eine Niederdruck-Dichtpackung
314, die verhindert, dass eine Leckströmung von zäher Flüssigkeit von dem Kolben
304 austritt. Im vorderen Ende des Kolbens 304 sitzt ein Rückschlagventil 315 am
Ende eines Kanals 316 für die zähe Flüssigkeit, der in Längsrichtung durch den Kolben
304 gebohrt ist0 Der Kanal 316 steht an dem Ende, wo sich das Rückschlagventil 315
befindet, mit der ringförmigen Dichtkammer 306b über eine Leitung 317 für die zähe
Flüssigkeit und am anderen Ende mit
einer ringförmigen Kammer 318
für die zähe Flüssigkeit über eine Leitung 319 in Verbindung. Die Leitungen 317
und 319 für die zähe Flüssigkeit sind Bohrungen durch den Kolben 304, die den Kanal
316 für die zähe Fliissigkeit schneiden.
-
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform besteht der Kompressionshub
der Einspritzpumpe 301 aus einer-Bewegung des Kolbens 304 von links nach rechts.
Während des Kompressionshubs verdrängt der Kolben 304 das zu pumpende Medium aus
der Kammer 303 in die nicht gezeigte Aufnahmeeinrichtung für das unter hohem Druck
stehende Medium.
-
Gleichzeitig übt der auf das zu pumpende Medium durch den Kompressionshub
aufgebrachte Druck einen Druck auf die ringförmige schwimmende Kolbendichtung 307
aus und bewirkt, dass dieser einen Druck auf die zähe Flüssigkeit in der Dichtkammer
306b ausübt, wodurch bewirkt wird, dass zähe Flüssigkeit durch die ringförmige Dichtzone
320 mit engem Spalt strömt. Während des Kompressionshubs ist das Rückschlagventil
315 geschlossen, um zu verhindern, dass zähe Flüssigkeit die Dichtkammer 306b über
die Leitung 317 und in den Kanal 316 verlässt; der einzige Weg, dem die zähe Flüssigkeit
folgen kann, führt in die ringförmige Dichtzone 320 mit engem Spalt. Die geringe
Menge von zäher Flüssigkeit die durch die ringförmige Dichtzone 320 mit engem Spalt
strömt, tritt in die ringförmige Zone 318 für die zähe Flüssigkeit ein und wird
durch die externe Kreislaufeinrichtung wieder im Kreislauf geführt; die Menge ist
aus den Gründen gering, die in Zusamenhang mit Fig. 1 erörtert wurden. Der Rückhub
des Kolbens 304 besteht aus einer Bewegung
von rechts nach links.
Während des letzten Abschnitts dieses RUckhubs füllt das zu pumpende Medium aus
einer (nicht gezeigten) Niederdruckquelle die Kammer 303. Während des anfänglichen
Abschnitts des Rückhubs bewegt sich die ringförmige schwimmende Kolbendichtung 307
von rechts nach links, bis die Leitung 319 für die zähe Flüssigkeit die Kammer 318
für die zähe Flüssigkeit berührt. Wenn dies eintritt, öffnet sich das Rückschlagventil
315, da der Druck in dem Kreislaufsystem für die zähe Flüssigkeit größer ist als
der Druck beim Ansaugvorgang des zu pumpenden Mediums; zahe Flüssigkeit wird durch
die externe (nicht gezeigte) Kreislaufeinrichtung für die zähe Flüssigkeit über
die Einlassstelle 310 und die Leitung 319, den Kanal 316 und die Leitung 317 in
die Kammer 306b eingepumpt und füllt diese Kammer. Dadurch wird die freischwimmende
Kolbendichtung 307 in ihre äusserste rechte Stellung gedrückt. Auf diese Weise wird
das zu pumpende Medium von einer Niederdruckquelle zu einer Hochdruckzone gepumpt,
wobei eine Pumpeinrichtung verwendet wird, bei der die herkömmlichen Packungsmaterialien
in der ringförmigen Dichtzone 320 mit engem Spalt nicht verwendet werden, so dass
kein größerer Verschleiß oder merkbare Verunreinigung des zu pumpenden Mediums mit
Dichtmittel erfolgt, wie es in Zusammenhang mit Fig. 1 erörtert wurde. Ein besonderer
Vorteil der in Fig. 3 gezeigten Anordnung besteht darin, dass die Kanäle für die
zähe Flüssigkeit nicht in dem Gehäuse 302, das einen Teil der Hochdruckpumpe bildet,
gebohrt werden müssen, sondern dass die zähe Dichtflüssigkeit Über den Kolben 304
eintritt. Diese Anordnung verhindert Spannungspitzen im Gehäuse 304 der Hochdruckpumpe,
die dessen Ermüdungsfestigkeit verringern und dessen Lebensdauer herabsetzen würden.
-
Stellen erhöhter Spannung in dem Kolben 304 verkürzen dessen Lebensdauer
nicht, da er ständig unter' Druck steht und Spannungsspitzen für die Lebensdauer
eines Bauteils von geringerer Bedeutung sind, das ständig unter Druck steht.
-
In Fig. 4 ist eine hin- und herbewegliche Kompressionspumpe 401 dargestellt,
die ein Gehäuse 402 und eine Kammer 403 für das zu pumpende Medium aufweist. Ein
Kolben 404 ist in der Kammer 403 angeordnet. Nieht gezeigt sind-die Aufnahmeeinrichtungen
für die Pumpe 401, die Antriebseinrichtung für den Kolben 404, die Kühleinrichtung
für den Zylinder und die Kreislaufeinrichtung für die zähe Flüssigkeit. Der Kolben
404 bewegt sich in der Kammer 403 für das zu pumpende Medium während des Betriebs
der Pumpe hin und her. Eine Druckleitung 405 verbindet die Kammer 403 mit einer
Dichtkammer 406, die eine schwimmende Kolbendichtung oder eine Membran 407 mit einer
Gleitdichtung 408 (hergestellt aus herkömmlichem Dichtpackungsmaterial) enthält,
die die schwimmende Kolbeneinrichtung in zwei Abschnitte aufteilt, wobei die Dichtkammer
406a mit der Kammer 403 über die Druckleitung 405 und eine Bohrung 409 verbunden
ist und die Dichtkammer 406b mit der Kreislaufeinrichtung für die zähe Flüssigkeit,
die nachfolgend näher beschrieben wird. Die Bohrung 409 kann an jeder Stelle des
Gehäuses 402 in die Kammer 403 eingeführt sein; dies ist nicht auf die gezeigtenStellen
beschränkt. Zähe Flüssigkeit wird in die Dichtkammer 406b durch eine Konstantdruckpumpe
410 von einem Speicher 411 für zähe Flüssigkeit gepumpt0
Die zähe
Dichtflüssigkeit strömt durch eine Druckleitung 412, ein Rückschlagventil 413 und
eine Druckleitung 414; ein im wesentlichen konstanter Druck wird mittels eines Druckreg-lers
415 aufrechterhalten. Die gleiche Pumpe 410 wird verwendet, um zähe Flüssigkeit
in die ringförmige Dichtzone 416 mit engem Spalt zu pumpen, und zwar über die Druckleitung
412, das Rückschlagventil 413, eine Druckleitung 417 und eine Bohrung 418. Ringförmige
gleitende Öldichtringe 419 verhindern eine Vermischung der zähen Flüssigkeit mit
dem zu pumpenden Medium. An einer Stelle im Abstand von der Bohrung418 kann wie
gezeigt eine Austrittsbohrung 420 vorgesehen sein, die an ihrem ausseren Ende mit
einem Druckventil 421 verbunden ist, das im Notfall betätigbar ist. Dieses Merkmal
ist nicht notwendig.
-
Eine Kammer 422 für die zähe Flüssigkeit verbindet die ringförmige
Dichtzone 416 mit engem Spalt mit dem Speicher 411 für die zähe Flüssigkeit über
eine Druckleitung 423.
-
In einer ringförmigen Dichtung 424 wird herkömmliches Packungsmaterial
verwendet.
-
In der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform besteht der Kompressionshub
der Pumpe 401 aus einer Bewegung des Kolbens 404 von links nach rechts. Während
des Kompressionshubes verdrängt der Kolben 404 das zu pumpende Medium aus der Kammer
403 durch ein Ausgangsventil 425 in eine Hochdruck-Aufnahmeeinrichtung 426 für das
zu pumpende Medium durch eine Hochdruckleitung 427. Während dieses Kompressionshubes
ist das Einlassventil oder Saugventil 428 geschlossen, um zu verhindern, dass das
zu pumpende Medium über eine Niederdruckleitung 429 in die Niederdruckquelle 430
strömt. Gleichzeitig
übt der Druck, der auf das zu pumpende Medium
durch den Kompressionshub aufgebracht wird, einen Druck auf die schwimmende Kolbendichtung
407 aus, wodurch ein Druck auf die zähe Flüssigkeit in der Dichtkammer 406b ausgeübt
wird; das Rückschlagventil 413 wird geschlossen und die zähe Flüssigkeit wird über
die Druckleitung 417 und die Bohrung 418 in die ringförmige Kammer 431 und durch
die ringförmige Dichtzone 416 mit engem Spalt gedrückt. Die Menge von zäher Flüssigkeit,
die durch die ringförmige Dichtzone 416 mit engem Spalt fließt, ist aus den Gründen
gering, die in Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wurden. Der Rückhub besteht aus
einer Bewegung des Kolbens 404 von rechts nach links. Während dieses Rückhubs ist
das Abgabeventil 425 geschlossen, das Einlassventil oder Saugventil 428 ist geöffnet
und ermöglicht, dass das zu pumpende Medium die Kammer 403 aus der Druckquelle 430
über die Niederdruckleitung 429 füllt. Gleichzeitig bewegt sich die schwimmende
Kolbendichtung 407 von links nach rechts, bis sie am Ende der Kammer 406 der schwimmenden
Kolbendichtung durch die zähe Dichtflüssigkeit aufgehalten wird, die in die Kammer
406b durch die Konstantdruckpumpe 410 über die Druckleitungen 412 und 414 und durch
das Rückschlagventil 413 gepumpt wird, um die zähe Flüssigkeit zu ersetzen, die
durch die ringförmige Zone 416 mit engem Spalt während des Kompressionshubs des
Pumpenbetriebs geflossen ist.
-
Auf diese Weise wird das zu pumpende Medium von einer Niederdruckquelle
zu einer Hochdruckzone befördert, wobei eine Pumpeinrichtung verwendet wird, bei
der die üblichen Packungsmaterialien in der ringförmigen Dichtzone 416 mit engem
Spalt nicht verwendet werden, so dass kein größerer Verschließ oder spürbare Verunreinigung
des zu pumpenden Mediums mit Dichtmittel auftreten, wie es in Zusammenhang mit Fig.
1 erörtert wurde.
-
Aus der vorangegangenen Beschreibung ergibt sich, dass die erfindungsgemäße
Vorrichtung ein Hochdrucksystem zum Bewegen eines strömungsfähigen Mediums oder
ein Pumpsystem umfasst, das eine Pumpe mit hin- und hergehender Bewegung aufweist
mit einem Kolben, der im Inneren der Pumpe angeordnet ist und sich dort hin und
herbewegen kann in einer kontinuierlichen Folge von Kompressions- und Rückhüben,
um das zu pumpende Medium zu komprimieren und aus einer Kammer in eine Hochdruck-Aufnahmeeinrichtung
für das zu pumpende Medium oder einen Reaktor zu befördern, mit einer Dichtzone
mit engem Spalt für die zähe Flüssigkeit, die ringförmig in bezug auf den Kolben
und das Pumpengehäuse angeordnet ist und von der Kammer für das zu pumpende Medium
durch eine schwimmende Kolbendichtung getrennt ist,und mit einer Kreislaufeinrichtung
für die zähe Flüssigkeit. Während jedes Kompressionszyklus wird das zu pumpende
Medium mit hohem Druck aus der Kammer für das zu pumpende Medium in die Hochdruckaufnahmeeinrichtung
für das zu pumpende Medium gepumpt. Gleichzeitig übt der Druck des zu pumpenden
Mediums einen Druck auf eine schwimmende Kolbendichtung aus, die die Kammer für
das zu pumpende Medium von der der zähen Dichtflüssigkeit zugeordneten Seite der
Dichtkammer trennt, in der die schwimmende Kolbendichtung angeordnet ist, und von
der Dichtzone mit engem Spalt für die zähe Flüssigkeit.
-
Der auf die freischwimmende Kolbendichtung ausgeübte Druck wird auf
die Dichtung für die zähe Flilssigkeit übertragen und drückt die zähe Flüssigkeit
aus der Dichtungskammer für die zähe Flüssigkeit in die ringförmige Dichtzone mit
engem Spalt und drückt die schwimmende Kolbendichtung in eine Richtung entgegengesetzt
zu der Bewegungsrichtung des
Kolbens. Der Druck der zähen Dichtflüssigkeit
ist im wesentlichen gleich dem Druck des zu pumpenden Mediums.
-
Während des Rückhubs wird zu pumpendes Medium von niederem Druck in
die Kammer für das zu pumpende Medium gesaugt und gleichzeitig bewegt sich die schwimmende
Kolbenrichtung oder Membran wieder in einer Richtung entgegengesett zu der Bewegungsrichtung
des Kolbens während eines Zeitraums, der den gesamten Hub oder einen Teil davon
umfasst. Während des Kompressions- und Rückhubes ist die Kreislaufeinrichtung für
die zähe Flüssigkeit ununterbrochen in Betrieb, um eine ausreichende Zufuhr von
zäher Flüssigkeit in dem System aufrechtzuerhalten, insbesondere in der Dichtkammer
für die zähe Flüssigkeit und in der ringförmigen Dichtzone mit engem Spalt. Während
des Rückhubs pumpt die Kreislaufeinrichtung für die zähe Flüssigkeit, unterstützt
durch die Bewegung der schwimmenden Kolbendichtung, zähe Dichtflüssigkeit in die
Dichtkammer für die zähe Dichtflüssigkeit, um die zähe Flüssigkeit zu ersetzen,
die durch die ringförmige Dichtzone mit engem Spalt während des Kompressionshubs
und des Rückhubs gedrückt worden war. Auf diese Weise wird hoher Druck in einem
System erreicht, bei dem nicht die herkömmlichen Feststoff-Packungsmaterialien verwendet
werden, wie sie üblitherweise als Dichtungen um die Kolben von hin- und herbewegenden
Pumpen verwendet werden. Der Druck des Systems kann von etwas oberhalb Atmosphärendruck
auf einen Druck von 2810 kg/cm2 (40000 psig) oder höher variieren.
-
Der Spalt zwischen den Kolben und dem Pumpengehäuse kann sich in Abhängigkeit
von der Größe, den Ausrichtmöglichkeiten, der verwendeten speziellen zähen Dichtflüssigkeit,
dem Betriebsdruck, der Temperatuder Geschwindigkeit der
Pumpe ändern.
Dieser Spalt ist ausreichend, um eine freie Bewegung des Kolbens in der Pumpe zu
ermöglichen, er ist jedoch nicht so groß, dass er das Ausströmen einer unkontrollierten
Menge von zäher Dichtflüssigkeit ermöglicht.
-
Auf dem Gebiet des Baus von Hochdruckpumpen ist es geläufig, wie die
Strömungsmengen der zähen Flüssigkeit bestimmt werden können, so dass die erforderliche
Spaltbreite für eine bestimmte Pumpengröße ermittelt werden kann. Zu den Gründen,
dass die Abmessungen des ringförmigen engen Spaltes der Dichtungszone für die zähe
Flüssigkeit nicht im einzelnen hier angegeben werden können, gehört auch, dass die
Abmessungen nicht nur aus den vorstehend angegebenen Gründen sich ändern, sondern
auch mit der Größe und der Pumpenkapazität der hin- und herbewegenden Kompressorpumpe.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen können bei allen Pumpen verwendet werden, deren
Größe von kleinen Laboreinheiten, deren Kapazität in gr/Std. gemessen wird, bis
zu großen Industrieeinheiten reicht, deren Kapazität in Tonnen gemessen wird. Der
Druck, bei dem die Einheit betrieben wird, ist ebenfalls veränderlich von einem
Wert 2 etwas über Atmosphärendruck bis zu 2810 kg/cm2 (40000 psig) oder höher.
-
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann beispielsweise bei der Hochdruckpolymerisation
von Äthylen verwendet werden.
-
Bei diesem Prozess wird Äthylen auf Reaktionsdrücke von 700 kg/cm2
(10000 psig) bis 2810 kg/cm2 (40000 psig) durch große Kompressorpumpen mit hin-
und hergehender Bewegung komprimiert und in die Polymerisationsreaktoren gepumpt.
-
Oft werden bei diesen Prozessen zusätzlich Hochdruck-Einspritzpumpen
mit Hin- und Herbewegung verwendet, um Katalysatoren und andere die Reaktion beeinflussende
Stoffe einzuführen. Die-erfindungsgemäßen Maßnahmen können bei beiden Arten dieser
Hochdruckpumpen angewendet werden. Die erfindungsgemäßen Pumpen werden selbstverständlich
in Zusamenhang mit den notwendigen Trageinrichtungen verwendet, in denen die Reaktion
ausgeführt wird.