DE4422819A1 - Hochdruckpumpe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe zum Verdichten eines Fluids auf einen hohen Druck und insbe­ sondere eine Hochdruckpumpe, durch die ein Festkörper-Flüs­ sigkeit-Mischphasenfluid ohne Unterbrechung über eine lange Zeitdauer unter Hochdruck behandelt werden kann.

Zum Verdichten von Fluida auf einen hohen Druck werden verschiedenartige Pumpen verwendet. Bekannte Hochdruckpumpen sind eine Plungerpumpe, eine Membranpumpe usw. Außerdem sind Verfahren zum Antreiben solcher Hochdruckpumpen be­ kannt, wobei der Plungerkolben oder ein anderes Bauteil der Pumpe durch einen Motor direkt angetrieben oder durch Hydraulikdruck indirekt angetrieben wird.

Entsprechend der Art des Fluids und dem Arbeitsdruck werden verschiedenartige Hochdruckpumpen verwendet. Bei Pum­ pen zum Erzeugen von Hochdruckwasser, das zur Wasserstrahl­ bearbeitung von Metallen oder Materialien mit hoher Härte verwendet wird, wird ein Hochdruck von 1500 atm oder mehr verwendet. In diesen Pumpen verschleißt ein wichtiges Teil in einem solchen Maß, daß die Pumpen nach einer Betriebs­ dauer von ca. 500 bis 2000 Stunden nicht mehr länger verwen­ det werden können. Daher muß der Arbeitsvorgang unterbrochen werden, um Teile zu ersetzen.

Mittlerweile finden Emulgiervorrichtungen zum hoch­ gradigen Dispergieren feinverteilter Teilchen als Rohmate­ rial in einer Flüssigkeit als anderes Rohmaterial eine breite Anwendung bei der Herstellung von Farben, Pigmenten, Tinte, Arzneimitteln, organischen oder anderen lichtempfind­ lichen Materialien, magnetischen Aufzeichnungsträgern usw. Obwohl verschiedenartige Emulgiervorrichtungen bekannt sind, wurden bisher Sandmühlen, hochfeste Scherungs-Dispergiervor­ richtungen, Kolloidmühlen, Ultraschall-Dispergiervorrichtun­ gen usw. verwendet, um eine Emulsion mit einem hohen Disper­ sionsgrad zu erhalten. Durch diese Emulgiervorrichtungen ist es jedoch schwierig, eine Emulsion ultrafeiner Teilchen oder eine Emulsion mit einer ausreichend geringen Menge zusammen­ klebender feiner Teilchen zu erhalten.

Bei diesen Verhältnissen wurden verschiedenartige Vor­ richtungen vorgeschlagen, bei denen zu emulgierende Fluida auf einen hohen Druck verdichtet werden und diesen dann er­ möglicht wird, bei einer hohen Geschwindigkeit miteinander zu kollidieren, wodurch sie emulgiert werden. Beispielsweise wurde eine Emulgiervorrichtung beschrieben, bei der zwei Zu­ flußkanäle und ein Auslaßkanal durch Rohrleitungen gebildet werden, wobei die Fluida mit hoher Geschwindigkeit von den beiden Zuflußkanälen eingeleitet werden, um miteinander zu kollidieren. In der US-A-4533254 wird eine Vorrichtung vor­ geschlagen, bei der zwei mit nutenförmigen Strömungskanälen ausgebildete Bauteile durch ein dazwischen angeordnetes Ab­ standstück beabstandet gehalten werden, um eine Öffnung zu bilden, so daß von den nutenförmigen Strömungskanälen einge­ leitete Fluida an der Öffnung miteinander kollidieren, wo­ durch eine Emulsion erhalten wird.

Ferner wurde eine Emulgiervorrichtung vorgeschlagen, bei der ein zuflußseitiges plattenförmiges Element mit Fluideinlaßöffnungen, ein auslaßseitiges plattenförmiges Element mit einer nutenförmigen Durchgangsöffnung und ein dazwischen angeordnetes plattenförmiges Element mit einem gekreuzten Strömungskanal geschichtet angeordnet sind, wobei die zu emulgierenden Fluida von den Einlaßöffnungen des ein­ laßseitigen plattenförmigen Elements eingeleitet werden, wo­ bei, nachdem die Strömungsrichtung der Fluida um rechte Win­ kel geändert wurde, die Fluida in einem zwischen den Nuten und dem plattenförmigen Element ausgebildeten Strömungskanal miteinander kollidieren können und wobei die Fluida anschließend vom Kreuzungspunkt der beiden Nuten in einen durch die im plattenförmigen Element auf der gegenüberlie­ genden Seite ausgebildete Nut definierten Strömungskanal strömen können, wodurch die Fluida emulgiert werden.

In der Deutschen Patentanmeldung Nr. P4325541.8 hat der vorliegende Anmelder außerdem eine Emulgiervorrichtung mit einer hohen Lebensdauer vorgeschlagen, bei der in einem Hochdruckbehälter ein mit einer Durchgangsöffnung, deren Durchmesser kleiner ist als derjenige eines Fluidströmungskanals im Hochdruckbehälter, ausgebildetes dünnes plattenförmiges Element vorgesehen ist. Von der Mitte der Durchgangsöffnung im plattenförmigen Element erstreckt sich ein Auslaßkanal senkrecht zur Durchgangsöffnung, so daß der Kanal mit einer Seite des plattenförmigen Elements ver­ bunden ist. Fluida werden von gegenüberliegenden Richtungen durch die Durchgangsöffnung im Emulgierabschnitt zugeführt, um im Mittelabschnitt des plattenförmigen Elements miteinan­ der zu kollidieren, wodurch die Fluida emulgiert werden.

Durch diese Vorrichtungen kann eine Dispersion mit sehr guten Eigenschaften erhalten werden, die mit anderen her­ kömmlichen Vorrichtungen nicht erhalten werden können. Eine dabei zum Verdichten eines Festkörper-Flüssigkeit-Mischpha­ senfluids auf einen hohen Druck verwendete Hochdruckpumpe hat jedoch nachteilig eine kurze Lebensdauer. Daher muß bei den Vorrichtungen der Betrieb der Hochdruckpumpe häufig un­ terbrochen werden, um durch das Festkörper-Flüssigkeit- Mischphasenfluid verschlissene Teile zu ersetzen. Ein an­ deres Problem ergibt sich dadurch, daß die Festkörperkonzen­ tration im von der Hochdruckpumpe ausströmenden Festkörper- Flüssigkeit-Mischphasenfluid nicht konstant gehalten werden kann.

Fig. 2(a) und 2(b) zeigen Beispiele herkömmlicher Hoch­ druckpumpen. Fig. 2(a) zeigt eine Hochdruckpumpe, bei der ein Plungerkolben durch die Drehkraft eines Motors direkt angetrieben wird. Fig. 2(b) zeigt eine Hochdruckpumpe, bei der ein Niederdruckabschnitt durch Hydraulikdruck angetrie­ ben wird.

Bei der in Fig. 2(a) dargestellten Hochdruckpumpe 21 wird ein in eine Verdichtungskammer 22 eingepaßter Plunger­ kolben 23 durch eine mit einem Motor verbundene Kurbelwelle 24 angetrieben. In der Verdichtungskammer 22 ist eine Dich­ tung 25 angeordnet, um das Ausströmen von Fluid von der Plungerkolbenoberfläche zu verhindern. Das Fluid wird durch ein einlaßseitiges Rückschlag- bzw. Absperrventil 26 zuge­ führt und das verdichtete Fluid wird über ein auslaßseitiges Absperrventil 27 zu einem externen Kreislauf abgeleitet.

Bei der in Fig. 2(b) dargestellten, durch Hydraulik­ druck angetriebenen Hochdruckpumpe 31 sind Plungerkolben 37 und 38 mit horizontal liegenden Achsen angeordnet, wobei an der linken bzw. an der rechten Seite Hochdruckabschnitte 32 und 33 vorgesehen sind. In der Mitte ist ein einzelner Niederdruckabschnitt 34 vorgesehen, dem über ein Verteiler­ ventil 36 ein in einer Hydraulikdruckerzeugungseinrichtung 35 verdichtetes Arbeitsfluid zugeführt wird, um die Plunger­ kolben 37 und 38 in den Hochdruckabschnitten 32 und 33 hin- und herzubewegen, wodurch ein Fluid in den linken und in den rechten Hochdruckabschnitt 32 bzw. 33 gesaugt und dann ver­ dichtet wird. Die Hochdruckabschnitte 32 und 33 weisen je­ weils eine Dichtung 39 auf, um zu verhindern, daß Fluid von der Plungerkolbenoberfläche ausströmt. Im externen Fluidkreislauf sind Absperrventile 40 vorgesehen, so daß das Hochdruckfluid dem externen Kreislauf abwechselnd vom linken und vom rechten Hochdruckabschnitt 32 bzw. 33 zugeführt wird.

Wenn bei der in Fig. 2(a) dargestellten Hochdruckpumpe ein Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid mit darin dispergierten Festkörperteilchen in den Hochdruckzylinder eingeleitet und darin verdichtet wird, setzen sich die Fest­ körperteilchen durch die Wirkung der Gravitation ab. Dadurch ist im unteren Teil des Hochdruckzylinders ein Bereich mit einer relativ hohen Festkörperteilchenkonzentration vorhan­ den. Daher verschlechtert sich der Zustand der mit dem Plungerkolben im Gleitkontakt stehenden Dichtung frühzeitig. Darüber hinaus wird die Festkörperteilchenkonzentration des abgeleiteten Fluids ungleichmäßig.

Weil bei der in Fig. 2(b) dargestellten Hochdruckpumpe der Niederdruckabschnitt durch Hydraulikdruck angetrieben wird, können die durch das Arbeitsfluid unter Druck gesetz­ ten Abschnitte und die hochdruckerzeugenden Abschnitte ge­ trennt werden. Weil darüber hinaus die Achsen der Plunger­ kolben horizontal liegend angeordnet sind, können an beiden Seiten eines einzelnen gemeinsamen Niederdruckabschnitts zwei Hochdruckabschnitte angeordnet werden. Dadurch kann eine wirksame Hochdruckpumpe erhalten und außerdem die War­ tung erleichtert werden. Darüber hinaus kann, selbst wenn Arbeitsfluid aus dem Niederdruckabschnitt ausströmt, das Ar­ beitsfluid keinen der beiden Hochdruckabschnitte erreichen.

Wenn ein Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid mit darin dispergierten Teilchen in der in Fig. 2(b) dargestell­ ten Hochdruckpumpe verdichtet wird, setzen sich jedoch feste Teilchen in den Zylindern der Hochdruckabschnitte ab, wobei im unteren Teil jedes Hochdruckzylinders ein Bereich gebil­ det wird, in dem die Festkörperteilchenkonzentration relativ hoch ist. Daher verschlechtert sich der Zustand der mit den Plungerkolben im Gleitkontakt stehenden Dichtungen frühzei­ tig. Darüber hinaus kann die Konzentration des aus jedem Auslaßabschnitt abgeleiteten Fluids nicht konstant gehalten werden.

Daher treten bei zum Verdichten eines Festkörper-Flüs­ sigkeit-Mischphasenfluids verwendeten herkömmlichen Hoch­ druckpumpen häufig durch Verschleiß verursachte Defekte auf und müssen die Dichtungen frühzeitig ersetzt werden. In in­ dustrieller Hinsicht gab es nahezu keine Pumpe, durch die ein Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid unter Hochdruck kontinuierlich behandelt werden kann. Allgemein kann eine herkömmliche Hochdruckpumpe nur für höchstens ca. 100 Stun­ den bei einer Verdichtungsbedingung von 100 kgf/cm² kontinu­ ierlich verwendet werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hoch­ druckpumpe mit einer sehr hohen Lebensdauer und insbesondere eine Hochdruckpumpe mit einer sehr hohen Lebensdauer bereit­ zustellen, durch die ein Fluid, wie beispielsweise ein Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid, durch das ein Be­ standteil der Pumpe verschleißen kann, auf einen hohen Pegel verdichtet werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merk­ male der Patentansprüche gelöst.

Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe ist besonders ge­ eignet zum hochgradigen Dispergieren eines Festkörper-Flüs­ sigkeit-Mischphasenfluids, bei dem Festkörperteilchen in ei­ ner Flüssigkeit dispergiert sind, um eine Emulsion zu erhal­ ten. Es hat sich gezeigt, daß die Lebensdauer herkömmlicher Hochdruckpumpen deswegen kurz ist, weil, wenn der Hochdruck­ zylinder im oberen Teil der Pumpe horizontal oder vertikal angeordnet ist, sich die im Festkörper-Flüssigkeit-Mischpha­ senfluid vorhandenen Festkörperteilchen im Hochdruckzylinder absetzen und dadurch verschiedene Bauteile einschließlich die Dichtung im Hochdruckzylinder beschädigt werden. Das er­ findungsgemäße Prinzip basiert auf dieser Feststellung.

Weil die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe im untersten Bodenabschnitt des Hochdruckzylinders eine Öffnung aufweist, durch die das Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid in den Hochdruckzylinder hinein- oder aus diesem herausströmen kann, ergibt sich außerdem keine Möglichkeit, daß ein Teil der im Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid vorhandenen Festkörperteilchen sich im Hochdruckzylinder absetzt und darin verweilt. Daher weist das erhaltene Hochdruckfluid keine ungleichmäßige Festkörperkonzentrationsverteilung auf. Außerdem steht die Einrichtung zum Verhindern einer Fluidbe­ wegung in Kontakt mit der Plungerkolbenantriebswelle, um zu verhindern, daß aus dem Hydraulikzylinder ausströmendes Ar­ beitsfluid zum Plungerkolben fließt. Daher kann das in den Hochdruckzylinder gesaugte Festkörper-Flüssigkeit-Mischpha­ senfluid nicht im Hochdruckzylinder verweilen.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe; und

Fig. 2(a) und 2(b) zeigen herkömmliche Hochdruckpumpen.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe. Eine Hochdruckpumpe 1 weist an ihrem Boden einen Hochdruckzylin­ der 3 mit einem darin von dessen Oberseite eingepaßten Plun­ gerkolben 2 auf. An der Oberseite der Hochdruckpumpe 1 ist ein Hydraulikzylinder 4 angeordnet. Durch Zuführen eines Ar­ beitsfluids 5 zum Hydraulikzylinder 4 wird der Plungerkolben 2 zu einer vertikal hin- und hergehenden Bewegung angetrie­ ben. Das Arbeitsfluid 5 wird durch eine Verdichtungsvorrich­ tung verdichtet, die aus einer durch einen Motor 6 angetrie­ benen Hydraulikpumpe 7 gebildet wird, und das verdichtete Arbeitsfluid 5 wird über ein Vierwege-Verteilerventil 8 ab­ wechselnd dem linken und dem rechten Hydraulikzylinder zuge­ führt, wodurch die Plungerkolben im linken und im rechten Hydraulikzylinder abwechselnd hin- und herbewegt werden. Die Arbeitsfluidverdichtungsvorrichtung und die Hochdruckpumpe müssen nicht an der gleichen Stelle, sondern können an je­ weiligen voneinander entfernten Positionen angeordnet wer­ den, indem sie durch eine Rohrleitung 9 miteinander verbun­ den werden.

Daher kann die Hochdruckpumpe an einer Stelle angeord­ net werden, wo ein sauberer Raum oder eine explosionssichere Einrichtung vorhanden ist, während die Arbeitsfluid­ verdichtungsvorrichtung außerhalb dieser Stelle angeordnet wird. Daher kann die Hochdruckpumpe ohne Einschränkung durch die Einbauumgebung an einer beliebigen Position angeordnet werden. Dadurch kann die Hochdruckpumpe beispielsweise als Hochdruckgenerator zur Emulgierungsdispersion an jedem Ort verwendet werden, um eine Verarbeitung zum Herstellen von Farben, Pigmenten, Tinte, Arzneimitteln, organischen oder anderen lichtempfindlichen Materialien, magnetischen Auf­ zeichnungsträgern usw. auszuführen. Die Hochdruckpumpe kann außerdem als Vorrichtung mit großer Lebensdauer zum Trans­ portieren eines Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluids bei einer anderen Verarbeitung verwendet werden, bei der kein Hochdruck erforderlich ist.

Bei der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe ist an der Niederdruckseite des Plungerkolbens eine Niederdruckdichtung 10 und eine andere Niederdruckdichtung 10 im Bereich zwi­ schen der Plungerkolbenantriebswelle und der Zylindergleit­ fläche angeordnet, um das Ausströmen von Arbeitsfluid an der Niederdruckseite in der gleichen Weise zu verhindern wie bei einem gewöhnlichen mit einem Arbeitsfluid betriebenen Hydraulikzylinder. Bei der vorliegenden Erfindung ist ferner eine mit der Plungerkolbenantriebswelle in Kontakt stehende Vorrichtung 11 zum Verhindern einer Fluidbewegung vorgese­ hen, um auch dann zu verhindern, daß Arbeitsfluid in den Hochdruckzylinder 3 eindringen kann, wenn das Arbeitsfluid während des Betriebs durch die Dichtung 10 ausströmt. Die Vorrichtung 11 zum Verhindern der Fluidbewegung kann bei­ spielsweise aus einem aus einem Gummimaterial oder einem ähnlichen Material hergestellten Abstreifring gebildet wer­ den. Das durch die Dichtung 10 ausströmende Arbeitsfluid wird durch den Abstreifring von der Plungerkol­ benantriebswelle entfernt, tropft in einen von der Antriebs­ welle entfernten Abschnitt und wird dann durch die Ablauf­ öffnungen 12 nach außen geleitet.

Der unterste Bodenabschnitt des Hochdruckzylinders 3 weist eine Öffnung 13 auf. Daher wird ein Festkörper-Flüs­ sigkeit-Mischphasenfluid, das durch ein Einlaßrohr 14 über ein Absperrventil 15 zugeführt wird, durch die Öffnung 13 in den Hochdruckzylinder gesaugt. Das Festkörper-Flüssigkeit- Mischphasenfluid wird auf einen hohen Druck verdichtet und aus der Öffnung 13 ausgelassen und daraufhin über ein Ab­ sperrventil 16 zu einem Auslaßrohr 17 geleitet. Wenn die linke Hochdruckpumpe im Verdichtungs- und Auslaßbetrieb ar­ beitet, arbeitet die rechte Pumpe im Ansaugbetrieb. Daher wiederholen die linke und die rechte Hochdruckpumpe abwech­ selnd und kontinuierlich den Saug- und den Auslaßvorgang, wodurch das auf einen hohen Druck verdichtete Festkörper- Flüssigkeit-Mischphasenfluid nahezu kontinuierlich dem Aus­ laßrohr 17 zugeführt wird.

Weil die linke und die rechte Hochdruckpumpe durch ein Arbeitsfluid betrieben werden, kann darüber hinaus, wenn bei einer Hochdruckpumpe Teile ersetzt werden müssen, wie bei­ spielsweise die hochdruckseitige Dichtung 18, die Zufuhr des Arbeitsfluids zu dieser Pumpe unterbrochen werden, wobei durch einfaches Umschalten der Rohrleitungen 9 der Betrieb durch die andere Hochdruckpumpe fortgesetzt werden kann. Da­ her kann während der Wartung des Hochdruckpumpensystems der Pumpenbetrieb praktisch ohne Unterbrechung fortgesetzt wer­ den.

Beispiel 1

Bei einem Hochdruckpumpensystem mit einem Plungerkolben aus Wolframkarbid in einem Hochdruckzylinder aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von 64 mm wurde ein Aggre­ gat (mittlerer Teilchendurchmesser 100 µm) aus Titanoxid mit einer Härte (Hv) von 800 bis 900 und Teilchendurchmessern von 2 µm bis 3 µm in 1,1,2-Trichlorethan dispergiert, so daß der Pulveranteil 50% betrug. Die erhaltene Suspension wurde bei 25°C unter der Bedingung von 1400 kgf/cm² verdichtet. In diesem Zustand wurde die Hochdruckpumpe kontinuierlich be­ trieben. Dadurch wurde ein homogenes Festkörper-Flüssigkeit- Mischphasenfluid erhalten. Die Hochdruckpumpe war für 500 Stunden abnutzungsfest. Die einzigen Teile, die nach dem Un­ terbrechen des Betriebs ersetzt werden mußten, waren die Plungerkolbendichtung und die Absperrventilplattendich­ tungen.

Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe weist einen Hoch­ druckzylinder mit einem von der Oberseite davon eingepaßten, sich vertikal bewegenden Plungerkolben auf. Der Hochdruckzy­ linder weist mindestens eine im untersten Bodenabschnitt da­ von ausgebildete Öffnung auf, damit ein Fluid in den Hoch­ druckzylinder hinein- oder daraus herausströmen kann. Die Hochdruckpumpe weist ferner einen an der Oberseite des Hoch­ druckzylinders angeordneten Hydraulikzylinder zum Antreiben des Plungerkolbens auf. Außerdem ist zwischen dem Hydraulik­ zylinder und dem Hochdruckzylinder eine mit der Plungerkol­ benantriebswelle in Kontakt stehende Vorrichtung zum Verhin­ dern einer Fluidbewegung angeordnet, um zu verhindern, daß aus dem Hydraulikzylinder ausströmendes Arbeitsfluid zum Plungerkolben fließt. Dadurch kann aus dem oben angeordneten Hydraulikzylinder kein Arbeitsfluid zur Hochdruckplungerkol­ benseite fließen. Weil ferner das in den Hochdruckzylinder strömende Festkörper-Flüssigkeit-Mischphasenfluid nicht im Hochdruckzylinder verweilen kann, können die Plungerkolben­ dichtung und andere Bauteile für eine lange Zeitdauer be­ triebsbereit gehalten werden, ohne beschädigt zu werden. Da­ durch kann eine Hochdruckpumpe mit einer hohen Dauerhaltbar­ keit erhalten werden.

Claims (2)

1. Hochdruckpumpe zum Verdichten eines Festkörper-Flüssig­ keit-Mischphasenfluids, wobei die Hochdruckpumpe auf­ weist:
einen Hochdruckzylinder mit einem von dessen Ober­ seite darin eingepaßten, sich vertikal bewegenden Plun­ gerkolben, wobei der Hochdruckzylinder ferner minde­ stens eine in dessen unterstem Bodenabschnitt ausgebil­ dete Öffnung aufweist, damit ein Fluid in den Hoch­ druckzylinder hinein- oder aus diesem herausströmen kann;
einen Hydraulikzylinder zum Antreiben des Plunger­ kolbens, wobei der Hydraulikzylinder an der Oberseite des Hochdruckzylinders angeordnet ist; und
eine zwischen dem Hydraulikzylinder und dem Hoch­ druckzylinder angeordneten und mit der Plungerkol­ benantriebswelle in Kontakt stehende Einrichtung zum Verhindern einer Fluidbewegung, um zu verhindern, daß aus dem Hydraulikzylinder herausströmendes Arbeitsfluid zur Oberfläche des in den Hochdruckzylinder eingepaßten Plungerkolbens fließt.

2. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 mit mehreren Hydraulik­ zylindern und mit mehreren Hochdruckzylindern, wobei den Hydraulikzylindern das Arbeitsfluid durch ein Ver­ teilerventil zugeführt wird, um durch die Hochdruckzy­ linder abwechselnd ein Hochdruckfluid zu erzeugen.