DE3230457A1 - Hochdruck-behaelter mit innenverschluss - Google Patents
Hochdruck-behaelter mit innenverschlussInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Hochdruckbehälter mit Innenverschluß,
insbesondere für häufiges Öffnen und Schließen bei entsprechenden Füll- und Entleerungsvorgängen.
Hochdruck-Behälter lassen sich aus der chemischen Technologie nicht mehr wegdenken. So erfordern Synthese- oder Polymerisations-Verfahren
großvolümige Druckbehälter, die für Drücke bis zu 500 bar und darüber ausgelegt sind. Solche Druckbehälter
arbeiten jedoch z.B. bei der Ammoniaksynthese oder der Ethylenpolymerisation
normalerweise über längere Zeiträume, d.h. mehrere Monate oder Jahre bei ein und derselben Druckbelastung. Größere
DruckSchwankungen sind im wesentlichen nur beim An- und Abfahren
solcher Hochdruckanlagen zu erwarten.
Da bei einem Druckbehälter der zylindrische Mantel den größten Gewichtsanteil erfordert, sind auf diesem Gebiet eine Reihe von
Konstruktionen entwickelt worden, den Druckmantel im Hinblick auf die benötigte Materialmenge optimal auszuführen.
Einen Überblick über solche Konstruktionen geben die zusammenfassenden
Arbeiten von H. Strohmeier in Rheinstahl Technik, 9. Jahrgang, Heft 3/71, Seite 104 ff., sowie von J. EhIe und
A. Pollanz in Chemikerzeitung, 95. Jahrgang (1971) Nr. 1, Seite
28 ff.
Besondere Bedeutung kommt bei den Hochdruckbehältern dem Verschluß zu. Je nach vorgesehenem Verwendungszweck besitzt ein
Hochdruckbehälter 2 montierbare Verschlüsse oder nur einen montierbaren Verschluß und einen festangeschweißten oder angeschmiedeten
Boden. Während sogenannte Außenverschlüsse mit auf dem Flansch des Druckbehälters aufliegendem Deckel und
Arretierung mittels Stiftschrauben oder Klammer nur für Hoch-
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druckbehälter yon geringen Innendurchmessern anwendbar sind - das
Gewicht des Verschlusses wird sonst zu groß und unhandlich und damit zu teuer für die Herstellung und Montage - haben Innenverschlüsse
ein weites Anwendungsfeld in bezug auf Innendurchmesser der Hochdruckgefäße.
Aus VDI-Z.104 (1962) Nr. 11, Seite 479, ist ein. Innenverschluß
für Hochdruckbehälter bekannt, der aus einem Deckel, einem Keildichtungsring, mehreren Teilen eines Stützringes, Schrauben zum
Anziehen der Teile des Stützringes und einem Haltering besteht. Der Innenverschluß ist so aufgebaut, daß der durch den Innenüberdruck
belastete Behälterdeckel gegen den Keildichtungsring
gepreßt wird. Der Keildichtungsring stützt sich einmal gegen die Behälterwand ab und leitet zum anderen die axial wirkende
Kraftkomponente über die horizontalen Flächen des Stützringes in den Behälterflansch. Die Einbindung des Keildichtungsringes in
den Kraftfluß der Abstützung des Deckels führt zu hochbelasteten Keilflächen mit der Gefahr der Beschädigung bzw. Verschweißung.
Um an den Dichtflächen volle Wirkung zu erzielen, muß die Oberflächengüte sehr hoch sein. Mittels des Halteringes und der
Deckelvorspannschrauben wird vor der Innendruckbelastung jeweils
eine Vorspannung auf den Keildichtungsring aufgebracht, damit der ' Verschluß bereits dicht ist und der Innendruck aufgebaut werden
kann. Dieser Innenverschluß eignet sich nicht für häufiges Schließen und Öffnen, da der manuelle Zeitaufwand beträchtlich
ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Druckbehälter mit selbstdichtendem Innenverschluß zu schaffen,
der den geänderten Anforderungen genügt und Nachteile bekannter Konstruktionen nicht aufweist.
Erfindungsgemäß wird der Hochdruckbehälter ausgebildet nach den Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Um weitere Vorteile zu erzielen, wird der Hochdruckbehälter gemäß den Kennzeichen der Unteransprüche ausgestaltet.
Die mit dem erfindungsgemäßen neuen Hochdruck-Behälter erzielbaren
Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die örtliche Trennung von Stütz- und Dichtflächen es nicht mehr zu
plastischen Verformungen an den Stützflächen kommt. Es tritt
demzufolge auch keine Materialverschweißung auf. Die Einzelteile des Verschlusses lassen sich einfach und schnell lösen. Damit
werden kurze Öffnungs- und Schließzeiten bei dem intermittierenden
Betrieb der Hochdruckanlage erzielt.
Die Dichtung ist nur dem Innendruck ausgesetzt und sie wird nicht durch Kraftspitzen belastet, z.B. als Resultierende aus einem
Kräfteparallelogramm.
Das Winkelmaß der Kegelstumpfflächen richtet sich nach dem
vorhandenen max. Innendruck und dem Innenverschlußdurchmesser.
Um bei Hochdruckbehältern mit großem Innendurchmesser und damit zunehmender Unrundheit infolge der Bearbeitung, schwerer
werdendem Deckel und demzufolge geringerer Feinfühligkeit beim Zusammenbau bzw. Lösen des Verschlusses die Dichtung weniger zu
strapazieren, wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung das mehrteilige Dichtelement auf dem Deckelboden mittels einer
Halterung radial verschiebbar positioniert. Selbst wenn der Deckel nicht absolut zentral sitzt, kann das Dichtelement mit den
Dichtringen sich zentral zur Behälterinnenbohrung einstellen.
Werden Hochdruckbehälter der beschriebenen Art im. Lebensmittelbereich
eingesetzt, oder ist die Füllung besonders aggressiv, werden Auskleidungen erforderlich, so z.B. aus Edelstahl. Es hat
sich als besonders zweckmäßig und vorteilhaft erwiesen, in den fertigen Hochdruckbehältermantel ein dünnwandiges Hemd mit
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reichlich Spielpassung einzuziehen, dem im Bereich des später montierten Dichtelementes ein Schleißring angesetzt ist. Dieser
Schleißring ist im Gegensatz zu dem in der Regel aus dünnwandigem Blech gerollten und längsnahtyerschweißten Hemd ein Drehteil mit
weit geringerer Spielpassung und geringerer Unrundheit. Die Innenfläche des Schleißringes wird in hoher Oberflächengüte
hergestellt, damit die Dichtringe des Dichtelementes leicht darauf gleiten können. Die angearbeitete Fase am Schleißring
erlaubt eine fachgerechte Verschweißung mit dem dünnen Hemd ohne daß es zu schädigender Überhitzung des Behältermaterials an der
Schweißstelle kommt. ·
Das Sperrelement, das die Stützelemente gegen den Deckel absichert,
kann verschieden ausgebildet sein. So ist es zum einen möglich, dieses Sperrelement als aufgetrennten Ring auszubilden,
der sich nicht am oberen Innenteil des Deckels festklemmt. Zum anderen kann das Sperrelement aus einer Mehrzal von Elementen in
der Stärke des Ringes bestehen. Hierdurch wird ein Verklemmen des oder der Sperrelemente am Deckel vermieden.
Kann der Hochdruckbehälter zeitweise über eine Öffnung geringeren
Innendurchmessers als der Behälterdurchmesser gefüllt oder' ·
geleert werden, ist es vorteilhaft, den Deckel mit einem Beschickungsdeckel zu versehen, der sich nach innen öffnet und vom
Innendruck des Hochdruckbehälters her selbsttätig gedichtet wird.
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ft *
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Hochdruckbehälter mit Innenverschluß und L-förmigem
Dichtelement, unter Betriebsdruck
Fig. 2 Hochdruckbehälter mit Innenverschluß und radial verschiebbarem
L-förmigen Dichtelement, unter Betriebsdruck
Fig. 3 Hochdruckbehälter mit Innenverschluß, eingezogenem Hemd und angesetzten Schleißring, vor erster Druckbelastung
Fig. 4 Innenverschlußdeckel mit.Beschickungsdeckel, unter
Betriebsdruck
Der Hochdruckbehälter 1 in Fig. 1 der vorzugsweise aus einem geschmiedeten zylindrischen Mantel besteht, keinerlei
Schweißverbindungen an drucktragenden Teilen hat und für häufige Lastwechsel geeignet ist weist am oberen Ende den wulstförmigen
Flansch 2 auf mit der Eindrehung 3. Diese Eindrehung 3 ist zum Behälterende hin im Winkel von 15-45° vorzugsweise 25° angeschrägt.
Der Deckel 4 weist als besonderes Kennzeichen die an der äußeren Oberseite angebrachte Kegelstumpffläche 5 auf mit einem
Winkel von ebenfalls 15-45° insbesondere etwa 25°. Der auf den Deckelboden 6 wirkende Betriebsdruck von z.B. 300 bar preßt den
Deckel 4 gegen die Stützsegmente 7, die als mehrteiliger Ring ausgebildet sind. Die Stützsegmente 7 weisen an den der Kegelstumpffläche
5 des Deckels 4 und der Eindrehung 3 des Behälters zugewandten Stützflächen 8 den gleichen Winkel von etwa 25° auf.
Auf diese Weise wird die vom Deckel ausgehende Dichtkraft über diese Stützsegmente direkt in den wulstförmigen Flansch geleitet
ohne daß es zu wesentlichen Querkraftkomponenten kommt. Das
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Sperrelement 9, das als einteiliger geschlitzter Ring oder in Form von einzelnen Ringteilen ausgeführt sein kann, bewirkt mit
den Anlageflächen 10 am Deckel 4 und Stützsegment 7 zum einen dies
Positionierung von Deckel 4 und StützSegmenten 7 und verhindert,
daß bei evtl. auftretenden Querkräften an den Stützelementen diese nach innen abgleiten. Infolge der Abschrägung an den Stützflächen
7 können die Querkräfte jedoch nie solche Werte erreichen, daß es an den Anlageflächen 10 zu plastischen
Verformungen und Verschweißungen kommt. Zum Zweck der einfachen Handhabung werden mehrere Sperrelemente 9 mittels eines Halterings
11 fixiert. Eine kraftaufnehmende Funktion hat dieser
Haltering nicht.
Die Abdichtung des Deckels 4 gegen den Hochdruckbehälter 1 bei sich aufbauendem Innendruck übernimmt das Dichtelement 12 am
Boden des Deckels. Es besteht aus dem Dichtring 13 mit den in Nuten eingelegten Dichtungselementen 14, wie z.B. O-Ringen aus
Spezialwerkstoff oder federunterstützte Dichtelemente. Der Dichtring
13 ist in bekannter Weise am Deckelboden 6 befestigt. Die Wirkungsweise des Dichtringes beruht darauf, daß in bekannter
Weise bei sich aufbauendem Innendruck die Spalte zwischen Dichtung und Deckel und Dichtring und Behälterwand durch Dehnung
des Dichtringes derart gemindert werden, daß der Dichtring an Deckelboden und Behälterwand voll anliegt. Die eingesetzten
Dichtungselemente 14 können nicht durch die Spalte herausgedrückt werden. Sie dichten vollständig ab.
Eine Ausführungsvariante zu Fig. 1 wird in Fig. 2 dargestellt. Um
Herstellungstoleranzen auszugleichen und die Dichtungen beim Zusammenbau bzw. Lösen weniger zu strapazieren, wird der Dichtring
13 am Deckelboden 6 beweglich angebracht. Der Haltering ist an seiner Außenseite so ausgebildet, daß der Dichtring 13
sowohl radial als auch axial Luft hat und frei beweglich ist. Dadurch werden Bearbeitungstoleranzen in bezug auf Unrundheit von
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Gefäß- und/oder Deckel- und Zentrierungstoleranzen als Folge der
doppelten Kegelstumpfflächen 5 und Stützflächen 8 auf einfache
Weise ausgeglichen. Der verschiebbar angeordnete Dichtring 13 erlaubt insbesondere bei größeren Deckeldurchmessern größere
Fertigungstoleranzen an Mantel und Deckel des Druckbehälters und garantiert, da er sich bereits bei relativ niedrigen Drücken
vollständig an die Wand und den Deckel des Druckbehälters anlegt wobei der Dichtspalt dadurch gegen Null geht, absolute Dichtheit
des Innenraumes bei sich aufbauendem Druck.
Hochdruckbehälter für die Behandlung von Lebensmitteln oder aggressiver Stoffe werden gemäß Fig. 3 mit einer inneren Auskleidung,
einem Hemd aus Sondermetall, versehen. Dieses Hemd 16, z.B. aus Chrom-Nickel-Stahl wird in wirtschaftlich optimaler
Weise derart eingebracht, daß es außerhalb des Hochdruckbehälters aus Blechmaterial gerollt und längsnahtgeschweißt wird. Infolge
seiner Unrundheit muß es erst mit einem Außendurchmesser-Untermaß von ca. 3-5 mm in bezug auf den Innendurchmesser des Hochdruckbehälters
hergestellt werden. Nach dem Einziehen des Hemdes in den Hochdruckbehälter liegt entsprechendes Spiel vor. Das sichere
Abdichten des Dichtringes 13 wird hier erreicht, indem an das Hemd ein Schleißring 17 angesetzt wird, und zwar mittels
Schweißung an der Fase 18. Der Schleißring 17 ist fast spielfrei eingebaut und seine Innenbohrung weist hohe Oberflächengüte auf.
Nach der druckdichten Verschweißung und beim ersten Druckaufbau im Hochdruckbehälter wird das dünnwandige Hemd so gedehnt, daß es
zur Anlage.an der Behälterinnenwand kommt. Infolge der Rundheit
des Schleißringes 17 und seiner inneren Oberflächengüte wird der
Dichtring in seiner Dichtfunktion nicht behindert.
Sollte die Dichtwirkung im Verlauf von vielen Öffnungs- und Schließvorgängen nachlassen, kann sowohl der Schleißring 17 als
auch der Dichtring 13 zeit- und kostengünstig ausgewechselt werden.
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Nach Fig. 4 kann die Zahl der Öffnungs- und Schließvorgänge über
den Innnenverschluß bei der chargenweisen Behandlung von Stoffen im Hochdruckbehälter gemindert werden, wenn diese Stoffe düreh
eine Öffnung geringeren Druchmessers als der Innendurchmesser des Hochdruckbehälters eingegeben und entnommen werden können. Der
kleinere Beschickungsdeckel 19 wird in bekannter Weise durch eine Spindelverschraubung 20 von unten gegen den Deckel 4 des Hochdruckbehälters
gezogen, wobei die eigentliche Abdichtung durch das in die Nut 21 eingelegte Dichtelement 22, welches ebenfalls
ein O-Ring oder ein federunterstütztes Dichtelement sein kann, erfolgt. Über den schwenk- oder verschiebbar gelagerten Bügel 23
ist der Beschickungsdeckel mit dem Hauptdeckel beweglich verbunden.
Der Boden des Hochdruckbehälters kann, falls er nicht anger schmiedet ist, mit einem konstruktiv gleichartigen Deckel
verschlossen werden. Anstelle des kleinen Beschickungsdeckels kann der Hochdruck-Behälter auch andere Füll- und Entnahmeelemente
für die Flüssigkeiten oder Feststoffe enthalten.
Die Verwendbarkeit des erfindungsgemäßen Druckbehälters ist nicht beschränkt; bevorzugt dient er zur diskontinuierlichen Extraktion
pflanzlicher Inhaltstoffe mittels überkritischer Gase.
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Claims (8)
1. Hochdruck-Behälter mit Innenverschluß/ wobei der Innenverschluß
im wesentlichen aus dem Deckel (4), den Stützsegmenten (7), mindestens einem Sperrelement und dem
Dichtelement (12) besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß
a) der Deckel (4) an Feiner äußeren Oberseite eine Kegelstumpf-Fläche (5) aufweist,
b) die Stützsegmente (7) als mehrteiliger Ring ausgebildet sind,
c) die Stützsegmente (7) und der Flansch (2) an den kraftübertragenden Anlageflächen ebenfalls Kegelstumpf-Flächen
(8) mit gleichen Winkeln an zugeordneten Flächen aufweisen,
d) die Sperrelemente (9) die Stützsegmente fixieren mit achsparallelen Anlageflächen,
e) das Dichtelement (12) an der unteren Seite des Deckels (4) befestigt ist.
2. Hochdruckbehälter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel
der Kegelstumpfflächen 15-45° beträgt.
3. Hochdruckbehälter nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement
(12) auf dem Deckelboden (4) mittels Haltering (15) radial verschiebbar positioniert ist.
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4. Hochdruckbehälter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckbehälter
aus einem geschmiedeten zylindrischen Mantel ohne Schweißverbindungen an allen drucktragenden Teilen
besteht.
5. Hochdruckbehälter nach Anspruch 1 bis 4,. dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckbehälter
(1) innen ein dünnwandiges Hemd (16) enthält, an das im Bereich des Dichtelementes (12) ein
Schleißring (17) druckdicht angesetzt ist.
6. Hochdruckbehälter nach Anspruch 1 bis 5, · - . dadurch gekennzeichnet, daß der
Schleißring (17) ein Drehteil ist mit angearbeiteter Fase (18), an der dem Hemd (16) zugewandten Seite und daß die
Spielpassung des Schleißrings ein Bruchteil der Spielpassung des Hemdes ist.
7. Hochdruck-Behälter nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sperr element (9) ein Ring, oder ein aufgetrennter Ring, oder
eine Mehrzahl von Elementen in der Stärke des Ringes ist.'
8. Hochdruckbehälter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
am Deckel (4) an der Innenseite ein sich nach innen öffnender Deckel (19) kleineren Durchmessers angebracht
ist.
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