Absperrvorrichtung für Prozessleitungen, über die ein Lagerbehälter mit staubförmigen Materialien oder Expolsivstoffen befüllbar ist

Technisches Umfeld

Die Erfindung betrifft eine Absperrvorrichtung für Prozessleitungen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Diese Absperrvorrichtung soll im Falle einer Explosion im Lagerbehälter selbsttätig schließen, so dass weder Druckimpuls noch Flammenfront den an die Prozessleitung angeschlossenen Transportwagen erreichen und beschädigen kann. Bekannt ist dabei einen Druck- oder Flammensensor vorzusehen und von diesem angesteuert eine Absperrvorrichtung zu schließen, die in einer derartigen Entfernung vom Anschluss der Prozessleitung an den Lagerbehälter angeordnet ist, dass die Druckwelle oder die Flammenfront gerade diese Stelle nicht mehr erreichen kann. Dies setzt voraus, dass die jeweiligen Fortpflanzungsgeschwindigkeiten bekannt sind, so dass die durch die schnellste dieser Geschwindigkeiten vorgegebene Stelle der Anordnung, bestimmbar ist. Wegen der Unsicherheit, die in den Geschwindigkeiten liegt, ist hier eine gewisse Unbestimmtheit unvermeidbar.

Aus dem Stand der Technik wäre hier die CH 695 910 A5 anzuführen, die ein Explosionsschutzventil betrifft, das in eine Rohleitung eingesetzt, das Weiterschreiten von Druck- oder Sogwellen sowie Feuerfronten in Rohrleitung von Anlagen, in denen explosionsfähige Gemische, etwa Staub- Gas- Gemische oder hybride Gasgemische mit pneumatischen Mitteln gefördert werden. Dieses Explosionsschutzventil weist Mittel zum Schließen auf, bei denen ein axial verschiebarer Ventilkörper dann von Offenstellung in Schließstellung geht, wenn ein durch Überschreitung eines Grenzwertes von Überdruck oder Unterdruck gegebener Ausnahmezustand eintritt. Ein selbsttätiges Öffnen ist nicht vorgesehen, ebenso ein Freihalten des Ventilbereichs von Staubanlagerungen. Das Dokument CH 695 910 A5 offenbart eine Absperrvorrichtung für Prozessleitungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Aufgabenstellung der Anmeldung, eine Abschlussvorrichtung anzugeben, bei der auch ohne Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammfront oder der Druckwelle im Falle einer Explosion ein sicherer Abschluss erreichbar ist, die nach Abklingen des Ausnahmezustands selbsttätig wieder öffnet, und bei dem Ablagerungen von Staub im Bereich der Absperrvorrichtung unterdrückt sind, wird durch die Entgegenhaltungen nicht gelöst.

Aufgabe

Somit ergibt sich die Aufgabe, eine Abschlussanordnung anzugeben, bei der dieser Nachteil vermieden ist, die sicher arbeitet und die einfach und wirtschaftlich herstellbar ist, bei der auch ohne Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammfront oder der Druckwelle im Falle einer Explosion ein sicherer Abschluss erreichbar ist.

Lösung

Diese Aufgabenstellung wird für eine gattungsgemäße Abschlussvorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Hautanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen beschreiben die abhängigen Unteransprüche.

Bei der Absperrvorrichtung nach dieser Erfindung werden alle Sensoren und Übertragungsglieder vermieden, so dass allein Schwerkraft und Druckwelle für die Lage des die Prozessleitung verschließenden Ventilkopfdeckels bestimmt. Dieser ist im rohrförmigen Körper der auf dem Prozessbehälterdach möglichst senkrecht angeordneten Absperrvorrichtung auf einer pyramidenstumpfartigen, vorzugsweise konusförmigen Auslöseeinheit - im Folgenden mit Auslösekonus bezeichnet - so aufgelagert und von radialen Ventilführungen so geführt, dass er frei bewegbar ist. Dieser Auslösekonus unterteilt den Strömungsraum in einen inneren Teil, der durch einen Ventildeckel abgeschlossen ist, und einem äußeren Teil, der zur Prozessleitung führt. Bei einer Explosion, ob ohne oder mit Flammenfront, wird im Lagerbehälter eine Druckwelle erzeugt, die im inneren Teil auflaufend den Ventildeckel anhebt und gegen eine Dichtung im oberen Kopfdeckel des Ventils drückt und so den Übergang von dem äußeren Teil zur Prozessleitung verschließt. Dieser Verschluss der Prozessleitung dauert an, solange ein von der Druckwelle ausgelöster Überdruck ansteht. Danach öffnet die Absperrvorrichtung selbsttätig wieder, so dass die Prozessleitung wieder frei ist. Dabei wird die Masse des Ventildeckels möglichst gering gewählt, um durch die geringere Massenträgheit das rechtzeitige Schließen des Ventils zu gewährleisten.

Die Druckwelle läuft vom Prozessbehälter ausgehend im Ringraum zwischen der inneren Wandung des rohrförmigen Körpers und der äußeren Wandung des Auslösekonus in Richtung der abgehenden Prozessleitung. Dabei wird die Druckwelle im rohrförmigen Körper mittels eines sich nach unten öffnenden Auslösekonus in einen inneren, den Ventildeckel direkt beaufschlagenden Teil und einen im Ringraum zwischen der inneren Wandung des rohrförmigen Körpers und der äußeren Wandung des Auslösekonus äußeren Teil, der die Prozessleitung direkt erreichen kann, aufgeteilt.

Um dieses Auflaufen der Druckwelle im äußeren Teil zu bremsen, sind im rohrförmigen Körper der Absperrvorrichtung Strömungsschikanen zwischen diesem und dem Auslösekonus vorgesehen. Diese bestehen aus mindestens einem eingesetzten Ring, der den Ringspalt zwischen innerer Wandung des rohrförmigen Körpers und äußerer Wandung des Auslösekonus einengt. Dieser Ring ist dabei kegelabschnittartig so gestaltet, wobei der Öffnungswinkel des Kegels so gewählt ist, dass Staubablagerungen "abrutschen" können. Die Anordnung mehrerer Ringe ist dabei wechselweise so, dass der eine Ring an der äußeren Wandung des Auslösekonus, der (in Laufrichtung der Druckwelle) nächste an der inneren Wandung des rohrförmigen Körpers ansitzt. Durch diese Strömungsschikanen wird der äußere Teil der auflaufenden Druckwelle so gebremst, dass auf jeden Fall der innere Teil der Druckwelle den Ventildeckel erreicht, bevor der äußere Teil am (dann noch offenen) Ventildeckel vorbei in die Prozessleitung gelangen kann.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Öffnungswinkel des Kegels mindestens 2° ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Größe der ringförmigen Strömungsfläche gewählt ist, dass das ringförmige Strömungsvolumen mindestens 10 % des Volumens des Auslösekonus überschreitet.

Beschreibung der Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt

Figur 1

Absperrvorrichtung auf Prozessbehälterdeckel (geschnitten), Fig. 1a: Ventildeckel in Sperrstellung,

Figur 2:

Schnitt II - II durch Absperrvorrichtung nach Fig. 1 unter dem Ventilkopfdeckel,

Figur 3:

Schnitt III - III durch Absperrvorrichtung nach Fig. 1 über den Strömungsschikanen,

Figur 4:

Schnitt IV - IV durch Absperrvorrichtung nach Fig. 1 über den Auslösekonus-Haltestegen.

Ausführungsbeispiele

Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Absperrvorrichtung, aufgesetzt auf einen Prozessbehälterdeckel PBD und angeschlossen an eine Prozessleitung PZL. Diese Absperrvorrichtung weist einen den Prozessbehälterdeckel PBD durchdringenden zylindrischen Ventilkörper 1 auf, der die Strömungsverbindung zwischen dem Prozessbehälter PBD und der Prozessleitung PZL herstellt. Im Inneren des zylindrischen Ventilkörpers 1 mit einem Radius 2 ist konzentrisch ein Auslösekonus 6, der mit über den Umfang verteilten, an der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörper 1 ausgehenden radialen Auslösekonus-Haltestegen 7 gehalten ist. In der Darstellung der Figur 4 ist deren Anordnung nahe dem prozessbehälterseitigen Ende des zylindrischen Ventilkörpers 1 dargestellt, ohne darauf beschränkt zu sein. Gleichfalls können auf weitere solche Auslösekonus-Haltestegen 7 in anderen Schnittebenen des zylindrischen Ventilkörpers 1 vorgesehen sein. Das kopfdeckelseitige Ende des zylindrischen Ventilkörpers 1 ist mit einem Ventilkopfdeckel 4 verschlossen, der das direkte oder indirekte Anflanschen einer Prozessleitung PZL gestattet.

Auf das kopfdeckelseitige Ende des Auslösekonus 6 ist ein Ventildeckel 10 lose aufgesetzt, der mit seinem Deckelboden 11 auf dem kopfdeckelseitigen Ende des Auslösekonus 6 aufsitzt, wobei an den Deckelboden 11 ein zylinderringförmiger Ventilring 12 angeformt ist, der das kopfdeckelseitige Ende des Auslösekonus 6 überragt. Im Regelfall strömt das zu fördernde Gut von der Prozessleitung PZL über den Ventildeckel, durch den äußeren Ringraum in den Prozessbehälter PZB.

Bei einem Auflaufen einer aus dem Prozessbehälter kommenden Druckwelle dringt die Druckwelle in das Innere des Auslösekonus 6 wie auch in den durchströmten Ringraum zwischen der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 und der äußeren Wandung des Auslösekonus 6 ein. Der durch den Auslösekonus 6 auflaufende Teil einer solchen Druckwelle wirkt mit seiner kinetischen Energie auf den Ventildeckel 10 ein und hebt diesen so an, dass sich der Deckelboden 11 gegen die auf der Innenseite des Ventilkopfdeckel 4 vorgesehenen Dichtungsring 4.1 anliegt und sperrt den Durchgang für den über den Ringraum zwischen der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 und der äußeren Wandung des Auslösekonus 6 zum Ventilkopfdeckel 4 strömenden Prozessstrom mitgeführten brennbaren, staubförmigen Bestandteilen.

Um ein sicheres Absperren zu erreichen ist es notwendig, den durch das Innere des Auslösekonus 6 laufenden Teil der Druckwelle zu beschleunigen und/oder den durch den Ringraum zwischen der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 und der äußeren Wandung des Ringraum zwischen der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 und der äußeren Wandung des Auslösekonus 6 laufenden Teil der Druckwelle zu verzögern. Dazu ist der Auslösekonus 6 so ausgebildet, dass sein unteres, prozessbehälterseitiges Ende einen größeren Querschnitt mit dem Radius 8.1 aufweist, als sein kopfdeckelseitigen Ende mit dem Radius 9.1. Bei einer solchen Ausbildung des Auslösekonus 6 als Kegelstumpf mit einem Öffnungswinkel von maximal 10° ändert sich auch der Strömungsquerschnitt des Ringraumes zwischen der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 und der äußeren Wandung des Auslösekonus 6. Die Verringerung des Querschnittes des Auslösekonus 6 bedingt eine Beschleunigung des in den Auslösekonus 6 gelangenden Teiles der Druckwelle, während sich der Strömungsquerschnitt im Ringraum aufweitet und so eine Verzögerung der in diesem Strömungsweg gelangenden Teil der Druckwelle. Die Beschleunigung bewirkt im Zusammenwirken mit der Verzögerung eine Zeitdifferenz, die bei entsprechender Auswahl der Parameter ausreicht, um den Strömungsweg zu verschließen und ein Übertreten der Druckwelle in die Prozessleitung sicher zu verhindern.

Vorteilhaft ist es, wenn im Ringraum zwischen dem zylindrischen Ventilkörper 1 und dem Auslösekonus 6 Strömungsschikanen 15, 17 vorgesehen sind. In einer Ausführungsform mit Strömungsschikane 15 außen werden diese als ringförmige Schrägstreifen an die innere Wandung des Ventilkörpers 1, bei einer anderen Ausführungsform mit Strömungsschikane 16 innen werden diese als ringförmige Schrägstreifen an die äußere Wandung des Auslösekonus 6 so angesetzt, dass die freien Ränder auf das prozessbehälterseitige Ende von Auslösekonus 6 bzw. von zylindrischen Ventilkörper 1 weisen. Solche Strömungsschikanen können auch - wie in Fig. 1 dargestellt - als Schikanen-Paar angesetzt werden. Es versteht sich von selbst, dass auch mehrere solcher Schikanen einzeln oder paarweise über die Länge des zylindrischen Ventilkörpers 1 vorgesehen werden können. Die Schrägstelle bewirkt neben den strömungstechnischen Wirkungen, das Gefahren von Ablagerungen von brennbaren, staubförmigen Bestandteilen aus dem Prozess vermieden werden. Vorteilhaft engen diese Schikanen den Strömungsquerschnitt an den engsten Stellen um 25 % bis 65 % ein.

Die Fig. 2 zeigt diese Verhältnisse für das kopfdeckelseitige Ende des Auslösekonus 6 im Schnitt II - II. Hier sind die an der inneren Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 angesetzten Ventildeckel-Führungsstege 3 zu erkennen, die so gegen den Ventilring 12 gerichtet sind, dass dieser Ventilring 12 von diesen Ventildeckel-Führungsstegen 3 mit geringem, die freie Bewegung des Ventildeckels 10 zum Schließen der Absperrvorrichtung nicht behindernden Spiel sicher geführt ist. Die kopfdeckelseitige Querschnittsfläche des Ringraumes wird hier durch die Differenz von innerem Radius 2 des zylindrischen Ventilkörpers 1 und äußerem Radius 9.2 des Auslösekonus 6 bestimmt, die des Auslösezylinders 6 von dessen inneren Radius 9.1. Vorteilhaft liegen diese Radien und damit die Querschnittsflächen so, dass die Größe der ringförmigen Strömungsfläche derart ist, dass das ringförmige Strömungsvolumen mindestens 10 % des Volumens des Auslösekonus überschreitet.

Schließlich zeigt Fig. 3 im Schnitt III - III die Höhe der Strömungsschikane. Zu erkennen sind der ringförmig geschnittene zylindrische Ventilkörper 1 sowie der ringförmig geschnittene Auslösekonus 6. Für die innere Strömungsschikane 16 ist deren ringförmiger Schrägstreifen 16.1 an die Außenwandung des Auslösekonus zum zylindrischen Ventilkörper 1 hin weisend angesetzt und ragt mit seinem freien Rand 16.1 in deren Ringraum, wobei dessen Abstand von der Außenwand des Auslösezylinders 6 die Spaltweite 13 gibt. Für die äußere Strömungsschikane 15 ist deren ringförmige Schrägstreifen 15.1 an die innere Wandung des zylindrischen Ventilkörpers 1 zum Auslösekonus 6 hin weisend angesetzt und ragt mit seinem freien Rand in deren Ringraum, wobei dessen Abstand von der Innenwand des zylindrischen Ventilkörper 1 die Spaltweite 14 gibt.

Die Fig. 4 zeigt in vereinfachter Darstellung die Querschnittsverhältnisse an einem Horizontalschnitt in Höhe des prozessbehälterseitigen Endes von Auslösekonus 6 / zylindrischem Ventilkörper 1 im Schnitt IV-IV und verdeutlicht in vereinfachter Darstellung die durch den inneren Radius 2 des zylindrischen Ventilkörper 1 und dem äußeren Radius 8.1 des Auslösekonus 6 in einem Horizontalschnitt in Höhe des prozessbehälterseitigen Endes von Auslösekonus 6 / zylindrischem Ventilkörper 1. Zu erkennen ist hier auch die Halterung des Auslösekonus 6 im zylindrischen Ventilkörper 1 mittels radial verlaufender Haltestege 7. Diese Haltestege können einen Anstellwinkel aufweisen, wodurch ein Strömungsdrall erzeugt wird. Die prozessbehälterseitige Querschnittsfläche des Ringraumes wird durch die Differenz von innerem Radius 2 des zylindrischen Ventilkörpers 1 und äußerem Radius 8.2 bestimmt, die des Auslösezylinders 6 von dessen inneren Radius 8.1

Bezugszeichenliste

PBD

Prozessbehälterdach

PZL

Prozessleitung

01

Zylindrischer Ventilkörper

02

Innenradius des zylindrischen Ventilkörpers

03

Ventildeckel-Führungsstege

04

Ventilkopfdeckel

04.1 Dichtungsring

05

Prozessleitung

06

Auslösekonus

07

Auslösekonus-Haltestege

08

08.1 innerer Radius am Strömungseintritt

08.2 äußerer Radius am Strömungseintritt

09

09.1 innerer Radius am Strömungsaustritt

09.2 äußerer Radius am Strömungsaustritt

10

Ventildeckel

11

Deckelboden

12

Ventilring

13

Weite prozessbehälterseitiger Ringspalt

14

Weite kopfdeckelseitiger Ringspalt

15

Strömungsschikane außen

15.1 Schrägstreifen

16

Spaltweite zwischen äußerer Wandung Auslösekonus und Kante der Strömungsschikane

16.1 Schrägstreifen

17

Strömungsschikane innen

18

Spaltweite zwischen innerer Wandung Ventilkörper und Kante der Strömungsschikane

19

Erdungsband