DE102005007100A1 - Process or working machine with ionic liquid as operating fluid - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Prozess- bzw. Arbeitsmaschine mit einer Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit, wobei die Erfindung darin besteht, dass die Betriebsflüssigkeit eine ionische Flüssigkeit ist. DOLLAR A Die Erfindung besteht außerdem in der Verwendung von Betriebsflüssigkeiten in Prozess- bzw. Arbeitsmaschinen dahingehend, dass eine ionische Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit, insbesondere als Schmierflüssigkeit, Sperrflüssigkeit, Abdichtflüssigkeit, Druckübertragungsflüssigkeit usw., verwendet wird.The invention relates to a process or working machine with a liquid as operating fluid, wherein the invention is that the operating fluid is an ionic liquid. DOLLAR A The invention also consists in the use of operating fluids in process or working machines in that an ionic liquid as a working fluid, in particular as lubricating fluid, barrier fluid, Abdichtflüssigkeit, pressure transfer fluid, etc., is used.
Description
Die Erfindung betrifft eine Prozess- bzw. Arbeitsmaschine mit einer Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit.The The invention relates to a process or work machine with a liquid as operating fluid.
In vielen Förder-, Wirk- und Arbeitsprinzipien von Prozess- und Arbeitsmaschinen werden Betriebsflüssigkeiten zur Funktionserhaltung und/oder -sicherstellung verwendet.In many funding, Working and working principles of process and work machines become fluids used for functional maintenance and / or assurance.
So werden im Bereich von Prozessmaschinen, wie Pumpen, insbesondere Vakuumpumpen, Drehschieberpumpen, Flügelzellenpumpen, Kolbenpumpen, Membranpumpen, usw., bei Kompressoren, wie Schraubenkompressoren usw., sowie bei Kolbenmaschinen Flüssigkeiten, bevorzugt Öle, als Schmierfluid, Abdichtungsfluid, Sperrfluid, Druckübertragungsfluid, d.h. ganz allgemein als Betriebsflüssigkeit eingesetzt. Hierdurch wird der Einsatz einer Prozessmaschine überhaupt erst ermöglicht, da sich damit beisp. eine Reduzierung des Verschleißes, der Reibung sowie des Spaltleckagestromes erzielen lässt.So Be in the range of process machines, such as pumps, in particular Vacuum pumps, rotary vane pumps, vane pumps, piston pumps, Diaphragm pumps, etc., in compressors, such as screw compressors etc., and in piston machines liquids, preferably oils, as a lubricating fluid, Sealing fluid, barrier fluid, pressure transfer fluid, i. all generally as working fluid used. As a result, the use of a process machine at all only allows because so beisp. a reduction of wear, the Friction and the gap leakage current can be achieved.
Typische Beispiele solcher Anwendungen sind:
- a) Hydraulische Membranpumpen. Hierbei wird (Öl oder eine andere Flüssigkeit als Hydraulikflüssigkeit für den Membranantrieb sowie als Kopplungsfluid zwischen den Membranen verwendet;
- b) Verschiedene Typen von Vakuumpumpen und Verdichtern, wie Drehschieberpumpen, Rootspumpen, Drehkolbenverdichter, Schraubenverdichter, Kolbenkompressoren, Scrollverdichter usw. Hier gelangen Schmierflüssigkeiten zur Schmierung, aber auch zur Abdichtung der Verdichterorgane sowie zur Kühlung der Verdichterorgane und der Förderfluide zur Anwendung;
- c) Flüssigkeitsringvakuumpumpen. Diese verwenden Flüssigkeiten als Betriebsflüssigkeit zur Erzeugung des Fördereffektes (flüssiger Kolben), zur Schmierung sowie zur Aufnahme der Kompressionswärme.
- d) Arbeitsmaschinen und Arbeitsaggregate, wie Motoren, Getriebe, Hydrauliksysteme usw. Hier gelangen Flüssigkeiten als Schmierfluide, d.h. zur Lagerschmierung, zur Zahnschmierung usw., sowie zur Kraftübertragung, insbesondere bei Hydraulikaggregaten, Hydraulikzylindern, Hebevorrichtungen usw., zum Einsatz;
- a) Hydraulic diaphragm pumps. In this case (oil or another liquid is used as hydraulic fluid for the membrane drive and as coupling fluid between the membranes;
- b) Different types of vacuum pumps and compressors, such as rotary vane pumps, Roots pumps, rotary compressors, screw compressors, reciprocating compressors, scroll compressors, etc. Here are lubricating fluids for lubrication, but also for sealing the compressor bodies and for cooling the compressor members and the delivery fluids used;
- c) liquid ring vacuum pumps. These use liquids as operating fluid to generate the conveying effect (liquid piston), for lubrication and to absorb the heat of compression.
- d) machines and work units, such as motors, gearboxes, hydraulic systems, etc. Here are fluids as lubricating fluids, ie for bearing lubrication, tooth lubrication, etc., and for power transmission, especially in hydraulic units, hydraulic cylinders, lifting devices, etc., used;
Als Folge davon ergeben sich bestimmte Vorteile, die unter anderem in Folgendem bestehen:
- a) Steigerung des Wirkungsgrades,
- b) Schutz vor Verschleiß und
- c) Verdunstungskühlung, d.h. die Flüssigkeit verdunstet in den Pumpenkammern bei Überschreitung der Verdampfungstemperatur und kühlt damit das Prozessgas, da die Flüssigkeit einen Teil der Verdichtungswärme aufnimmt.
- a) increasing the efficiency,
- b) protection against wear and tear
- c) evaporative cooling, ie the liquid evaporates in the pump chambers when the evaporation temperature is exceeded and thus cools the process gas, since the liquid absorbs part of the heat of compression.
Einer derartigen Verwendung der bekannten Betriebsmittelflüssigkeiten in Prozess- und Arbeitsmaschinen stehen jedoch gravierende Nachteile gegenüber. So bestimmt der Dampfdruck derartiger Flüssigkeiten den minimalen Druck in einer Prozessmaschine, wobei im Fall einer Verdampfung der Flüssigkeit diese wieder aus dem Prozessgas aufwendig abgeschieden werden muss.one such use of the known operating fluids in process and work machines, however, there are serious disadvantages across from. Thus, the vapor pressure of such liquids determines the minimum pressure in a process machine, wherein in case of evaporation of the liquid this again has to be deposited consuming from the process gas.
Hydraulische Membranpumpen sind ein typisches Beispiel für die geschilderten Nachteile. Derartige hydraulische Membranpumpen werden aufgrund ihrer hermetischen Eigenschaften bei gleichzeitig hoher Drucksteifigkeit und Fördergenauig keit bevorzugt für kritische Förderaufgaben, wie zum Fördern toxischer, umweltrelevanter oder hygienischer Flüssigkeiten, zum Fördern bei hohen Drücken sowie zum präzisen Dosieren beliebiger Flüssigkeiten eingesetzt.hydraulic Diaphragm pumps are a typical example of the disadvantages described. Such hydraulic diaphragm pumps are due to their hermetic Properties with simultaneously high compressive rigidity and conveying accuracy preferred for critical promotional tasks, how to promote toxic, environmentally relevant or hygienic liquids, for conveying at high pressures as well as to the precise Dosing any liquids used.
Hierbei bildet jedoch ein vielfach begrenzender Faktor das Hydraulikfluid, das als Druckübertragungsfluid vom Kolben auf die Membran zum Einsatz gelangt. Üblicherweise wird hierfür Mineralöl oder auch synthetisches Öl, beispielsweise Polyglykol mit einer Vielzahl von Additiven, oder auch Sonderöl verwendet. Aufgrund der physiologischen Bedenklichkeit dieses Schmiermittels wird in der Lebensmittel- oder Biotechnik auch Glyzerin angewendet.in this connection However, a multiple limiting factor is the hydraulic fluid, as a pressure transfer fluid from the piston to the membrane is used. Usually this is mineral oil or else synthetic oil, For example, polyglycol with a variety of additives, or also special oil used. Due to the physiological concern of this lubricant Glycerine is also used in food or biotechnology.
All diese Fluide weisen aber Nachteile auf. So zeigt sich beispielsweise bei der Anwendung von Mineralöl, dass gelöstes Gas den minimalen Saugdruck der Membranpumpe auf 0,4 bar absolut begrenzt. Die thermische Grenze ist bei ca. 150 °C erreicht. Außerdem ergibt sich eine starke Veränderung der Viskosität aufgrund von Temperaturänderung. Die Anwendung von synthetischem Öl zeigt die gleichen Nachteile wie bei Mineralöl, wobei die thermische Grenze etwas höher liegt.Alles However, these fluids have disadvantages. This is shown, for example in the application of mineral oil, that solved Gas the minimum suction pressure of the diaphragm pump to 0.4 bar absolute limited. The thermal limit is reached at about 150 ° C. It also gives a big change the viscosity due to temperature change. The application of synthetic oil shows the same disadvantages as mineral oil, the thermal limit a little bit higher lies.
Schließlich bedingt die Anwendung von Glyzerin den Einsatz von Inhibitoren gegen biologische Zersetzung. Gleichwohl lässt sich die Zersetzung aber nicht verhindern. Die thermische Grenze liegt hier bei lediglich 95 °C. Die Viskosität wird hierbei in aufwändiger Weise durch Mischen mit Wasser eingestellt.Finally conditioned the application of glycerine the use of inhibitors of biological decomposition. Nevertheless, lets but do not prevent the decomposition. The thermal limit here is only 95 ° C. The viscosity is here in consuming Set by mixing with water.
Ein weiteres typisches Beispiel für die geschilderten Nachteile sind Flüssigkeitsringvakuumpumpen. Hier wird der rotierende Flüssigkeitsring zur Abdichtung der Laufradkammern gegeneinander sowie zur Übertragung der notwendigen Kompressionsenergie auf das Gas benötigt. Der Dampfdruck der Ringflüssigkeit begrenzt dabei das minimal erreichbare Saugdruckniveau. Bei diesem Saugdruck füllen sich dann die Laufradkammern vollständig mit der verdampfenden Betriebsflüssigkeit, und das Saugvermögen der Flüssigkeitsringvakuumpumpe sinkt auf Null. In der Praxis eingesetzte Betriebsflüssigkeiten, vorzugsweise Wasser mit einem Dampfdruck bei Umgebungstemperatur von ca. 23 mbar sowie Öle mit einem Dampfdruck von ca. 1 mbar, erlauben daher lediglich den Betrieb im sog.Another typical example of the disadvantages described are liquid ring vacuum pumps. Here, the rotating liquid ring is needed to seal the impeller chambers against each other and to transfer the necessary compression energy to the gas. The vapor pressure of the ring liquid limits the minimum he achievable suction pressure level. At this suction pressure, the impeller chambers then completely fill up with the evaporating working fluid, and the pumping speed of the liquid ring vacuum pump drops to zero. In practice, used operating fluids, preferably water with a vapor pressure at ambient temperature of about 23 mbar and oils with a vapor pressure of about 1 mbar, therefore, allow only the operation in the so-called.
Grobvakuumbereich. Bei Prozessen, die demgegenüber den sog. Feinvakuumbereich benötigen, müssen demzufolge zwangsläufig andere Verdichter eingesetzt werden. Diese weisen allerdings aufgrund ihrer Funktionsprinzipien Nachteile gegenüber dem Einsatz einer Flüssigkeitsringvakuumpumpe auf. Speziell im Bereich der chemischen Industrie ist die Anwendung zur Verdichtung von Kohlenwasserstoffen nur unter großen Sicherheitsvorkehrungen möglich, da die einsetzbaren Verdichter einer explosionsgeschützten Ausführung bedürfen.Rough vacuum range. In processes, by contrast need the so-called fine vacuum range, have to therefore inevitably other compressors are used. These are, however, due to their operating principles disadvantages compared to the use of a liquid ring vacuum pump. Especially in the field of the chemical industry is the application for Compaction of hydrocarbons only possible with great safety precautions, since the applicable compressors require an explosion-proof design.
Um den Vakuumbereich zu senken, wurden daher bereits Untersuchungen mit Ölen und verschiedenen Fluiden auf wässriger Basis durchgeführt. Die Absenkung des Saugdruckniveaus konnte jedoch nur bis zu einer Grenze von 1 mbar erreicht werden. Diese geringfügige Erweiterung des Einsatzbereiches ist allerdings gleichzeitig mit Schwierigkeiten bezüglich der Handhabung der meist toxischen oder umweltgefährdenden Betriebsflüssigkeit verbunden. Gleichzeitig musste sichergestellt werden, dass die Ringflüssigkeit nicht mit dem meist aggressiven bzw. korrosiven abzusaugenden Gas reagiert.Around to reduce the vacuum range, were therefore already investigations with oils and various fluids on aqueous Base performed. The lowering of the suction pressure level, however, could only up to one Limit of 1 mbar can be achieved. This minor extension of the field of application is however at the same time with difficulties concerning the Handling of the most toxic or environmentally hazardous operating fluid connected. At the same time it had to be ensured that the ring liquid not with the most aggressive or corrosive gas to be sucked off responding.
Schließlich sind Kolbenmaschinen ein weiteres typisches Beispiel für das Auftreten der geschilderten Nachteile. Bei derartigen Kolbenmaschinen wäre eine mögliche technische Lösung für spezielle Anwendungen, diese zum Zweck der Gas-oder auch Flüssigkeitsförderung mit einem Flüssigkolben oder einem Flüssigvorlagekolben zu betreiben, und zwar bei gegebenem ausreichenden Dichteunterschied und Nichtmischbarkeit. Dies ist jedoch bisher an den Grenzen der bekannten Betriebsflüssigkeiten gescheitert, und zwar deswegen, weil sich bei der Anwendung von wässrigen Flüssigkeiten die bekannten Nachteile, wie Verdampfung, Korrosion, Toxizität, Gaslöslichkeit usw., ergeben. Gleiches gilt bei der Anwendung von organischen Flüssigkeiten, da hier die Nachteile der Verdampfung, Toxizität, Flüchtigkeit usw. auftreten. Schließlich sind bei der Anwendung flüssiger Metalle die Nachteile von Toxizität, hohen Kosten, hoher Dichte, schwierige Abdichtung usw. gegeben.Finally are Piston engines another typical example of the occurrence the disadvantages described. In such piston engines would be a possible technical solution for special applications, this for the purpose of gas or also fluid delivery with a liquid piston or a liquid feed flask to operate at a given sufficient density difference and Immiscibility. However, this is so far at the limits of the known fluids failed because of the application of aqueous liquids the known disadvantages, such as evaporation, corrosion, toxicity, gas solubility etc., result. The same applies to the use of organic liquids, since the disadvantages of evaporation, toxicity, volatility, etc. occur here. Finally are more fluid during use Metals the disadvantages of toxicity, high cost, high density, difficult sealing, etc. given.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Prozess- bzw. Arbeitsmaschine der gattungsgemäßen Art, die eine Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit aufweist, derart auszugestalten, dass die geschilderten Nachteile vermieden sind, ohne die Vorteile der bisher zum Einsatz gelangenden Betriebsflüssigkeiten zu verlieren.Of the The invention is therefore based on the object, a process or working machine of the generic type, the one liquid as operating fluid has, in such a way that the described disadvantages are avoided without the benefits of the previously used fluids to lose.
Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.The Features of the solution this problem created invention will become apparent from the claim 1. Advantageous embodiments thereof are described in the further claims.
Der Erfindung liegt der wesentliche Gedanke zugrunde, eine Prozess- bzw. Arbeitsmaschine derart auszugestalten, dass die in ihr vorgesehene Betriebsflüssigkeit eine ionische Flüssigkeit ist. Hierdurch ergeben sich verblüffende Vorteile, die nachstehend im einzelnen dargelegt werden.Of the Invention is based on the essential idea of a process or work machine such that the provided in her operating fluid an ionic liquid is. This results in amazing benefits, which are listed below be set out in detail.
Wie bekannt, bestehen ionische Flüssigkeiten aus Ionen und sind damit Salze. Im Gegensatz zu geläufigen Salzen, beispielsweise Natriumchlorid, haben sie jedoch einen niedrigeren Schmelzpunkt und können schon bei Raumtemperatur flüssig sein. So gelten per Definition alle Salze, die in reiner Form unterhalb von 100 °C flüssig vorliegen, als ionische Flüssigkeit.As known to exist ionic liquids from ions and are thus salts. Unlike common salts, For example, sodium chloride, but they have a lower Melting point and can already liquid at room temperature be. Thus, by definition, all salts which are in pure form below from 100 ° C liquid present as ionic liquid.
Ionische Flüssigkeiten können als flüssige Salze bezeichnet werden. Sie besitzen einen extrem niedrigen Dampfdruck (10–13bar), weisen nur geringe Gaslöslichkeit auf, sind nicht brennbar, sind vielfach physiologisch unbedenklich, sind vielfach thermisch stabil bis über 250 °C und sind schmierfähig. Die Liste der Vorteile, die ionische Flüssigkeiten bieten, ist lang. Ionische Flüssigkeiten stellen daher einen umwelt- und ressourcenschonenden Ersatz für die bisher beschriebenen Flüssigkeiten dar.Ionic liquids can be referred to as liquid salts. They have an extremely low vapor pressure (10 -13 bar), have low gas solubility, are nonflammable, are often physiologically harmless, are often thermally stable up to over 250 ° C and are lubricated. The list of benefits offered by ionic liquids is long. Ionic liquids therefore represent an environmentally friendly and resource-saving substitute for the previously described liquids.
Bei ionischen Flüssigkeiten ist durch geeignete Wahl von Kation und Anion eine gewünschte stufenweise Einstellung der Polarität und damit eine Abstimmung ihrer Eigenschaften, insbesondere ihrer Löslichkeitseigenschaften, möglich. Die Bandbreite reicht dabei von wassermischbaren ionischen Flüssigkeiten über wassernichtmischbare Flüssigkeiten bis hin zu solchen, die selbst mit organischen Lösungsmitteln zwei Phasen bilden. Die geschickte Ausnutzung dieser außerordentlichen Eigenschaften von ionischen Flüssigkeiten ist der Schlüssel zum erfolgreichen Einsatz dieser Flüssigkeiten im erfindungsgemäßen Sinn.at ionic liquids is a desired stepwise by appropriate choice of cation and anion Setting the polarity and thus a tuning of their properties, in particular their solubility properties, possible. The spectrum ranges from water-miscible ionic liquids to water-immiscible ones Liquids up to those that form two phases even with organic solvents. The skilful exploitation of these extraordinary properties of ionic liquids is the key for the successful use of these liquids in the sense of the invention.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Verwendung einer ionischen Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit in Prozess- bzw. Arbeitsmaschinen können nach Wunsch folgende Parameter vorteilhaft beeinflußt werden:
- a) Schmierwirkung
- b) Drucksteifigkeit
- c) Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur
- d) Dampfdruckgrenze
- e) chemische Inertheit
- f) thermische Inertheit
- g) Löslichkeitsverhalten
- h) physiologische Unbedenklichtkeit.
- a) Lubricating effect
- b) compressive stiffness
- c) viscosity as a function of the temperature
- d) vapor pressure limit
- e) chemical inertness
- f) thermal inertness
- g) solubility behavior
- h) physiological neutrality.
Damit lassen sich mit ionischen Flüssigkeiten, welche die vorgenannten Parameter im Vergleich zu den bisher benutzten Betriebsflüssigkeiten verbessern, folgende Vorteile erzielen:
- a) Absenkung der durch den Verdampfungsdruck bestimmten Vakuumgrenze. Dies beruht darauf, dass der extrem niedrige Verdampfungsdruck einer ionischen Flüssigkeit von etwa 10–13 bar eine deutliche Herabsetzung des erreichbaren Vakuumdrucks ermöglicht, z.B. im Bereich von Flüssigkeitsringvakuumpumpen, bei denen erfindungsgemäß eine ionische Flüssigkeit als Ringflüssigkeit zur Anwendung gelangen kann.
- b) Eine vorhandene Schmierwirkung in Kombination mit höherer Temperaturstabilität und niederem Dampfdruck führt bei allen geschmierten Vakuumpumpentypen und Verdichtern zu einem geringeren Schmiermittelverbrauch sowie zur Einsparung von Ölabscheidern bei gleichzeitiger Absenkung des erreichbaren Vakuums.
- c) Eine erzielbare gute Schmierwirkung in Kombination mit physiologischer Unbedenklichkeit und thermischer sowie chemischer Stabilität stellt für Schmieranforderungen in Hygienebetrieben und Hygienemaschinen sowie Apparaten einen grossen Hinzugewinn an Wirtschaftlichkeit und Sicherheit dar. Typische Beispiele hierfür sind hydraulische Membranpumpen für den Hygienebetrieb, Getriebe für den Hygienebetrieb, Lagerschmieranforderungen im Hygienebetrieb, Dichtungsschmierung im Hygienebetrieb usw.
- d) Eine höhere Drucksteifigkeit verspricht bei allen Druckerzeugern aufgrund der geringeren Kompressibilität höhere Wirkungsgrade und ermöglicht damit kleinere Maschinen für die gleiche Förderleistung.
- e) Ein geringerer Abfall der Viskosität bei Temperaturerhöhung ermöglicht stabilere Betriebszustände und geringere Leckverluste in Pumpen bei hohen Temperaturen. Damit steigt auch der Wirkungsgrad.
- f) Die geringe Gaslöslichkeit sowie der sehr niedrige Dampfdruck einer ionischen Flüssigkeit ermöglichen deren erfindungsgemäße Verwendung als Flüssigkolben für Gase und bestimmte Flüssigkeiten sowie als Hydraulikfluid für Membranpumpen mit geringem Gasgehalt und damit verbesserter Fördergenauigkeit. Als Besonderheit gilt, dass spezielle ionische Flüssigkeiten absolut oxidationsunwillig sind und daher für die Sauerstoffverdichtung oder als Flüssigkolben als Schmiermittel dienen können.
- g) Der typische sehr niedrige Dampfdruck einer ionischen Flüssigkeit erlaubt große Saughöhen bei Membranpumpen.
- h) Die chemische Inertheit einer ionischen Flüssigkeit erlaubt die Anwendung als Schmierung in Fördermaschinen für Chemikalien.
- a) lowering the vacuum limit determined by the evaporation pressure. This is based on the fact that the extremely low evaporation pressure of an ionic liquid of about 10 -13 bar allows a significant reduction of the achievable vacuum pressure, for example in the area of liquid ring vacuum pumps, in which according to the invention an ionic liquid can be used as ring liquid.
- b) An existing lubricating effect in combination with higher temperature stability and lower vapor pressure leads to lower lubricant consumption and to the saving of oil separators for all lubricated vacuum pump types and compressors while simultaneously reducing the achievable vacuum.
- c) An achievable good lubricating effect in combination with physiological safety and thermal and chemical stability represents a major gain in economy and safety for lubrication requirements in sanitary and hygienic machines and apparatus. Typical examples include hydraulic diaphragm pumps for sanitary operation, gearboxes for hygienic operation, bearing lubrication requirements in hygienic operation, seal lubrication in hygienic operation, etc.
- d) A higher compressive stiffness promises higher efficiencies for all pressure generators due to the lower compressibility and thus allows smaller machines for the same capacity.
- e) A lesser drop in viscosity with temperature increase allows more stable operating conditions and lower leakage in pumps at high temperatures. This also increases the efficiency.
- f) The low gas solubility and the very low vapor pressure of an ionic liquid allow their use according to the invention as a liquid piston for gases and certain liquids as well as hydraulic fluid for diaphragm pumps with low gas content and thus improved delivery accuracy. A special feature is that special ionic liquids are absolutely unwilling to oxidize and can therefore serve as a lubricant for the oxygen compression or as a liquid piston.
- g) The typical very low vapor pressure of an ionic liquid allows high suction heights for diaphragm pumps.
- h) The chemical inertness of an ionic liquid allows its use as lubrication in chemical handling equipment.
Ionische Flüssigkeiten sind daher in der Lage, die bisher geschilderten Nachteile zu vermeiden. Sie können aufgrund ihres extrem niedrigen Dampfdruckes von 10–13bar (flüssiges Salz) extrem niedrige Drücke in der Vakuumtechnik erreichen und gleichzeitig sowohl bei Vakuumpumpen als auch bei Verdichtern eine Kontamination des Prozessgases vermeiden.Ionic liquids are therefore able to avoid the disadvantages described so far. Due to their extremely low vapor pressure of 10 -13 bar (liquid salt), they can achieve extremely low pressures in the vacuum technology and at the same time avoid contamination of the process gas in both vacuum pumps and compressors.
Außerdem besteht die Möglichkeit, auf diese Weise auch kritische Gase, wie Reinsauerstoff, in mit Flüssigkeit geschmierten Maschinen zu fördern, ohne Oxidation oder gar Brände zu verursachen.There is also the possibility, in this way also critical gases, such as pure oxygen, in liquid to promote lubricated machines without Oxidation or even fires to cause.
Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung ionischer Flüssigkeiten in Prozessmaschinen ist es nun auch möglich, auch die vorerwähnten Kolbenmaschinen mit einem Flüssigkolben, der aus einer ionischen Flüssigkeit besteht, zu betreiben und gleichzeitig die beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Hierbei bringt die Verwendung ionischer Flüssigkeiten außerdem den Vorteil, dass eine Reaktion mit dem Fördergut ausgeschlossen ist, da sie in hohem Maße inert sind.by virtue of the inventively provided Use of ionic liquids In process machines, it is now also possible, also the aforementioned piston engines with a liquid piston, the from an ionic liquid exists to operate and at the same time the disadvantages described to avoid. This involves the use of ionic liquids Furthermore the advantage that a reaction with the conveyed material is excluded, since they are to a great extent are inert.
Schließlich wird auch bei Flüssigkeitsringvakuumpumpen aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung ionischer Flüssigkeiten als Ringflüssigkeit der Einsatz dieser Pumpen auch im Feinvakuumbereich ermöglicht. Auf diese Weise können Flüssigkeitsringvakuumpumpen anstelle der bisher eingesetzten Schraubenverdichter, Kolbenverdichter, rotierender Flügelzellenverdichter usw. eingesetzt werden und ihre großen Vorteile hinsichtlich Robustheit, Zuverlässigkeit und Prozesssicherheit voll ausspielen.Finally will also with liquid ring vacuum pumps due to the use according to the invention ionic liquids as ring liquid the Use of these pumps also in the fine vacuum range allows. That way you can Liquid ring vacuum pumps instead of the previously used screw compressors, piston compressors, rotating vane compressor etc. are used and their major advantages in terms of robustness, reliability and fully exploit process reliability.
Die hier bisher auftretenden Nachteile und Schwierigkeiten werden durch die erfindungsgemäße Verwendung von ionischen Flüssigkeiten umgangen, da diese auf die jeweiligen Prozessbedingungen und die abzusaugenden Gase angepasst werden können. Somit kann eine Reaktion mit dem abzusaugenden Gas sicher verhindert werden.The Here before occurring disadvantages and difficulties are by the use according to the invention of ionic liquids circumvented, because these on the respective process conditions and the be sucked gases can be adjusted. Thus, a reaction be reliably prevented with the gas to be sucked off.
Die Vorteile der Verwendung ionischer Flüssigkeiten als Betriebsflüssigkeit werden im Folgenden anhand des Funktionsprinzips einer Flüssigkeitsringvakuumpumpe und der Grenzen der hierbei bisher eingesetzten Fluide erläutert.The Advantages of using ionic liquids as working fluid The following are based on the principle of operation of a liquid ring vacuum pump and the limits of the fluids used in this case explained.
So ist bei einer Flüssigkeitsringvakuumpumpe in einem zylinderförmigen Gehäuse ein Schaufelrad exzentrisch angeordnet. Die im Gehäuse befindliche Betriebsflüssigkeit bildet aufgrund der Rotation des Schaufelrades einen mitumlaufenden, konzentrisch ausgebildeten Flüssigkeitsring. Dieser schließt zusammen mit den Rotorschaufeln die Gasvolumina in den Kammern ab. Aufgrund der Exzentrizität des Rotors tauchen die Schaufeln im oberen Bereich komplett in den Flüssigkeitsring ein, so dass das Kammervolumen mit Betriebsflüssigkeit gefüllt ist. Im Lauf der Rotation hebt der Flüssigkeitsring von der Laufradnabe ab und bildet einen sichelförmigen Raum aus. Das zu fördernde gasförmige Fluid wird durch die an den Stirnflächen des Laufrades angeordneten Steuerscheibenöffnungen in den Arbeitsraum angesaugt. Kurz bevor das gasgefüllte Kammervolumen sein Maximum erreicht, endet der Saugschlitz, und die Kammer wird durch die Steuerscheiben, die Laufradschaufeln und die Flüssigkeit abgedichtet. Sodann wandert der Flüssigkeitsring wieder auf die Nabe zu und verdichtet dabei das Gas wie ein Kolben. Sobald die Druckschlitzöffnungen erreicht sind, wird das komprimierte Gas ausgeschoben.Thus, a paddle wheel is eccentrically arranged in a cylindrical housing in a liquid ring vacuum pump. The operating fluid in the housing forms due to the rotation of the impeller a co-rotating, concentrically formed liquid ring. This completes together with the rotor blades, the gas volumes in the chambers. Due to the eccentricity of the rotor, the blades completely submerge in the upper area in the liquid ring, so that the chamber volume is filled with operating fluid. During the rotation, the liquid ring lifts off the impeller hub and forms a crescent-shaped space. The gaseous fluid to be delivered is sucked into the working space by the control disk openings arranged on the end faces of the impeller. Just before the gas-filled chamber volume reaches its maximum, the suction slot ends and the chamber is sealed by the control discs, the impeller blades and the fluid. Then the liquid ring migrates back to the hub and compresses the gas like a piston. As soon as the pressure slot openings are reached, the compressed gas is expelled.
Die Betriebsflüssigkeit hat in Flüssigkeitsringvakuumpumpen vor allem drei Funktionen zu erfüllen, und zwar erstens die Funktion eines bewegten Kolbens mit den Arbeitstakten Ansaugen, Verdichten und Ausschieben, zweitens die Dichtfunktion zur Abdichtung der Schöpfräume gegeneinander und drittens die Aufnahme der Verdichtungswärme.The operating fluid has in liquid ring vacuum pumps especially to fulfill three functions, First, the function of a moving piston with the work cycles Suction, compression and expulsion, secondly the sealing function for sealing the scoop spaces against each other and third, the inclusion of the heat of compression.
Um die Verdichtungswärme abzuführen, wird ständig ein Teil der Betriebsflüssigkeit durch den Druckschlitz ausgeschleust, wobei die gleiche Menge Frischflüssigkeit über einen Flüssigkeitskanal in der Wellennabe der Pumpe zugeführt wird. Aufgrund dieser permanenten Rückkühlung wird eine konstante Temperatur der Betriebsflüssigkeit erreicht.Around the heat of compression dissipate, is constantly a part of the operating fluid discharged through the pressure slot, with the same amount of fresh liquid over a liquid channel is supplied in the shaft hub of the pump. Because of this permanent Re-cooling is reaches a constant temperature of the operating fluid.
Grundsätzlich begrenzt der Dampfdruck der Betriebsflüssigkeit, wie bekannt, das zu erreichende niedrigste Saugniveau im Ansaugstutzen der Pumpe. Sinkt der Ansaugdruck auf einen Wert gleich oder nahe dem Dampfdruck der Flüssigkeit, kommt es zur Kavitation und damit zu einem vollständigen Leistungsabfall der Pumpe.Basically limited the vapor pressure of the operating fluid, as known, the lowest suction level in the intake manifold to be achieved the pump. The suction pressure drops to a value equal to or near the vapor pressure of the liquid, it comes to cavitation and thus to a complete power loss the pump.
In den meisten Anwendungsfällen wird Wasser als Ringflüssigkeit verwendet. Der Vorteil hierbei ist die hohe spezifische Wärmekapazität, die ständige Verfügbarkeit, die Umweltverträglichkeit und schließlich der Preis.In most applications becomes water as ring liquid used. The advantage here is the high specific heat capacity, the constant availability, the environmental compatibility and finally the price.
Nachteilig wirkt sich jedoch die Korrosionsgefahr bei ferritischen Werkstoffen aus und die Begrenzung des Einsatzbereiches auf das Grobvakuum bis zu ca. 50 mbar.adversely However, the risk of corrosion affects ferritic materials out and the limitation of the application area to the rough vacuum until to about 50 mbar.
Bei Sonderanwendungen werden auch Öle eingesetzt, die einen niedrigeren Dampfdruck haben. Derartige Öle führen allerdings zu einer Kontamination des Fördermediums und stellen ein Umweltrisiko dar. Bekannt ist außerdem die Anwendung von Chemikalien als Betriebsflüssigkeit, zum Beispiel konzentrierte Schwefelsäure zur Chlorgasverdichtung.at Special applications are also used oils, which have a lower vapor pressure. However, such oils lead to a contamination of the pumped medium and pose an environmental risk. It is also known to use chemicals as operating fluid, For example, concentrated sulfuric acid for chlorine gas compression.
Diese Anwendungen erfordern jedoch erhöhte Sicherheitsmaßnahmen sowie zusätzliche Apparate wie Ölabscheider usw.These However, applications require increased Safety measures as well as additional Apparatuses such as oil separators etc.
In sämtlichen bisher bekannten Fällen bleibt aber der Einsatzbereich von Flüssigkeitsringvakuumpumpen auf das Grobvakuum beschränkt.In all previously known cases however, the field of application of liquid ring vacuum pumps remains limited the rough vacuum.
Hier schafft nun die Erfindung Abhilfe, indem aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung ionischer Flüssigkeiten der Einsatzbereich der Flüssigkeitsringvakuumpumpen in den Feinvakuumbereich erweitert wird. Da derartige ionische Fluide keinen nennenswerten Dampfdruck besitzen, tritt keinerlei Kavitation auf, so dass sich auch keine Begrenzung des Saugdrucks nach unten ergibt. Weiterhin besitzen ionische Fluide sehr gute Schmiereigenschaften und ermöglichen damit eine an das Feinvakuum angepasste Wellenabdichtung. Im Gegensatz zu der Verwendung von Öl entsteht keinerlei Kontamination des Förderfluids.Here The invention now provides a remedy by virtue of the inventively provided Use of ionic liquids the area of application of the liquid ring vacuum pumps is expanded into the fine vacuum range. Since such ionic fluids have no significant vapor pressure, no cavitation occurs on, so that also no limitation of the suction pressure down results. Furthermore, ionic fluids have very good lubricating properties and allow so that adapted to the fine vacuum shaft seal. In contrast to the use of oil there is no contamination of the conveying fluid.
Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung von ionischen Flüssigkeiten in Prozessmaschinen, im speziellen bei Flüssigkeitsringvakuumpumpen, wird daher deren Einsatzbereich in den Feinvakuumbereich erweitert. Damit stoßen Flüssigkeitsringvakuumpumpen in einen Anwendungsbereich vor, der bisher von Dreh- und Sperrschieberpumpen, Wälzkolbenpumpen oder Dampfstrahlpumpen abgedeckt wurde. Diese besitzen jedoch den Nachteil, dass die notwendige blschmierung des Laufrades im Gehäuse zu einer Kontamination des Förderme diums führt und dass die Abfuhr der Verdichtungswärme nur apparativ aufwendig realisiert werden kann.by virtue of the inventively provided Use of ionic liquids in process machines, especially in liquid ring vacuum pumps, Therefore, their application is expanded in the fine vacuum range. This is where liquid ring vacuum pumps come into contact in a field of application that was previously of rotary and gate valves, Roots or steam jet pumps was covered. However, these have the Disadvantage that the necessary blschmierung the impeller in the housing to a Contamination of the conveying medium leads and that the removal of the heat of compression only expensive apparatus can be realized.
Es können daher Flüssigkeitsringvakuumpumpen in dem nunmehr möglichen Anwendungsbereich des Feinvakuums (10–3 – 10–1 mbar) ihre pumpenimmanenten Vorteile, wie höchste Zuverlässigkeit, quasi isotherme Verdichtung und Ölfreiheit im Verdichtungsprozess, ausspielen, und sie eröffnen auf diese Weise ganz neue Prozessführungen und Einsatzmöglichkeiten.It can therefore liquid ring vacuum pumps in the now possible application of fine vacuum (10 -3 - 10 -1 mbar) their pump immanent advantages, such as highest reliability, quasi isothermal compression and freedom from oil in the compression process play, and they open up in this way completely new process control and applications ,
Die erfindungsgemäß als Betriebsflüssigkeit zum Einsatz gelangenden ionischen Flüssigkeiten sind in ihrer unterschiedlich möglichen Zusammensetzung in Patentanspruch 6 beschrieben.The according to the invention as a working fluid for Use are reaching ionic liquids in their different ways Composition described in claim 6.
Lediglich des Beispiels halber seien nachstehend einige bevorzugte ionische Flüssigkeiten erwähnt, welche die genannten Eigenschaften für bestimmte gewünschte Einsatzzwecke aufweisen:
- 1) 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat: wassermischbar, stabil >250°C, chemisch inert, positive Schmiereigenschaften;
- 2) 1-Butyl-3-methylimidazoliumhexafluorophosphat: nicht mischbar mit Wasser, stabil bis 250°C, chemisch inert, positive Schmiereigenschaften;
- 3) 1-Ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat: mischbar mit Wasser, physiologisch unbedenklich (nachgewiesen), stabil bis 250°C, chemisch inert, im Tonnenmaßstab verfügbar;
- 4) 1-Ethyl-3-methylimidazoliumbistrifluoromethansulfonylamid: nicht mit Wasser mischbar, stabil >300°C, chemisch inert, positive Schmiereigenschaften;
- 5) 3-Methyl-1-ethylpyridiniumethylsulfat: mischbar mit Wasser, stabil bis 250°C, chemisch inert;
- 6) Butyltrimethylphosphoniumdimethylphosphat: mischbar mit Wasser, stabil bis 200°C, chemisch inert.
- 1) 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate: water-miscible, stable> 250 ° C, chemically inert, positive lubricating properties;
- 2) 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate: immiscible with water, stable up to 250 ° C, chemically inert, positive lubricating properties;
- 3) 1-ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfate: miscible with water, physiologically harmless (proven), stable up to 250 ° C, chemically inert, available on a ton scale;
- 4) 1-ethyl-3-methylimidazoliumbistrifluoromethanesulfonylamide: not miscible with water, stable> 300 ° C, chemically inert, positive lubricating properties;
- 5) 3-methyl-1-ethylpyridiniumethylsulfate: miscible with water, stable up to 250 ° C, chemically inert;
- 6) Butyltrimethylphosphonium dimethyl phosphate: miscible with water, stable up to 200 ° C, chemically inert.
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