DE2449190C2 - Prozeßwärmetauscher für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren - Google Patents

Prozeßwärmetauscher für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren

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Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prozeßwärmetauscher gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs i. Ein solcher Prozeßwärmetauscher ist aus »Gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren« von D. Bedening, S. 204 bis bekannt.
Im eigentlichen Prozeßwärmeteil werden bestimmte Gase bei Temperaturen von ca. 9500C und im Kontakt mit besonderen Katalysatoren in sogenannten Spaltrohren zerlegt. Das aus dem Prozeßwärmeteil noch mit ca. 8000C austretende Reaktorkühlgas soll anschließend in so einem konventionellen Dampferzeuger weiter abgekühlt werden. Bei Dampferzeugern soll das verdampfende Medium von unten nach oben fließen, um auch bei geringer Belastung Instabilitäten zu vermeiden. Andererseits soll aus wirtschaftlichen Gründen das verdampfende Medium im Gegenstrom zum Gas geführt werden, daher sollte das Gas von oben nach unten durch den Dampferzeuger geführt werden.
In Atom, Vol. 173, 1971 S. 67-76 wird ein Hochtemperaturreaktor mit mehreren, ihn umgebenden Dampferzeugern beschrieben. F i g. 2 zeigt einen Reaktor, der von oben nach unten vom Kühlgas durchströmt wird und daneben einen von mehreren Dampferzeugern, der vom heißen Kühlgas von unten nach oben durchströmt wird. Die Dampfzu- und Abfuhr ist unterhalb des Dampferzeugers angeordnet und wird durch das dort eintretende heißeste Kühlgas gefährdet. Prozeßwärmetauscher sind nicht vorhanden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Prozeßwärmetauscher der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Strömungswege für das heiße Reaktorkühlgas möglichst kurz sind, bei dem die heißen und die kalten Gasströme möglichst getrennt sind, um Wärmespannungen und Temperaturschocks zu vermeiden und bei dem alle wesentlichen Teile auswechselbar und inspizierbar gestaltet sind.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Bei dieser Anordnung tritt das mit ca. 9500C aus dem Reaktor austretende Kühlgas von unten in den Spaltrohrofen ein, wird an seinem oberen Ende oberhalb der hochtemperaturbeständigen Trennwand umgelenkt und fließt im Gegenstrom nach unten durch den Dampferzeuger, wird dort wiederum umgelenkt und fließt zwischen Gehäuse und dem Führungsmantel nach oben zum Gebläse, von wo das kalte Gas wieder in den oberen Bereich des Reaktors eingeleitet wird. Sowohl der Spaltrohrofen als auch der Dampferzeuger werden jeweils nur an ihrem kälteren Ende befestigt und können sich dementsprechend frei ausdehnen. Zwischen den heißen und den kalten Gasströmen sind keine gleitenden Dichtungen vorhanden. Störanfällige Kompensatoren werden vermieden. Die bei hochtemperaturfesten keramischen Einbauten immerhin möglich kleinen Undichtigkeiten können weder kalte Gassträhnen noch Temperaturschocks verursachen, weil die Druck- oder Temperaturdifferenzen beiderseits einer Trennwand jeweils nur gering sind. Die keramische Trennwand braucht nicht gekühlt werden; der metallische Führungsmantel wird vom Kühlgas auf einer Temperatur gehalten, die zulässig ist
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die hochtemperaturbeständige Trennwand zwischen Spaltrohrofen und Dampferzeuger in geringem Abstand von einer gasdichten Blechwand umgeben, die an ihrem unteren Ende dicht befestigt ist Durch diese Anordnung werden eventuell die Trennwand durchdringende heiße Gasströme erst in einem solchen Bereich in den Dampferzeuger geleitet, in dem sie keinen Schaden mehr anrichten können. Außerdem hält diese Blechwand die hochtemperaturbeständige Trennwand zusammen. Die Blechwand selbst kann durch heiße Gassträhnen keinen Schaden erleiden, weil sie auf ihrer anderen Seite durch einen großen Gasstrom von geringerer Temperatur gekühlt wird.
Diese Blechwand kann in Umfangsrichtung umlaufende Wellen enthalten. Diese Wellen geben der Blechwand nicht nur eine besondere Festigkeit, sondern wirken auch als Labyrinthdichtung für den zwischen der hochtemperaturfesten Trennwand und dieser Blechwand durchtretenden heißen Gasstrom. Diese Labyrinthwirkung kann selbstverständlich auch erzielt werden, wenn die Blechwand selbst glatt-zylindrisch ausgeführt ist und die hochtemperaturbeständige Trennwand an ihrer Außenseite entsprechende Nuten oder Wellen aufweist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist oberhalb des Spaltrohrofens eine besondere Kammer vorhanden, die mit dem Primärgasraum im Normalbetrieb nur über besondere Filtereinrichtungen verbunden ist. Diese Kammer gestattet es, den Katalysator in bestimmten Zeitabständen auszuwechseln, ohne daß der Primärgasraum durch Katalysatorstaub verunreinigt wird. Die Verbindung dieser Kammer über besondere Filtereinrichtungen mit dem Primärgasraum hat den Vorteil, daß
Druckunterschiede zwischen Kammer und Primärgasraum nicht zu einer Beschädigung der Kammerwand oder zu einem Transport von Katalysatorstaub in den Primärgasraum führen können.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines senkrechten Längsschnittes durch einen Teil eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors sowie durch einen von mehreren im Druckbehälter des Reaktors angeordneten Prozeßwärmetauschern.
Der Reaktor 1, von dem nur der Randbereich gezeigt wird, ist beispielsweise ein gasgekühlter Kugelhaufenreaktor nach dem Otto-Prinzip. Er ist in einem an sich bekannten Beton-Behälter 2 angeordnet und wird von beispielsweise acht Prozeßwärmetauschern in Form von Spaltrohröfen 3 umgeben. Das Gas strömt durch den Heißgaskanai 4 am untenan Ende des Reaktors 1 zum Spaltrohrofen 3. Die Verteilerplatte 5, die zahlreiche Löcher aufweist aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff, beispielsweise Chromstahl oder Graphit, vermeidet Wirbel bei der Umlenkung des Gases, sorgt für eine gleichmäßige Anströmung des Spaltrohrofens 3 und wirkt gleichzeitig als Strahlenschutz. C^r Heißgaskanai 4 wird gebildet aus mindestens zwei Lagen von Zylinder-Sektor-förmigen hochtemperaturbeständigen Formsteinen 6 und 7, die von einem gekühlten, druckdichten Rohr 8 umgeben sind. Die innere Lage 7 besteht aus einem hochtemperaturbeständigen Graphit oder Kohlestein, die äußere Lage 6 aus einer keramischen Isolierung, beispielsweise als AI2O3. Das Rohr 8 trägt innen eine besondere Isolierung und außen eine Wasserkühlung. Von einer Öffnung 9 aus und nach Entfernung mehrerer zylindrischer Formsteine 10, 11 und 12, sowie nach Anheben der Verteilerplatte 5 kann der Heißgaskanal 4 inspiziert und notfalls repariert werden. Die Formsteine 6 und 7 sind austauschbar gestaltet. Oberhalb der Verteilerplatte 5 befindet sich der Spaltrohrofen 3, der aus zahlreichen hängenden senkrechten Sackrohren 13 besteht, die außen vom heißen Gas umströmt werden und die innen eine Füllung von besonderen aber nicht näher beschriebenen oder gezeigten Katalysator-Körpern sowie ein dünneres Rohr enthalten. Das eigentliche Prozeßgas, beispielsweise eine Mischung aus Wasserdampf und Methan tritt bei 14 in den Behälter 2 ein. wird dort auf mehrere parallele Rohre 15 verteilt und fließt von oben in die an eine Tragplatte 16 befestigten Sackrohre 13 ein. In diesen Sackrohren 13 fließt es außen durch die nicht näher beschriebenen Kataly.sator-Körper nach unten und durch das innei e Rohr zurück nach oben und wird in ähnlicher Weise wie beim Eintritt nach 14 zurückgeleitet. Das Reaktorkühlgas wird nach Verlassen des Spaltrohrofens 3 oberhalb einer hochtemperaturfesten Trennwand 17 umgelenkt und fließt nach unten durch den Dampferzeuger 18, der aus zahlreichen parallelen Wendelrohren besteht und an seinem unteren, kälteren Ende gelagert ist. Zwischen der Trennwand 17 und dem Dampferzeuger 18 befindet sich eine Blechwand 19 , die ebenfalls an ihrem unteren Ende befestigt ist. Nach dem Verlassen des Dampferzeugers 18 wird das Reaktorgas um eine weitere Blechwand 20 herumgeführt, die an ihrem oberen Ende aufge- go hängt ist und fließt dann zwischen dem Katalysator-Wechselraum 21 und einer Blechhaube 22 zum Gebläse 23. Von diesem Gebläse wird das Reaktorgas durch den Kaltgaskanal 24 wieder am oberen Ende in den Reaktor 1 geleitet.
Die beschriebene Konstruktion zeigt eine Anordnung mit kurzen Strömungswegen für das heiße Reaktorkühlxas, bei der sich ;il!e Teile frei ausdehnen können und bei der die Vermischung von kalten und heißen Gassträhnen vermieden wird. Eine solche Vermischung würde nicht nur den Gesamtwirkungsgrad verringern, sondern auch durch Temperaturschocks oder durch unzulässig hohe Temperatur einzelne Bauteile zerstören.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Prozeßwärmetauscher in Form eines Spaltrohrofens für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren in Kombination mit einem Dampferzeuger, wobei der Reaktor von oben nach unten vom Reaktorkühlgas durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der aus zahlreichen senkrechten, hängenden Sackrohren (13) bestehende Spaltrohrofen (3) konzentrisch von einem am unteren Ende gelagerten Wendelrohr-Dampferzeuger (18) umgeben ist und zwischen Spaltrohrofen (3) und Dampferzeuger (18) eine stehende hochtemperaturbeständige Trennwand (17) vorhanden ist und zwischen dem Dampferzeuger (18) und seinem Gehäuse (2) ein an seinem oberen Ende dicht aufgehängter Führungsmantel (20) vorhanden ist.
2. Prozeßwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochtemperaturbesiändige Trennwand (17) in geringem Abstand von einer gasdichten Blechwand (19) umgeben ist die an ihrem unteren Ende dicht befestigt ist
3. Prozeßwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß diese Blechwand (19) in Umfangsrichtung umlaufende Wellen enthält
4. Prozeßwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hochtemperaturbeständige Trennwand (17) an ihrer Außenseite quer zur Strömungsrichtung zahlreiche Wellen oder Nuten aufweis L
5. Prozeßwärmetapscher räch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß oberhalb des Spaltrohrofens (3) eine Kammer (21) vorhanden ist die mit dem Primärgasraum (24) im Normalbetrieb nur über Fütereänrichtüngen verbunden ist
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