DE2709699C2 - Autoklav zur Durchführung von Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und hohen Drücken - Google Patents
Autoklav zur Durchführung von Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und hohen DrückenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Autoklav zur Durchführung von Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen
und hohen Drücken, insbesondere unter pulsierenden Drücken, mit einem Aufbau aus mehreren Schichten,
mit einem inneren, gegenüber dem Medium abdichtenden Hohlkörper aus korrosions- und temperaturbeständigem
Material, einer diesen inneren Hohlkörper umgebenden mittleren Schicht aus wärmedämmendem sowie
formbeständigem Material sowie einem diese mittlere Schicht umschließenden, die vorn inneren Hohlkörper
über die mittlere Schicht nach außen wirkenden Kräfte auffangenden Außenmantel.
Unter Autoklaven werden Druckbehälter verstanden, welche beispielsweise in der chemischen Industrie als
wichtiges Betriebsmittel eingesetzt sind, um Stoffumsetzungen
unter hohen Temperaturen und hohen Drücken betriebssicher durchführen zu können.
Je nach Art der besonderen Beanspruchung beispielsweise
entsprechend den Eigenschaften von in einem Autoklav eingesetzten Stoffen sowie entsprechend den
verschiedenen Betriebsverhältnissen und Verwendungszwecken, ergibt sich für einen Autoklav ein bestimmter
Grundaufbau, gegebenenfalls mit einer speziellen Ausrüstung von Armaturen und/oder Meßgeräten
sowie einer individuellen Art der Aufstellung und Betriebsweise.
An Autoklaven werden naturgemäß besondere Anforderungen hinsichtlich der Betriebssicherheit gestellt
Deshalb unterliegen solche Betriebseinrichtungen den bekannten allgemeinen Sicherheitsbestimmungen für
Druckbehälter und bei Verwendung im Zusammenhang mit besonderen Technologien, wie beispielsweise Kernreaktoren,
darüber hinaus verschärften und speziellen Sicherheitsbestimmungen.
Dabei kann es notwendig sein, einen Autoklav zum Schutn gegen gleichzeitig auftretende verschiedenartige
Beanspruchungen, beispielsweise durch Hitze, Druck, Korrosion, Strahlung etc, aus mehreren, spezifisch
resisienten Schichten aufzubauen, um den Autoklavkörper vor den gleichzeitig auftretenden unterschiedlichen
Belastungen sicher zu schützen.
Aus der US-PS 34 94 829 ist ein Autoklav bekanntgeworden, welcher einen äußeren Strahlenschutzmantel
sowie eine innere, als Hitzerefleklor dienende Schicht aufweist. Die äußere Wandschicht und die innere Wandschicht
bilden eine zweischalige Wandung, die keine, die Wärmespannungen ausgleichende Relativbewegung
zwischen den beiden Wandschichten zuläßt.
Ebenso ist es bei einem Mehrlagen-Druckbehälter gemäß der DE-OS 16 97 168, der die Ausgestaltung eines
mehrlagigen, schweren Rohres aufweist, wie es auch bei Geschützrohren und Höchstdruck-Autoklaven verwendet
wird. Eine Beweglichkeit Qer innersten Behälterwandung gegenüber einem äußeren Mantel ist hier
ebenfalls nicht gegeben.
Aus der DE-AS 10 94 718 ist ein Autoklav bekannt, der einen sogenannten Einsatzkessel besitzt, umgeben von einem Druckmantel, zwischen denen, beispielsweise durch Preßluft, ein Ausgleichsdruck erzeugt wird. Die thermische Belastung ist nicht sehr hoch, denn der innere Kessel wird mit einer Dampfheizschlange beheizt.
Aus der DE-AS 10 94 718 ist ein Autoklav bekannt, der einen sogenannten Einsatzkessel besitzt, umgeben von einem Druckmantel, zwischen denen, beispielsweise durch Preßluft, ein Ausgleichsdruck erzeugt wird. Die thermische Belastung ist nicht sehr hoch, denn der innere Kessel wird mit einer Dampfheizschlange beheizt.
so Zwischen dem inneren Reaktionsgefäß und dem Druckmantel kann sich eine Isoliermasse aus keramischem
Material befinden. Das Heizmedium wird durch auf dem inneren Kessel des Autoklaven geschweißte Rohre geleitet.
Bei hohen Temperaturen und der gleichzeitigen Anwesenheit korrosiver Gase, beispielsweise Wasserstoff
und Kohlenmonoxid, kann dieser Autoklav aufgrund unvermeidlicher Gefügeveränderungen der
Schweißnähte nicht betrieben werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Autoklav so zu gestalten, daß er für höchste Beanspruchungen
durch Druck, Hitze und korrosive Gase, die gleichzeitig auftreten, geeignet ist. Der Autoklav soll
sich für Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und Drücken eignen, wobei die Anwendung pulsierender
Drücke sowie die Anwesenheit von Wasserstoffgas erschwerend ins Gewicht fällt.
Ein solcher Autoklav wird beispielsweise als Reaktor für die Direktvergasung von Kohle mittels Wasserstoff
bei pulsierenden Drücken zwischen 0 und 98 bar und bei
Temperaturen von etwa 1000° C angesetzt Dabei ergeben
sich gleichzeitig drei kritische Beanspruchungen:
a) pulsierender Druck,
b) hohe Temperatur,
c) Agressivität des Wasserstoffs.
Die hieraus resultierende besonders schwierige Aufgabe beim Bau eines Autoklavs der eingangs genannten
Art wird mit der Erfindung dadurch gelöst daß der innere Hohlkörper ein Wellrohr ist daß die mittlere Schicht
mit einer glatten zylindrischen Innenfläche ausgestattet
ist daß zwischen dem Wellrohr und der mittleren Schicht Fonnkörper als Stützkorper mit einer eine
Gleitbewegung zwischen dem Wellrohr und der mittleren Schicht zulassenden, losen Passung eingelegt sind,
und daß die mittlere Schicht Dehnungs- und Gleitfugen aufweist
Auf diese Weise ist gewährleistet daß jede Schicht aus einer den jeweiligen spezifischen Belastungen entsprechenden
ganz speziellen Materialqualität besteht, wie beispielsweise das Wellrohr aus !corrosions- und
hochhitzebeständigem Sicromal. Dagegen werden andererseits an dieses Wellrohr nur geringe Anforderungen
hinsichtlich seiner Festigkeit gestellt weil es von der mittleren Schicht getragen wird, welche entsprechend
ihrer besonderen Funktion der thermischen Isolierung aus wärmedämmendem sowie formbeständigem Material
besteht und sich ihrerseits gegen den sie tragenden äußeren Mantel abstützt, dessen alleinige Funktion die
Kompensation aller von innen nach außen wirkenden Kräfte ist wobei dieser äußere Mantel seinerseits von
Beanspruchungen, zum Beispiel durch hohe Temperaturen und Korrosion, durch die mitilerc sowie innere
Schicht fast vollständig entlastet ist.
Die Gestaltung des inneren Hohlkörpers als Wellrohr ist für die Erfindung besonders wichtig, weil hierdurch
vorzugsweise sine Kompensation der Längsdehnung infolge Temperatureinwirkung erreicht wird, ohne daß
Spannungen im Materialgefüge oder gar örtliche Deformierungen des inneren Hohlkörpers eintreten.
Entsprechend der speziellen Funktion jeder einzelnen Schicht muß jede dieser Schichten die durch Kräfte
oder Wärme entstehenden Spannungen, unabhängig von der ihr benachbarten Schicht, mittels einer Relativbewegung
ausgleichen können. Zum anderen muß aber zwischen jeder dieser Schichten eine satte aber zwanglose
Auflage gewährleistet sein, um radiale oder axiale Kräfte gleichmäßig zu übertragen.
Aus diesem Grunde ist mit der Erfindung weiterhin vorgesehen, daß zwischen dem Wellrohr und der wärmedämmenden
mittleren Schicht Formkörper eingelegt sind und zwar so, daß sie Relativbewegungen zwischen
dem Wellrohr und der Mittelschicht zulassen. Infolgedessen wird hierfür eine lose Passung gewählt. Durch
die Formkörper ist andererseits in zweckmäßiger Weise gewährleistet, daß die mittlere Schicht gegenüber dem
Wellrohr eine glatte zylindrische Fläche aufweisen kann, was unter anderem aus fertigungstechnischen
Gründen besonders vorteilhaft ist.
Dabei kann das Wellrohr eine rotationssymmetrische Anordnung der Wellenkontur aufweisen, es kann aber
auch eine schraubenförmige Anordnung der Wellenkontur aufweisen. Diejenige Form, welche von beiden
Möglichkeiten der einander annähernd gleichwertigen, das heißt funktionsäquivalenten Ausführung gewählt
wird, liegt im Ermessen des Fachmannes.
Die schraubenförmige Anordnung kann beispielsweise den Vorteil aufweisen, daß der Einbau des Wellrohres
dadurch erleichtert wird, auch kann diese gegebenenfalls fertigungstechnische Vorteile bei der Herstellung
des Wellrohres erbringen. Hinsichtlich der Funktion des inneren Hohlkörpers beim erfindungsgemäßen Autoklav
sind jedoch beide Ausführungen annähernd gleichwertig.
Erfindungsgemäß ist es des weiteren wichtig, daß die wärmedämmende Mittelschicht Dehnungs- und Gleitfugen
aufweist Diese können sowohl in radialer als auch in axialer Richtung verlaufen und dienen der Unterstützung
des Dehnungsverhaltens in unterschiedlichen Temperatur- und Schichtzonen. Dabei ist zu berücksichtigen,
daß zum Beispiel die mittlere Schicht Temperatus^radienten
von einigen 100° C innerhalb ihrer Wandung
aufweist und zu kompensieren hat
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung sieht dabei vor, daß der äußere Mantel eine Druckentlastungsbohrung
aufweist. Auf diese Weise wird mit Sicherheit vermieden, daß gegebenenfalls durch Poren im Hohlkörper
hindurchdiffundierendes Wasserstoffgas einen Druckaufbau zwischen dem inneren Hohlkörper und dem äußeren
Mantel hervorrufen kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Wellrohr stirnseitig gegenüber dem äußeren
Mantel durch eine Scheibe aus korrosions- und temperaturbeständigem Material reaktionsmediendicht abgeschlossen
ist. Durch diese Ausführung wird mit Sicherheit verhindert, daß heißes Wasserstoffgas unter
Druck zwischen die Schichten gelangt und dabei Zerstörungen verursacht.
Zweckmäßigerweise ist weiterhin vorgesehen, daß die Scheibe rillenförmige oder wellenförmige Verformungen
aufweist. Zweckmäßig ist hierbei die Scheibe in konzentrischen Rillen gewellt. Diese Ausführung dient
ebenfalls der gefahrlosen, wiederholten Kompensation von Wärmeausdehnungen im Materialgefüge der Scheibe
und verhindert die Entstehung sowohl unzulässiger Spannungen als auch Deformationen im Material der
Scheibe. Und schließlich ist vorgesehen, daß das Wellrohr mit der Scheibe verschweißt ist.
Die Erfindung wird durch die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit dem in der Zeichnung dargestellten
Autoklav erläutert, welcher zur Direktvergasung von Kohle mittels Wasserstoff bei pulsierenden
Drücken zwischen 0 und 98 bar und Temperaturen um etwa 1000°C Anwendung findet.
F i g. 1 stellt den Autoklav nach der Erfindung im Schnitt dar,
F i g. 2 stellt Einzelheiten des Autoklavs in vergrößertem Maßstab ebenfalls im Schnitt dar.
F i g. 1 zeigt den Autoklav 1, welcher aus dem Hauptkörper 2 mit den beiden Verschlußteilen 3 und 4 besteht.
Diese sind mittels Flansche 5 und 6 unter Einlage von Spezialdichtungen 7 lösbar miteinander verbunden.
Der Hauptkörper 2 weist den Innenraum 8 auf, welcher den eigentlichen Reaktionsraum des Autoklavs
darstellt. Dieser Innenraum 8 wird begrenzt durch den als Wellrohr 9 ausgebildeten inneren Hohlkörper 10.
Dabei besteht das Wellrohr 9, welches der Beanspruchung durch extreme Wärme und korrosive, gasförmige
Medien ausgesetzt ist, beispielsweise aus einem dünnen Blechmantel aus hochhitzebeständigem und korrosionsresistentem
Sicromal. Weil jedoch das Material des Wellrohres 9 bei extrem hohen Temperaturen nicht
mehr in der Lage ist, den Festigkeitsanforderungen gegenüber dem Druck im Innenraum 8 des Autoklavs ! zu
entsprechen, ist das Wellrohr 9 mit einer umgebenden mittleren Schicht U hinterfüttert und dadurch von den
Kräften durch den Innendruck entlastet. Die mittlere Schicht 11 besteht ihrerseits aus feuerfestem, druckbeständigem
Material, beispielsweise feuerfesten Steinen oder feuerfestem Zement.
Diese mittlere Schicht hat demnach zwei Funktionen, nämlich erstens das Wellrohr zu stützen und die vom
Wellrohr radial nach außen zu übertragenden Kräfte auf den Außenmantei 12 zu übertragen, zweitens den
Innenraum 8 des Reaktors nach außen hin zu isolieren.
Der Außenmantel 12 hat die Funktion, die Kräfte aus dem Innern des Autoklavs zu kompensieren. Demgemäß
ist der Außenmantel 12 ein druckfester Behälter, beispielsweise aus Kesselstahl von entsprechender
Wandstärke mit einer Festigkeit von 5884 bar. Der Außenmantel weist ferner eine Druckentlastungsbohrung
13 auf, welche verhindert, daß durch das Gefüge des Wellrohres 9 hindurchdiffundierendes Wasserstoffgas
einen schädlichen Druckaufbau zwischen dem Wellrohr 9 und dem Außenmantei 12 herbeiführen kann.
Da die mittlere Schicht 11 mit einer glatten zylindrischen
Innenfläche 14 ausgestattet ist, ist es notwendig, in den durch die Wellen des Wellrohres 9 gebildeten Hohlräumen
15 vor der zylindrischen Innenfläche 14 sögenannte Stützkörper 16 einzulagern, welche das Wellrohr
stützen. Dabei ist die Passung so gewählt, daß das Wellrohr 9 mit dem Formkörper 16 gegenüber der zylindrischen
Innenfläche 14 der mittleren Schicht 11 eine Relativbewegung in axialer Richtung machen kann.
Wie aus der Darstellung gemäß F i g. 1 weiter hervorgeht, ist das Wellrohr 9 an seiner Stirnseite mit einer
ebenfalls gewellten Abschlußscheibe 17 reaktionsmediendicht verbunden, indem beide an der Stelle 18 miteinander
verschweißt sind. Die Abschlußscheibe 17 ihrerseits ist mit dem Außenmantel 12 an der Stelle 19
ebenfalls durch eine reaktionsmediendichte Schweißnaht verbunden. Auf diese Weise ist ein hermetischer
Verschluß des Innenraums 8 gegenüber dem Außenmantei 12 gewährleistet
Bezüglich der mittleren Schicht 11 ist noch zu erwähnen,
daß diese beispielsweise aus feuerfesten und druckfesten Formsteinen 20 bestehen kann, wie dies in der
rechten Seite von F i g. 1 bildlich dargestellt ist. Aber auch jede bekannte Art von Feuerfest-Zement ist geeignet.
In logischer Übertragung des Aufbaus vom Hauptkörper 2 auf die Verschlußteile 3 und 4 sind diese ebenfalls
in der Weise aufgebaut, daß sie eine gasdichte, temperatur- und korrosionsbeständige innere Schicht 2i
aufweisen, die ihrerseits mit einer feuerfesten, wärmedämmenden
und stützenden Schicht 22 hinterfüttert ist, welche entsprechend der mittleren Schicht 11 des
Hauptkörpers 2 ihrerseits von einem Außenmantei 23 druckfest umschlossen ist Zur Überwachung der Temperatur
kann beispielsweise im Verschlußteil 3 ein Meßsondenkanal 24 angeordnet sein.
Im Falle der Verwendung des Autoklavs 1 als Versuchsreaktor ist dieser beispielsweise in weiterer Ausgestaltung
in der mittleren Schicht 11 mit einer elektrisehen
Heizwicklung 25 ausgestattet Auch können, wie aus F i g. 1 hervorgeht, in der äußeren Zone der mittleren
Schicht 11 zur Wärmeabfuhr Kühlmittelrohre 26 eingebettet sein.
F i g. 2 zeigt im Detail einen vergrößerten Ausschnitt
des Autoklavs 1. Man erkennt das Wellrohr 9, die mittlere Schicht 11 sowie den Außenmantei 12, welcher durch
eine Schweißnaht 27 mit dem Flansch 28 verbunden ist Ferner ist die Abschlußscheibe 17 durch die Schweißnaht
19 mit dem Flansch 28 und durch die Schweißnaht 18 mit dem Wellrohr 9 reaktionsmediendicht verbunden.
Die Abschlußscheibe 17 weist in dem Bereich des Wellrohres 9 eine Verformung durch konzentrische Rillen
auf, wovon die einzelnen Rillen 29 deutlich zu erkennen sind. Weiterhin erkennt man die Formkörper 16,
welche die Hohlräume 15 des Wellrohres 9 gegenüber der zylindrischen Innenfläche 14 der mittleren Schicht
11 ausfüllen. Die mittlere Schicht 11 besteht ihrerseits aus den feuerfesten Steinen 20, welche lose oder auch
mit einem feuerfesten Bindemittel zwischen Wellrohr 9 und Außenmantel 12 eingefügt sind.
Schließlich zeigt die Darstellung nach F i g. 2 noch die Snezialdichtiing 7, zum Beispiel aus relativ weichem
Chrom-Nickel-Stahl, welcher eine absolut dichtende Verbindung zwischen den Flanschen 5 beziehungsweise
6 herstellt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Autoklav zur Durchführung von Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und hohen Drükken,
insbesondere unter pulsierenden Drücken, mit einem Aufbau aus mehreren Schichten, mit einem
inneren, gegenüber dem Medium abdichtenden Hohlkörper aus korrosions- und temperaturbeständigem Material, einer diesen inneren Hohlkörper
umgebenden mittleren Schicht aus wärmedämmendem sowie formbeständigem Material sowie einem
diese mittlere Schicht umschließenden, die vom inneren Hohlkörper über die mittlere Schicht nach
außen wirkenden Kräfte auffangenden Außenmantel, dadurch gekennzeichnet, dal? der innere
Hohlkörper (10) ein Wellrohr (9) ist, daß die mittlere Schicht (11) mit einer glatten zylindrischen
Innenfläche (14) ausgestattet ist, daß zwischen dem Wellrohr (9) und der mittleren Schicht (11) Formkörper
(16) als Stützkörper mit einer eine Gleitbewegung zwischen dem Wellrohr (9) und der mittleren
Schicht (U) zulassenden, losen Passung eingelegt sind, und daß die mittlere Schicht (11) Dehnungsund
Gleitfugen aufweist.
2. Autoklav nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht (11) aus feuerfesten
Steinen besteht, welche lose oder mit einem feuerfesten Bindemittel zwischen Wellrohr (9) und
Außenmantel (12) eingefügt sind.
3. Autoklav nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der äußeren Zone der mittleren
Schicht (11) Kühlmittelrohre (26) eingebettet sind.
4. Autoklav nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellrohr (9) stirnseitig gegenüber
dem Außenmantel (12) durch eine Abschlußscheibe (17) aus korrosions- und temperaturbeständigem
Material reaktionsmeaiendicht abgeschlossen ist.
5. Autoklav nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußscheibe (17) rillenförmige
oder wellenförmige Verformungen (29) aufweist.
6. Autoklav nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußscheibe (17) konzentrische
Rillen (29) aufweist.
7. Autoklav nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellrohr (9) und der Außenmantel
(12) mit der AbschluBscheibe (17) reaktionsrnediendicht verschweißt ist.
8. Autoklav nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (12) wenigstens
eine Druckentlastungsbohrung (13) aufweist.
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