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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reaktorbehälter gemäß des Oberbegriffs
des Anspruchs 1. Ein derartiger Reaktorbehälter ist aus
EP 464 202 bekannt. Darüber hinaus
sind Hochdruckreaktoren im Allgemeinen Stand der Technik. Üblicherweise
umfassen sie einen zylindrisch geformten Behälter aus rostfreiem Stahl mit
einer ausreichenden Dicke, um den radialen Kräften, die durch die anliegenden
hohen Drücke
hervorgerufen werden, zu widerstehen und einen oder zwei Kolbenelementen,
welche wahlweise mit Mitteln zur Druckbeaufschlagung und Druckreduzierung
versehen sind, um den Druck innerhalb des Reaktorbehälters aufzubauen.
Im Falle, dass ein bewegliches Kolbenelement verwendet wird, ist
das an der gegenüberliegenden
Seite befindliche andere Steckelement starr mit dem Behälter in
seiner Öffnung
verbunden. Üblicherweise
wird ein flüssiges
Medium, wie beispielsweise Wasser, innerhalb des Reaktors verwendet, um
die hohen isostatischen Drücke
zu erzielen. Die Probe, die dem hohen Druck ausgesetzt werden soll, wird
in dem flüssigen
Medium platziert, nachdem das flüssige
Medium komprimiert wurde, so dass die Probe dem isostatischen Druck
ausgesetzt wird.
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Die
zur Verfügung
stehenden Hochdruckreaktoren sind dahingehend begrenzt, dass rostfreier Stahl
bei Drücken
oberhalb von 5000 bar zu fließen beginnt.
Somit sind bei Drücken über 5000
bar normalerweise zusätzliche
teure Maßnahmen
notwendig. Darüber
hinaus ist die Beständigkeit
von rostfreiem Stahl gegenüber
schnellen großen
Druckwechseln nicht optimal. Die vorliegende Erfindung zielt darauf
ab, diese Nachteile zu überwinden
und einen Reaktor bereitzustellen, der weniger Material bezüglich Gewicht
benötigt,
während
er zumindest ebenso stabil bei geringeren Kosten ist, wie die Reaktoren aus
rostfreiem Stahl. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist
es, einen Reaktor bereitzustellen, der isostatischen Drücken bis
zu 15000 bar standhalten kann. Wie sich gezeigt hat, können diese
und weitere Ziele erreicht werden, indem gewisse Fasern in der Wand
des Reaktorbehälters
verwendet werden. Diese Ziele werden erreicht, indem ein Reaktorbehälter gemäß Anspruch
1 bereitgestellt wird.
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Das
verwendete zylindrisch geformte Kernelement kann ein Rohr sein,
aber auch ein feinmaschiges oder ein grobmaschiges metallisches
Netzgewebe. Das bevorzugt verwendete Metall ist rostfreier Stahl.
Jedoch ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform das Kernelement
ein Rohr aus rostfreiem Stahl. Die Dicke eines solchen Rohres kann
innerhalb weiter Grenzen variiert werden, wobei allerdings sich
eine Dicke von 5 mm bis 10 cm, bevorzugt von 5 mm bis 3 cm als besonders
vorteilhaft erwiesen hat.
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Der
Innendurchmesser des Kernelements und dadurch des Reaktorbehälters liegt üblicherweise
im Bereich von 10 cm bis zu 100 cm, in Abhängigkeit von dem gewünschten
Reaktorvolumen, wobei aber auch kleinere oder größere Durchmesser ebenso verwendet
werden können.
Besonders geeignet ist ein Innendurchmesser von 15 bis 50 cm. Die
Innenhöhe
des Reaktors kann innerhalb weiter Grenzen variiert werden, wobei
geeignete Bereiche von 50 cm bis 200 cm, geeigneter von 60 cm bis
125 cm liegen. Entsprechend liegt das Reaktorvolumen zweckmäßig in Bereichen
von 15,5 bis 6000 l, geeigneter von 40 bis zu 1000 l. Ein Reaktorvolumen
von 150 bis 500 l hat sich als besonders geeignet erwiesen, besonders
im Hinblick auf eine einfache Handhabung, Prozesssteuerung und den
Kosten des Konstruktionsmaterials.
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Die
Hochleistungsfasern, die erfindungsgemäß Verwendung finden, beinhalten
beides, organische und anorganische Fasern und sollten ein derartiges
Kraftdehnungsverhalten aufweisen (insbesondere eine ausreichend
hohe Zugfestigkeit), so dass diese den hohen radialen Kräften widerstehen
können,
die auf die Wände
des Reaktorbehälters
aufgrund der sehr hohen anliegenden Drücke wirken. Wünschenswert
ist es, dass die genaue Zugfestigkeit der verwendeten Fasern aufgrund
des in dem Reaktor herrschenden Drucks, der Zahl der Schichten und dem
Typ der eingesetzten Fasern ermittelt wird. Es hat sich gezeigt,
dass die eingesetzten Fasern vorzugsweise eine Zugfestigkeit von
mindestens 500 MPa aufweisen sollen, um für eine Verwendung geeignet
zu sein. Jedoch sind Fasern bevorzugter, die eine Zugfestigkeit
von mindestens 1 GPa zeigen, während
Fasern mit einer Zugfestigkeit von 2 GPa oder mehr am meisten bevorzugt
verwendet werden. Die eingesetzten Fasern sollten auch ein großes Modul
haben, das geeignet mindestens 5 GPa und geeigneter mindestens 25
GPa beträgt.
Ein Modul von 60 GPa oder mehr ist am meisten bevorzugt. Die verwendeten
Fasern sollten eine relativ geringe Bruchdehnung aufweisen, insbesondere
sollten sie nicht zu elastisch sein. Geeignet ist eine Bruchdehnung der
verwendeten Fasern, die 5% nicht überschreitet und bevorzugt
liegt sie bei nicht mehr als 3%. Die Bruchdehnung von 1,5% oder
weniger ist am meisten bevorzugt.
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Unterschiedliche
Hochleistungsfasern können
erfindungsgemäß eingesetzt
werden. Im Allgemeinen können
vier Hauptklassen geeigneter Hochleistungsfasern unterschieden werden:
die (modifizierten) Kohlenstofffasern, die Polymerfasern mit festem
Kern, die gelversponnenen Fasern und die glasartigen Fasern.
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Kohlenstofffasern
werden besonders bevorzugt in mindestens einer Schicht eingesetzt,
die die Wand des erfinderischen Reaktorbehälters bilden. Der hier verwendete
Begriff der Kohlenstofffaser bezieht sich auf faserförmige Produkte,
welche mehr als 90% Kohlenstoff enthalten und einen Faserdurchmesser
von 3–15 μm und bevorzugter
von 5–12 μm aufweisen.
Kohlenstofffasern werden herkömmlicherweise
mittels der Pyrolyse von Polyacrylnitril (PAN), Pech oder Rayon
erzeugt. Eine spezielle Kategorie von Kohlenstofffasern sind die
Graphitfasern, die eine dreidimensionale Graphitstruktur aufweisen. Die
bevorzugten Kohlenstofffasern sind die Fasern auf PAN-Basis, von
denen die Hochmodul PAN-Grade ein Zugmodul von 350 bis 480 GPa,
eine Zugspannung von 1,7 bis 4,7 GPa und eine Bruchdehnung von 0,4
bis 1,4% aufweisen und wobei die Ultrahochmodul PAN-Grade mit einem
Zugmodul von 500 bis 600 GPa, einer Zugspannung von 1,7 bis 3,9 GPa
und einer Bruchdehnung von 0,3 bis 0,7% am meisten bevorzugt eingesetzt
werden.
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Die
Polymerfasern mit starrem Kern umfassen die lyotropisch flüssigkristallinen
Polymere und die thermoplastisch flüssigkristallinen Polymere.
Die erste Klasse ist die bedeutendste und beinhaltet die Aramidfasern.
Geeignete und bekannte Aramidfasern sind solche, die p-Phenylen-heterocyclische
Polymere mit starrem Kern, wie beispielsweise Poly(p-phenylen-2,6-benzobisthiazol)
und Poly(p-phenylen-2,6-benzobisoxazol) und solche, die Benzimidazol-Polymere,
wie Poly(2,2'-(m-phenylen)-5,5'-bisbenzimidazol)
umfassen. Aramidfasern sind kommerziell beispielsweise unter dem
Handelsnamen KEVLAR und NOMEX erhältlich.
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Die
gelversponnenen Fasern umfassen die Hochleistungspolyethylen(HPPE)-Fasern,
die von DSM und Allied Signal hergestellt und unter dem Handelsnamen
DYNEEMA und SPECTRA verkauft werden. Diese HPPE-Fasern basieren
auf Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, d. h. Polyethylenmolekülen, die
ein mittleres Molekulargewicht von 1 × 106 und
höher haben.
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Schließlich umfassen
die glasartigen Fasern die Glasfasern und feuerfeste Keramikfasern.
Diese Fasern setzen sich aus Glas in einem glasartigen Zustand zusammen.
Im Allgemeinen ist der glasartige Zustand im Glas in gewisser Weise
vergleichbar mit dem amorphen Zustand in Polymeren, aber anders als
bei organischen Polymeren, ist es nicht wünschenswert, den kristallinen
Zustand im Glas zu erreichen. Glasfasern werden herkömmlicherweise
aus glasbildenden Komponenten hergestellt, wie SiO2 und
P2O5, vermischt
mit anderen amphoteren Oxiden beispielsweise Al2O3, TiO2 oder ZnO
und Modifiziermitteln wie MgO, Li2O, BaO,
CaO, Na2O und K2O. Der
Zweck dieser Modifiziermittel liegt darin, das SiO2-Gitter
zu zerbrechen, so dass geschmolzenes Glas die entsprechenden Viskositätseigenschaften hat,
die gestatten, es bis zum gewünschten
glasartigen Zustand abzukühlen.
Die feuerfesten Keramikfasern werden erzeugt, indem hohe Prozentanteile
von Al2O3 (üblicherweise
ungefähr
50%) in Beimengung mit SiO2 als solches
oder modifiziert mit anderen Oxiden, wie beispielsweise ZrO2 oder unter Verwendung von Kaolinton verwendet
werden, welches gleich hohe Anteile von Al2O3 enthält.
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Der
verwendete Rahmen ist notwendig, um die axialen Kräfte auszugleichen,
welche auf die Steckmittel während
des Betriebes des Reaktors wirken. Der bevorzugte Rahmen umfasst
mindestens eine Zugstange und bevorzugt zwei Zugstangen, die gegenüberliegend
mit dem Reaktorbehälter
amphoteren, in axialer Richtung des Reaktorbehälters angeordnet sind und zwei
Trägern,
die starr am oberen Abschnitt und am unteren Abschnitt in einem
im Wesentlichen rechten Winkel befestigt sind, wobei sich der Reaktorbehälter zwischen
den Trägern
befindet. Somit sind beide Steckmittel an den jeweiligen Trägern befestigt.
Zumindest eines der beiden Steckmittel ist bevorzugt beweglich bezüglich des
Rahmens befestigt. So kann Druck zumindest teilweise abgebaut und
freigesetzt werden, indem das beweglich befestigte Steckmittel weg
von der entsprechenden Richtung des Abschnitts des Rahmens (d. h.
des Trägers)
an dem es befestigt ist, bewegt wird. Wenn beide Steckmittel beweglich
bezüglich
des Rahmens befestigt sind, kann Druckbeaufschlagung und Druckreduzierung
zumindest teilweise erreicht werden, indem die Steckmittel gegeneinander
bzw. voneinander wegbewegt werden. Bevorzugt ist jedoch, dass ein
Steckmittel beweglich bezüglich
des Rahmens befestigt ist, während
das andere Steckmittel starr bezüglich
des Rahmens befestigt ist.
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Der
Reaktorbehälter
gemäß der Erfindung umfasst
zumindest eine Schicht einer Hochleistungsfaser, die um das innere
Kernelement im Wesentlichen in Umfangsrichtung angeordnet ist. Unterschiedliche
Kombinationen verschiedener Schichten sind in Abhängigkeit
von Reaktorvolumen und angelegtem isostatischen Druck möglich. Für jede spezifische
Situation sind getrennte Stabilitätsberechnungen notwendig, um
die optimale Kombination der Schichten zu bestimmen. Es ist Stand
der Technik, dass ein Fachmann die erforderlichen Berechnungen für jede Situation
durchführt.
Somit umfasst eine bevorzugte erfinderische Ausführungsform des Reaktorbehälters als
eine erste Schicht eine Glasfaserschicht und eine oder mehrere weitere
Schichten, welche andere Hochleistungsfasern umfassen. In einer
weiteren geeigneten Ausführungsform
sind mindestens eine Schicht aus Glasfaser und mindestens eine Schicht
aus Kohlenstofffaser um das Kernelement im Wesentlichen in Umfangsrichtung
angeordnet. Eine weitere Ausführungsform,
wobei mindestens eine Schicht aus Keramikfasern um das Kernelement
im Wesentlichen in Umfangsrichtung angeordnet ist, erweist sich
als ebenso geeignet. Besonders bevorzugt ist eine Wand eines Reaktorbehälters, welche
um das Kernelement eine erste Schicht aus Glasfaser, eine zweite
Schicht aus Aramidfaser und eine dritte Schicht aus Kohlenstofffaser
aufweist. Ebenso kann eine Ausführungsform
mit einer ersten Schicht aus Glasfaser und einer zweiten und dritten Schicht
aus Kohlenstofffaser geeignet verwendet werden.
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Die
Hochleistungsfasern sind in einer starren Polymer- oder Harzmatrix
eingebettet. Die Matrix muss eine ausreichende Härte und Starrheit aufweisen,
um den ultrahohen Drücken
zu widerstehen. Geeignete Matrixmaterialien beinhalten demnach solche
Materialien, die ein Epoxyharz, ein Polyimid, ein Polyetherketon
und/oder ein Polyethersulfon umfassen. Diese Materialien gehören alle
zum Stand der Technik und sind für
ihre Härte
bekannt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird jedoch eine Matrix aus Epoxyharz verwendet. Das verwendete
Epoxyharz kann jedes beliebige Epoxyharz sein, welches geeignet
ist, eine Matrix für
die verwendeten Fasern zu bilden und sich als unkritisch für die vorliegende
Erfindung erweist. Geeignete Epoxyharze beinhalten demnach Diglycidylether
von Bisphenol A, abgeleitet von Bisphenol A und Epichlorhydrin.
Das Epoxyharz kann durch Zusatz eines Aushärtungsmittels oder Härtemittels
ausgehärtet
werden, beispielsweise der katalytischen Aushärtungsmittel wie Lewis-Säuren (weitestgehend Komplexe
aus Bortrifluorid mit Aminen oder Ethern) und Lewis-Basen (weitestgehend
tertiärer
Amine) und den coreaktiven Aushärtungsmitteln,
wie Polyamine, Polyamide und Polycarbonsäuren. Die erste Gruppe der
Aushärtungsmittel
initiiert eine Homopolymerisation der unterschiedliche Epoxygruppen
enthaltenden Moleküle,
während
die coreaktiven Aushärtungsmittel
mit diesen Molekülen
reagieren, um Vernetzungen zu bilden.
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Der
Reaktor kann ebenfalls teilweise in dem Erdboden eingegraben oder
in ein Betonfundament eingelassen sein. In diesem Fall besteht der
Rahmen aus einer oder zwei Zugstangen, die auch am Erdboden oder
dem Betonfundament befestigt sind und einem Querbalken oberhalb
des Reaktors, an dem das obere Steckmittel des Reaktors beweglich
oder starr befestigt ist.
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Als
Steckmittel kann jedes Mittel verwendet werden, welches geeignet
ist, um den Reaktorbehälter
zu verschließen,
so dass er flüssigkeits-
und gasdicht ist. Stationäre
und bewegliche Kolbenmittel sind für diesen Zweck besonders geeignet.
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Werden
zwei bewegliche Steckmittel verwendet, kann Druckbeaufschlagung
des Reaktors erreicht werden, indem die Steckmittel gegeneinander bewegt
werden oder indem die beweglich befestigten Steckmittel von dem
Abschnitt des Rahmens, an dem sie befestigt sind, wegbewegt werden.
Druckbeaufschlagung kann auch erreicht werden, indem Flüssigkeit
in den Reaktorbehälter über einen
Einlass in einem der Steckmittel gepumpt wird. Hierfür sollten die
Steckmittel so an dem Rahmen befestigt sein, dass sie dem durch
die zugefügte
Flüssigkeit
aufgebauten Druck widerstehen können.
Für das
Pumpen von Flüssigkeiten
unter hohen Drücken
geeignete Pumpen sind kommerziell erhältlich und prinzipiell kann
jede dieser Pumpen erfindungsgemäß verwendet
werden. Für
eine Druckbeaufschlagung kann eine Kombination des Reaktors von
einem oder zwei beweglichen Steckmitteln und Flüssigkeitszugabe ebenfalls verwendet
werden. Druckreduzierung kann durch entgegengesetzte Maßnahmen
erzielt werden, d. h. indem der Abstand zwischen beiden Steckmitteln
erhöht
wird und/oder durch Ausleiten von Flüssigkeit aus dem Reaktor.
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Die
Erfindung bezieht sich darüber
hinaus auf ein Hochdruckreaktorsystem, welches mindestens zwei vorher
beschriebene Reaktoren umfasst, wobei Druckausgleichsmittel zwischen
benachbarten Reaktoren angeordnet sind. Auf diese Weise kann Druckbeaufschlagung
und Druckreduzierung der verschiedenen, in dem Reaktorsystem befindlichen
Reaktoren integriert werden, was sich bezüglich Wirtschaftlichkeit des
Prozesses und Energieeffizienz als vorteilhaft erweist. Die Mittel
für Druckbeaufschlagung
und Druckreduzierung sind die gleichen, die vorherig für einen
einzelnen Reaktor beschrieben wurden, mit der Ausnahme, dass eine
Pumpe für mehr
als ein Reaktor verwendet werden kann. Als vorteilhaft für die Prozesssteuerung
hat sich der Einsatz von mehr als einer Pumpe erwiesen. Somit ist vor
allem die Drucksteuerung optimal, welche sehr bedeutend für die angestrebten
hohen Drücke
ist. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der verwendeten
unterschiedlichen Reaktoren in einem Hochdruckreaktorsystem ist
diejenige Ausführungsform,
in der die Reaktoren um eine zentrale Zugstange angeordnet sind,
welche Teil eines gemeinsamen Rahmens ist, um die axialen, auf die
Steckmittel jedes Reaktors wirkenden Kräfte auszugleichen.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein
Herstellungsverfahren für einen
Reaktorbehälter
wie er vorher beschrieben wurde, wobei das Verfahren die Schritte
umfasst:
- a) Bedecken des zylindrisch geformten
hohlen Kernelements mit einer dünnen
Schicht eines starren Matrixmaterials aus Polymeren oder Harz, vorzugsweise
ein Epoxyharzmatrixmaterial,
- b) Umwickeln des Kernelementes im Wesentlichen in Umfangsrichtung
mit einer organischen oder anorganischen Faser, welche mit dem Matrixmaterial
getränkt
wurde,
- c) wahlweise Wiederholen des Schrittes b) mit der gleichen oder
einer anderen Faser, und
- d) zulassen, dass die Behälterwand
aushärtet.
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Schließlich bezieht
sich die Erfindung auf die Verwendung eines Reaktors oder Reaktorsystems gemäß der vorherigen
Beschreibung in einem Hochdruckbetrieb. Der Reaktor und das Reaktorsystem sind
insbesondere geeignet für
Anwendungen bei denen Drücke
von bis zu 15000 bar angelegt werden. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Reaktors
sind besonders offensichtlich für
Anwendungen, welche Drücke
zwischen 4000 und 15000 bar erfordern, bevorzugter zwischen 5000
und 13000 bar.
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1 stellt
eine schematische, seitliche Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Reaktors
dar.
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2 ist
eine schematische Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Reaktorsystem.
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1 zeigt
einen Reaktorbehälter
(1) mit einem Innenrohr aus rostfreiem Stahl (2),
welches bedeckt ist mit drei Schichten (3), (4)
und (5) aus Hochleistungsfasern, die aufeinander folgend
im Wesentlichen in Umfangsrichtung um das Rohr (2) gewunden
sind. Die Glasfaserschicht (3) ist direkt um das Innenrohr
(2) gewunden, gefolgt von einer Aramidfaserschicht (4)
und einer Kohlenstofffaserschicht (5). Alle Schichten sind
in einer Epoxyharzmatrix (nicht dargestellt) eingebettet. Der Reaktorbehälter (1)
wird von einem stationären
Kolben (6) geschlossen, welcher starr bezüglich des
Trägers
(11) befestigt ist und einem beweglichen Kolben (7),
welcher beweglich bezüglich
des Trägers
(12) befestigt ist. Der Kolben (7) ist darüber hinaus
mit einer Leitung (8) versehen, um Flüssigkeit ein- bzw. abzuleiten,
zur jeweiligen Druckbeaufschlagung und Druckreduzierung. Des Weiteren
weist der Reaktor einen Rahmen (9) auf, welcher zwei Zugstangen
(10), einen unteren Querträger (11) und einen
oberen Querträger
(12) umfasst.
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2 zeigt
eine Aufsicht eines Reaktorsystems, welches sechs Reaktoren (1),
eine zentrale Zugstange (10) und einen Träger (12)
umfasst, die mit den oberen Steckmitteln der Reaktoren (1)
verbunden sind.