DE69633827T2 - Hochdruckreaktor - Google Patents

Description

• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 1 stellt eine schematische, seitliche Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Reaktors dar.
• 2 ist eine schematische Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Reaktorsystem.
• 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.
• 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.

Claims (10)

1. Reaktorbehälter umfassend a) ein zylindrisch geformtes hohles Kernelement (2) als innere Wand, wobei das Element an beiden Enden offen ist und b) mindestens eine Schicht (3, 4, 5) aus Hochleistungsfasern, die vorzugsweise eine Zugfestigkeit von mindestens 100 MPa haben, welche um das Kernelement (2) im Wesentlichen in Umfangsrichtung angeordnet ist, wobei die Fasern in einer starren Polymer- oder Harzmatrix eingebettet sind und c) zwei Steckmittel (6, 7), angeordnet an den gegenüber liegenden offenen Enden des Behälters (1), wobei die Steckmittel (6, 7) auf einem gemeinsamen Rahmen (9) angebracht sind, um die auf die Steckmittel (6, 7) wirkenden Kräfte auszugleichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen mindestens eine Zugstange (10) umfasst, welche in axialer Richtung des Reaktorbehälters (1) angeordnet ist und zwei daran starr, am oberen Abschnitt und am unteren Abschnitt in einem im Wesentlichen rechten Winkel befestigte Träger (11, 12), wobei sich der Reaktorbehälter (1) zwischen den Trägern (11, 12) befindet.
2. Reaktorbehälter nach Anspruch 1, wobei das Kernelement (2) ein Rohr aus rostfreiem Stahl ist.
3. Reaktorbehälter nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine Schicht (3) aus Glasfasern und mindestens eine Schicht aus Kohlenstofffasern (5) um das Kernelement im Wesentlichen in Umfangsrichtung gewickelt sind.
4. Reaktorbehälter nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine Schicht aus Keramikfasern (4) um das Kernelement im Wesentlichen in Umfangsrichtung gewickelt ist.
5. Reaktorbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die starre Polymer- oder Harzmatrix ein Epoxiharz, ein Polyimid, ein Polyetherketon und/oder ein Polyethersulfon umfasst.
6. Reaktor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens eines der Steckmittel (6, 7) beweglich bezüglich des Rahmens befestigt ist.
7. Reaktor nach Anspruch 6, wobei ein Steckmittel (7) beweglich bezüglich des Rahmens befestigt ist, während das andere Steckmittel (6) starr bezüglich des Rahmens befestigt ist.
8. Hochdruckreaktorsystem umfassend mindestens zwei Reaktoren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Druckausgleichsmittel zwischen benachbarten Reaktoren angeordnet sind.
9. Hochdruckreaktorsystem nach Anspruch 8, wobei die Reaktoren um eine zentrale Zugstange angeordnet sind.
10. Verwendung eines Reaktorsystems nach einem der Ansprüche 8 oder 9 in einem Hochdruckbetrieb.