DD147550A1 - Vorrichtung zum schutz von reaktionsgefaesswandungen vor temperaturueberbeanspruchung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der chemischen Verfahrenstechnik. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, oertlich begrenzte, willkuerlich auftretende gefaehrliche Waermespannungen im Bereich der Behaelterwandlung eines unter hoher Temperatur und druck arbeitenden Reaktors oder Generators gefahrlos abzufuehren und weiter Einengungen des Querschnittes des Reaktoer oder Generators durch Anbackungen zu verhindern. Zur Loesung des Problems wird vorgeschlagen, im thermisch gefaehrdeten Bereich innerhalb des Reaktionsgefaeszes Kuehlelemente anzuordnen, die als hohe Bauteile verschiedenen Querschnittes und verschiedenen Innenraumes gestaltet sind. Die obere und untere Begrenzung dieser Kuehlelemente wird durch im Querschnitt unterschiedlich gestaltet sein koennende Kuehlmittelsammelkanaele gebildet. Anwendbar ist die Loesung in Reaktoren und Generatoren der chemischen Industrie und in der Kohlenveredlung.

Description

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Titel der Erfindung

Vorrichtung zum Schutz von Reaktionsgefäßwandungen vor Temperaturüberbeanspruchung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Vorrichtung ist in Generatoren und Reaktoren, in denen unter Einfluß hoher Temperatur und Druck chemische Verfahren durchgeführt werden, bei denen in den betreffenden Bereichen für die Behälterwandung gefährliche Wärmespannungen durch ungleichmäßige Temperaturverteilung auftreten können, anwendbar.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung anwendbar bei Verfahren der Synthesegasherstellung in Generatoren bzw. Reaktoren unter hohem Druck und hoher Temperatur aus festen, gasförmigen, flüssigen bzw. quasiflüssigen Brennstoffen bestehend aus festen, gasförmigen und flüssigen Bestandteilen beliebiger Mengenanteile mit einem Gemisch aus Sauerstoff, Luft und Wasserdampf beliebiger Mengenanteile.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Auf dem Gebiet des Wärmeschutzes von Behälterwandungen, speziell auf dem die Erfindung betreffenden Anwendungsgebiet bei Reaktionsgefäßen, Reaktoren bzw. Generatoren sind verschiedene Lösungen bekannt geworden. So ist es beispielsweise bekannt, die Reaktionswärme über

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einen entsprechenden ?/assermantel abzuführen· Diese Lösung hat verschiedene Nachteile:

Die an der dem Reaktionsraum zugewandten Wandung des Wassermantels auftretenden ungleichförmigen Temperaturbelastungen führen zu gefährlichen Wärmespannungen im Mantelmaterial, welches wegen der auftretenden mechanisehen Belastung und des großen Durchmessers nicht mit der erforderlichen Wanddicke ausgeführt werden kann· Die bekannten technischen Lösungen zur erhöhten Abführung der Wärme durch Verbesserung der Zirkulation des Kühlmediums durch entsprechende Einbauten in den Wassermantel bzw. Aufgliederung des Wassermantels in mehrere Kammern führen nicht zur Beseitigung des Mangels der Überlastung entsprechender Wandungsteile durch die auftretenden Wärme spannungen.

Weiter ist bekannt, zur Minderung der chemischen und thermischen Belastung der Wandung des Reaktionsgefäßes bzw« der des Wassermantels entsprechend ausgerüsteter Reaktionsgefäße eine Auskleidung aus feuerfestem Material einzubringen

Diese Lösung hat den Nachteil, daß

die gebräuchlichen Materialien zur feuerfesten Auskleidung ausnahmslos alle dazu neigen, daß Bestandteile der eingesetzten Stoffe anbacken. Dieses Verhalten führt zu einer Querschnittseinengung des zur Verfügung stehenden Reaktionsraumes, was wiederum zu einer erheblichen Verfälschung des Reaktionsprozesses führt und eine ständige sinkende Leistung der Anlage nach sich zieht. Die auftretenden Anbackungen können nur bergmännisch aus dem Reaktionsgefäß ausgetragen werden, was eine totale Außerbetriebnahme der Anlage erfordert*

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Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist eine gefahrlose Abführung ungleichmäßig auftretender, örtlich begrenzter Wärmebelastungen mit großem Temperaturgradient, die Sicherung des maximalen Querschnittes des Reaktionsraumes und die maximale Nutzung der beim Verfahren anfallenden Überschuß«arme·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung hat die Aufgabe, die in dem Reaktionsraum vorhandenen, örtlich begrenzten, willkürlich auftretenden Wärmebelastungen der Wandung des Reaktionsgefäßes oder der eines gegebenenfalls vorgesehenen Wassermantels gefahrlos abzubauen. Weiterhin hat die Erfindung die Aufgabe eine Einengung des Reaktionsquerschnittes infolge Anbackung von Bestandteilen der eingesetzten Stoffe an der Reaktionsbehälterwandung bzw. dessen Ausmauerung zu verhindern.

Die technischen Ursachen der Mangel der bekannten technischen lösungen, die durch die erfindungsgemäße Lösung verhindert werden, sind die wärmetechnisch falsche Dimensionierung der Y/andstärke der Reaktionsgefäße bzw. der eines vorgesehenen Wassermantels auf Grund der auftretenden mechanischen Belastungen, besonders bei Reaktionsgefäßen mit großem Durchmesser und bei Einsatz von Materialverbänden (Plattierung von hochlegiertem Stahl auf Grundmaterial),und die feuerfeste Auskleidung der Reaktionsgefäße, an denen Material der eingesetzten Brennstoffe bzw. Bestandteile des eighgesetzen Brennstoffes anbackt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst: Die Vorrichtung besteht aus hohlen Bauteilen, die mit

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einem flüssigen Medium, vorzugsweise Wasser, gekühlt werden und den gesamten Reaktionsraum bzw. nur den thermisch gefährdeten radial auskleiden. Die Bauteile sind auf der dem Reaktionsraum zugewandten Seite metallisch blank und deren Oberfläche je nach Ausführungsbeispiel strukturiert. Die Bauteile sind in ihrem Inneren in einzelne Kanäle bzw. in eine Kammer aufgegliedert, deren Querschnitt je nach Ausführungsbeispiel rund, oval bzw. polygon gestaltet sein kann und die an der oberen und der unteren Begrenzung des Bauteils in jeweils einem gemeinsamen Sammelraum münden» dessen Querschnitt rund, oval bzw. polygon gestaltet, sein kann.

Von diesen Sammelräumen gehen die Zu- bzw. Abführungen des Kühlmediums aus, welche durch die Reaktionsgefäße wandung führen bzw. in den Wassermantel münden oder jeweils der Zu- oder Ablauf durch die Reaktionsgefäßwand führt und der Zu- oder Ablauf in den Wassermantel mündet. Die Bauteile sind mit einem oder mehreren Zu- und Ab-

$0-5- laufen ausgeführt, die gleichzeitig die Funktion der Halterung erfüllen. Weiterhin ist die Wandstärke der Bauteile so dimensioniert, daß örtlich begrenzt auftretende Temperaturbelastungen mit großem Temperaturgradient ohne gefährliche Gefügeveränderungen infolge Wärmespannungen abgebaut werden können bzw. ihnen standgehalten werden kann.

Zum Schutz gegen Verformung der Bauteile infolge mechanischer Belastung ist der gegebenenfalls vorhandene verbleibende Raum zwischen Bauteil und Reaktionsgefäßinnenwandung'mit feuerfestem Material auszukleiden und

11.5 das Bauteil mittels Stegen gegen die Reaktionsgefäßinnenwandung abzustützen. Als Material für diese Bauteile ist ein korrosions-, zünder- und hitzebeständiger Stahl mit möglichst großer Wärmeleitfähigkeit einzusetzen. Diese Bauteile sind so gestaltet, daß sie außerhalb des Reaktionsgefäßes vorgefertigt werden und nur beim Einbau an das betreffende Kühlsystem angeschlossen und mit

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feuerfestem Material hinterfüttert werden müssen· Die Bauteile, im folgenden Kühlelemente genannt, werden Je nach Ausführungsbeispiel zwangsweise oder im Naturumlauf von dem Kühlmedium durchflossen. Dabei können die Kühlelemente als separates Kühlsystem mit entsprechender Pumpe, Sicherheitstechnik und Wärmetauscher, als Bestandteil eines vorhandenen Kühlsystems mit zusätzlicher Umlaufpumpe oder als Bestandteil eines vorhandenen Kühlsystems als kommunizierendes Gefäß ausgebildet sein. Entsprechend dem Anwendungsfall sind die Nennweiten der Kühlmittelzu- und -abführungen sowie die Kühlmittelsammelkanäle der Kühlelemente zu dimensionieren.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll im folgenden an Hand mehrerer Figuren näher erläutert werden.

Es zeigen die Figuren 1 bis 4 einen Schnitt durch einen mit Kühlelementen versehenen Reaktor, wobei jeweils die Kreisläufe des Kühlmediums den Varianten entsprechend

HO dargestellt sind. Die Figuren 5 bis 7 zeigen Schnitte der Kühlelemente in verschiedenen Ansichten. Auf den Figuren 1, 2 und 3 sind Ausführungsbeispiele der Kühlelemente dargestellt. Sie bestehen aus zwei Kühlmittelsammelkanälen 1, die das Kühlelement in vertikaler Richtung abschließen. Der Querschnitt dieser Kühlmittelsammelkanäle 1 kann rund, oval oder auch polygon sein und auch an einem Kühlelement unterschiedlich ausgeführt sein. Diese* Kühlmittelsammelkanäle 1 sind mit Böden 2 verschlossen und weisen Kühlmittelzuführungs- 3 bzw. Kühlmittelabführungsstutzen 8 für das Kühlmedium auf.

Weiterhin sind in den Kühlwasserkanälen Öffnungen 20 angebracht, in denen die eigentliche Kühlfläche zur Zirkulation des Kühlmediums befestigt ist·

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Die Kühlfläche besteht aus rohrförmigen Bauteilen 5 mit rundem, ovalem oder polygonem Querschnitt, die mittels angesalzter oder angeschweißter Stege 6 oder direkt miteinander bzw. mit einem rechteckigem Bauteil 7 verbunden sind, das dem Reaktionsinnenraum zugewandt ist.

An der Kühlfläche sind auf der der V/andung des Reaktionsgefäßes zugewandten Seite Stege 4 angebracht, die die gesamtαϊKühlelemente gegen die Reaktionsgefäßwandung 9 bzw. gegen die Kühlmantelwandung 11 abstützen. Der Zwischenraum zwischen Kühlelement und Reaktionsgefäßwandung 9 bzw. Kühlmantelwandung 11 ist mit feuerfestem Material 14 auszukleiden. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 4 führen die Stutzen für die Kühlmediumzu- 3 und -abführung 8 durch die Kühlmantelwandung 11 in den Kühlmantel 10 der Reaktionsgefäßes·

Im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 führt der Kühlmediumabführungsstutzen 8 durch die Kühlmantelwandung 11 in den Kühlmantel 10 und der Kühlmediumzuführungsstutzen 3 führt durch die Kühlmantelwandung 11, den Kühlmantel und die Reaktionsgefäßwandung 9 aus dem Reaktionsgefäß hinaus zur Umwälzpumpe 15 des Kühlkreislaufes des Reaktionsgefäßes· -

In den Ausführungsbeispielen nach Figur 1 und 3 führen die Kühlmediumzu- 3 und -abführungsstutzen 8 durch die Reaktionsgefäßwandung 9 bzw. durch die Kühlmantelwandung 11, den Kühlmantel 10 und die Reaktionsgefäßwandung 9 ins Freie und binden in ein^f Kühlsystem mit Umwälzpumpe 15> Wärmetauscher 1.6, Sicherheitseinrichtung 17 und Ausgleichsgefäß 18 ein.

Die Kühlelemente sind so ausgeführt, daß sie außerhalb des Reaktionsgefäßes komplett vorgefertigt werden können, durch eine entsprechende Arbeitsöffnung eingelassen und lediglich an den betreffenden Stutzen befestigt und angeschlossen und mit feuerfestem Material 14 hinterfüttert werden müssen.

Claims (11)

217255 Erfindungsanspruch

1. Vorrichtung zum Schutz von Reaktionsgefäßwandungen vor Temperaturüberbeanspruchung bzw. zum Schutz eines innerhalb des Gefäßes angeordneten Kühlmantels vor thermischer Überbeanspruchung infolge willkürlich auftretender, örtlich begrenzter Wärmebelastung mit hohen Temperaturgradienten und des im Reaktionsgefäß ablaufenden Vorgangs vor korrosiver Beanspruchung und störenden Einengungen des Reaktionsquerschnittes durch Anbackungen von im Reaktionsraum vorhandenen Stoffen an der Reaktionswandung, gekennzeichnet dadurch, daß im thermisch gefährdeten Bereich innerhalb des Reaktionsgefäßes Kühlelemente angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kühlelemente hohle Bauteile sind, die in ihrem Inneren in einzelne Kanäle bzw. in eine einzige Kammer aufgegliedert sind und deren Querschnitte rund, oval oder polygon sein können.

3«Vorrichtung nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß die Oberfläche der Kühlelemente strukturiert sein kann und ihre dem Reaktionsraum zugewandte Seite metallisch blank ist.

4· Vorrichtung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß zur oberen und unteren Begrenzung der Kühlelemente rund, ovale und/oder polygone Kühlmittelsammelkanäle (1), die direkt oder über Stege (6) miteinander verbunden sind, angeordnet sind·

5· Vorrichtung nach Punkt 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Schweißnähte der als Flächenelemente

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ausgebildeten Kühlelemente weitestgehend auf der dem Reaktorraum abgewandten Seite angeordnet sind·

6· Vorrichtung nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß als Halterung der Kühlelemente mehrere in ihrer Stellung im gesamten freien Bereich horizontal wie auch radial variierbare Kühlmittelzu- und -abführungen angeordnet sind·

7· Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Kühlelementen und Kühlmantelwandung (11) und auf den seitlichen senkrechten und waagerechten Begrenzungsflächen der Kühlelemente feuerfestes Material (14) angeordnet ist·

8. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kühlelemente eben oder um die horizontale und/oder vertikale Achse gekrümmt ausgebildet sind.

9· Vorrichtung nach Punkt 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß als Abstützung der Kühlelemente gegen die Reaktionsgefäßwandung Rippen angeordnet sein können.

10. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Abführung der in den Kühlelementen anfallenden Wärme ein separates Kühlsystem bestehend aus Umwälzpumpe (15)9 Wärmetauscher (16), Sicherheitseinrichtung (17) und Ausgleichsgefäß (18) angeordnet sein kann·

11. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Herstellung eines Naturumlaufes des Kühlmediums die Kühlmediumzuführungs- (3) und -abführungsstutzen (8) mit dem Kühlmantel (10) verbunden angeordnet sein können·

Hierzu.JL.$eiten Zeichnungen