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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Satz vorgefertigter Rohrbündelreaktor-Baugruppen,
die auf einer Baustelle bzw. am endgültigen Aufstellungsort
zu einem Rohrbündelreaktor zur Durchführung katalytischer
Gas- und/oder Flüssigphasenreaktionen zusammenbaubar sind.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Rohrbündelreaktor
nach dem Oberbegriff von Anspruch 21 und auf eine Anordnung von
Rohrbündelreaktoren nach dem Oberbegriff von Anspruch 30.
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Rohrbündelreaktoren
weisen eine Vielzahl von parallelen, zu einem Rohrbündel
angeordneten Reaktionsrohren auf, in die meist granularer Katalysator
und gegebenenfalls auch Inertmaterial oder verschiedene Kombinationen
bezüglich Anordnung und Zusammensetzung von Katalysator
und Inertmaterial eingefüllt sind. Das Rohrbündel
ist von einem meist zylindrischen Reaktormantel umgeben. Die Enden
der Reaktionsrohre sind offen und an den Rohraußenwänden
abdichtend in Rohrböden festgelegt. Das Reaktionsgasgemisch
(„Feedgas") wird den Reaktionsrohren über eine
den betreffenden Rohrboden überspannende Reaktorhaube zugeführt
und über eine weitere, den anderen Rohrboden überspannende
Reaktorhaube als Produktgasgemisch abgeführt.
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Bei
einem weit verbreiteten System zur Abführung der Reaktionswärme
in einem Rohrbündelreaktor bei exothermen Reaktionen wird
ein flüssiger Wärmeträger, beispielsweise
ein Wärmeträgeröl oder ein Gemisch aus
Nitrat- und Nitritsalzen, mit einer Umwälzeinrichtung um
die Außenseite der Reaktionsrohre im Gleich- oder Gegenstrom
zur Strömung des Reaktionsgasgemisches durch den Reaktor
geführt. Ein solches System hat den Vorteil eines nahezu
drucklosen Betriebs, wodurch die Wandstärken auch bei großen
Reaktoren relativ klein gehalten wer den können. Durch geeignete
Einrichtungen zur Strömungsführung wird eine gute
und gleichmäßige Wärmeabfuhr über
den Reaktorquerschnitt erreicht.
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Ein
anderes System zur Abfuhr der Reaktionswärme ist die Druckflüssigkeitskühlung,
häufig in Form einer Verdampfungskühlung, z. B.
einer Siedewasserkühlung. Das Wärmeträgersystem
wird dabei unter Druck betrieben mit teilweise, vollständig
oder nicht verdampfenden Fluiden im Zwangs- oder Naturumlauf. Das
bevorzugte Fluid ist Wasser. Im Folgenden werden die Begriffe "Siedewasserkühlung"
oder "Siedewasserreaktor" lediglich beispielhaft für "Verdampfungskühlung"
bzw. "Rohrbündelreaktor mit Verdampfungskühlung"
verwendet und sollen keine Einschränkung bedeuten.
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Bei
der Verdampfungskühlung wird die Reaktionswärme
dadurch abgeführt, dass damit ein Teil eines Wärmeträgers
verdampft wird. Das entstehende Flüssigkeits-Dampf-Gemisch
steigt durch seine geringere Dichte nach oben, wird aus dem Reaktor herausgeführt
und in einem Abscheider in eine Flüssigphase und in eine
Dampfphase getrennt. Die Flüssigphase wird dem Reaktor
wieder zurückgeführt, und die Dampfphase kann
direkt ohne weiteren Wärmeträgerkreislauf als
Nutzdampf verwendet werden. Ein wesentlicher Vorteil dieses Systems
liegt darin, dass bei gegebenem konstant gehaltenem Druck überall
im Wärmeträgersystem die gleiche Temperatur herrscht,
solange noch flüssiger Wärmeträger vorliegt
und die Wände der Reaktionsrohre mit diesem in Kontakt
stehen. An der Rohraußenwand gibt es weiterhin einen sehr
guten Wärmeübergang, so dass der Aufwand für
strömungsverbessernde Einbauten zur Gleichverteilung des
Wärmeträgers gering ist. Durch die nur teilweise
Verdampfung des Wärmeträgers wird erreicht, dass
die Wände der Reaktionsrohre ständig in Kontakt
mit flüssigem Wärmeträger stehen und
so lokale Überhitzungen verhindert werden. Verschiedene
Aus führungen dieser Bauart sind beispielsweise in
US 3 518 284 ,
DE 2 013 297 ,
DE 2 123 950 ,
DE 2 420 949 ,
DE 30 28 646 oder
EP 0 532 325 beschrieben.
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Bei
derartigen Rohrbündelreaktoren strebt man aus wirtschaftlichen
Gründen eine möglichst große Kapazität
an, d. h. eine möglichst große Rohranzahl bzw.
ein möglichst großes für die Katalysatorfüllung
nutzbares Rohrvolumen. Bei einigen Reaktortypen sind weiterhin Rohre
mit Längen in der Größenordnung von 10
bis 15 m erforderlich. Die angestrebte Kapazitätsvergrößerung
unterliegt jedoch Beschränkungen bezüglich der
Transportmöglichkeiten. Obgleich mittlerweile schon relativ
leichte Apparate mit Durchmessern von 10 bis 11 m auf dem Landwege
transportiert werden können, ist es in der Regel nicht
oder nur mit unverhältnismäßigem Aufwand möglich,
berohrte Reaktoren mit Durchmessern größer als
4 bis 5 m auf der Schiene oder Straße über längere
Distanzen zu transportieren. Dies liegt einerseits an den begrenzten
Durchfahrtshöhen und/oder -breiten oder den Gewichtsbeschränkungen
von Brücken oder ähnlichem, andererseits auch
am Fehlen ausreichender Hebezeuge am Umlade- und/oder Aufstellungsort.
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Daher
ist es wünschenswert, sehr große oder sehr schwere
Reaktoren in Teilen zur Baustelle bzw. zum Aufstellungsort zu transportieren
und dort zusammenzubauen, und aber auch möglichst kompakte
Rohrbündelreaktoren zu bauen, die als fertig montierte
Rohrbündelreaktoren noch transportfähig sind.
Im ersten Fall ist es wegen der fertigungstechnischen Einschränkungen
auf einer Baustelle anzustreben, die einzelnen Reaktorelemente bezüglich des
Gewichts und der Abmessungen so groß zu machen, wie es
die Einschränkungen für den Transport gerade erlauben.
Dadurch wird die Anzahl der Fügestellen so gering wie möglich
gehalten.
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In
diesem Sinne ist z. B. auch eine Berohrung des Reaktors – d.
h. das Einfädeln der Reaktionsrohre in die Rohrböden
und das abdichtende Verbinden der Reaktionsrohre mit den Rohrböden – erst auf
der Baustelle sehr unwirtschaftlich, zeitraubend und in den meisten
Fällen aus fertigungtechnischen und qualitätssichernden
Gründen nicht durchführbar, wobei damit die abmessungstechnischen
Schwierigkeiten immer noch nicht gelöst wären.
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In
den folgenden Ausführungen wird auf Konstruktionen eingegangen,
die sich mit dem Zusammenbau eines Reaktors beschäftigen.
Im Besonderen sind dies Reaktoren, die zur Montage auf der Baustelle
ausgelegt sind oder bei denen der Reaktor aus abgrenzbaren Baugruppen
zusammengesetzt ist. Desweiteren werden besonders kompakte Reaktoren
beschrieben und Zusammenschaltungen mehrerer kleinerer Reaktoren
zu einer Reaktoreinheit.
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Ein
auf der Baustelle zusammensetzbarer Rohrbündelreaktor ist
z. B. in
DE 25 43 758
C3 beschrieben. Er weist mindestens zwei selbständige Sektoren
mit zugeordneten Rohrbodensektoren, äußeren Mantelabschnitten
und inneren Wandabschnitten sowie darin angeordneten Reaktionsrohren
auf, wobei die jeweiligen Wände der Sektoren durch Abstandshalter
gegeneinander abgestützt sind.
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Die
einzelnen Sektoren eines solchen Rohrbündelreaktors können
noch am Fertigungsort vor dem Transport auf ihre Betriebsfähigkeit
geprüft werden, weil die Reaktionsrohre bereits eingebaut
sind und weil die die Reaktionsrohre umgebenden Wände eine
allseits dicht abgeschlossen Raum bilden. Die Sektoren sowie die
Hauben, die Rohrverbindungen und die Stützen werden erst
am Aufstellungsort zu dem Rohrbündelreaktor miteinander
verbunden, in erster Linie durch Schweißverfahren.
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Diese
Sektorbauweise ist geeignet für den Betrieb mit einem nicht
unter Druck stehenden flüssigen, nicht verdampfenden Wärmeträger.
Der Wärmeträgerraum wird hier praktisch drucklos
betrieben, wodurch die Dicke der Behälterwände
im Wesentlichen nur durch die Eigengewichte und nicht durch den
Innendruck bestimmt wird. Würde man einen solchen Rohrbündelreaktor
als Siedewasserreaktor ausführen, bei dem als Wärmeträger
ein verdampfendes Medium bei erhöhtem Druck eingesetzt
wird, so ergäben sich aus Festigkeitsgründen deutlich
größere Wanddicken für den Reaktormantel.
Ein solcher Reaktor ist für die aus
DE 25 43 758 C3 bekannte Sektorbauweise
ungeeignet. Ein Haupthindernis liegt darin, dass Bauteile mit großen
Wanddicken nach dem Verschweißen wärmebehandelt
werden müssen, um beim Schweißvorgang aufgetretene
Eigenspannungen im Werkstoff abzubauen. Eine lokale Wärmebehandlung
der verbindenden Mantellängsnähte, wie es bei
einem Siedewasser-Rohrbündelreaktor nach
DE 25 43 758 C3 mit mehreren
an die Baustelle gelieferten selbständigen und fertig berohrten
Einheiten erforderlich wäre, ist wegen der thermischen
Differenzdehnungen zwischen Reaktormantel und Reaktionsrohren nicht
möglich.
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Weitere
Nachteile dieser Sektorbauweise sind darin zu sehen, dass die einzelnen
Sektoren über eine Vielzahl von ebenen Wänden
verfügen, die hinsichtlich der Druckkräfte im
Inneren der Sektoren entweder unverhältnismäßig
dick ausgeführt oder aufwändig durch Streben oder
andere Abstützungen verstärkt werden müssen. Überdies
gibt es durch den Innendruck im Sektorinneren an den Übergängen
der einzelnen Wände Spannungsspitzen. Der zentrale Bereich
des Reaktors kann nicht mit Reaktionsrohren besetzt und für
Reaktionen genutzt werden und muss gegen die obere und untere Reaktorhaube
abgedichtet wer den. Die gesamte Konstruktion schafft Dichtungsprobleme
und ist anfällig für Spannungsrisse, insbesondere
beim periodischen Betrieb bzw. bei häufig wechselnden Betriebsbedingungen.
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In
EP 1 210 976 A2 ist
der Zusammenbau eines Rohrbodens eines Rohrbündelapparates
aus mehreren Rohrbodenteilstücken mit Hilfe von mechanischen
Verbindungselementen beschrieben. Die Rohrbodenteilstücke
haben an der Fügestelle zusammen passende Konturen, die
z. B. als Nut und Feder ausgeführt sein können
und mit durch Nut und Feder laufende Bolzen gesichert werden. Zur
Herstellung einer dichten Verbindung werden die Fügestelle
und die Bolzenkontur an beiden Seiten des Rohrbodens verschweißt.
Als wesentliche Vorteile dieser Konstruktion werden kleinere Fertigungsmaschinen,
kürzere Fertigungszeiten und deutlich reduzierter Verzug
im Vergleich zu voll durchgeschweißten Verbindungen genannt.
Die Berührungsstellen einer derartigen Konstruktion bedürfen
einer sorgfältigen Vorbereitung. Ist das Spiel einer Nut-und-Feder-Verbindung
zu groß, so wird die Kraftübertragung von Rohrbodenteilstück
zu Rohrbodenteilstück vermindert. Ist das Spiel zu klein,
so klemmt es und die Teilstücke können nicht zusammengesetzt
werden. Die Bohrungen für die Verbindungsbolzen können erst
nach dem Zusammensetzen hergestellt werden. Die Gegenkonturen von
Kanten müssen mit Rücksprüngen versehen
werden, damit die Kanten nicht klemmen. Die Rohre können
erst nach Fertigstellung der Verbindung eingeführt und
im Rohrboden befestigt werden. Das Fertigungsverfahren kann somit überhaupt
nur im Fertigungsbetrieb durchgeführt werden. Ein Zusammensetzen
der Rohrbodenteilstücke auf der Baustelle ist wenig sinnvoll.
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In
DE 1 667 187 C ist
ein Festbett-Hochdruckreaktor für exotherme katalytische
Reaktionen mit mehrmaliger Zwischenkühlung zwischen mehreren
Katalysatorbetten beschrieben. Das be sondere Merkmal dieses Reaktors
ist ein unterteilter, mittig im Reaktor angeordneter Rohrbündelverdampfer
als Kühler. Dieser ist mit seiner Rohrplatte auf der Reaktorhaube
vorzugsweise herausziehbar befestigt. Nach Durchlauf durch den Reaktor
tritt das Produktgas durch eine mittige Öffnung im Rohrboden
des ersten inneren Wärmetauschers und einen anschließenden
Stutzen aus dem Reaktor aus. Der Durchmesser dieser Reaktorbauart
ist durch die erforderlichen großen Wandstärken,
erforderlich wegen der verfahrensbedingt hohen Drücke,
begrenzt. Ein Reaktor im Ausführungsbeispiel mit einem
Innendurchmesser von 2,2 m wird in dieser Hinsicht etwa die Obergrenze
darstellen. Bei noch größeren Durchmessern ist
auch eine ebene Platte als Reaktorhaube wegen der erforderlichen
großen Dicke nicht mehr ausführbar, schon gar
nicht, wenn die Reaktorhaube, unabhängig von ihrer Form,
durch eine Vielzahl von Durchführungen für Wärmetauscher-Rohrbündel
verschwächt wird. Darüber hinaus wird eine lösbare Flanschverbindung
bei größeren Durchmessern wegen der Größe
der erforderlichen Flansche und Schrauben immer problematischer.
Bei größeren Durchmessern ist weiterhin die Art
und Weise der Gewichtskraftübertragung der Katalysatorbett-Wärmetauscher-Kombination
auf den Reaktormantel nicht gelöst. Ein kleiner Vorsprung
innerhalb des Reaktormantels als Auflager, wie im Ausführungsbeispiel
gezeigt, und ebenso die dünne Tragplatte an der Oberseite
der Katalysatorbett-Wärmetauscher-Kombination wird die
festigkeitsmäßigen Anforderungen nicht erfüllen.
Die vorgestellte Konstruktion ist für große Reaktordurchmesser
zur Endmontage auf der Baustelle nicht geeignet.
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Die
DE 28 16 062 A1 beschreibt
einen Methanisierungsreaktor mit einer im Reaktormantel eingehängten
Festbett-Wärmetauscher-Kombination. Die Kühlung
des Reaktionsgases erfolgt hier ausschließlich durch das
eintretende kühle Feedgas. Dabei wird die gesamte Gewichtskraft
der Festbett-Wärmetau scher-Kombination von einer oberen
Tragplatte aufgenommen. Die Tragplatte ist auf dem oberen Ende des
zylindrischen Reaktormantels aufgelagert und dort verschraubt. Die
obere Reaktorhaube ist mit einer Schraubverbindung lösbar
mit dem Reaktormantel verbunden. Das Produktgas wird mit einer Austrittsleitung
aus dem Reaktor geführt, die mit einer Stopfbuchse zum
Reaktormantel abgedichtet ist. Eine Kompensation der unterschiedlichen
Längenausdehnungen des kalten Reaktormantels und der heißen
Festbett-Wärmetauscher-Kombination ist nicht vorgesehen.
Es ist denkbar, die vorgestellte Konstruktion in ihre Hauptelemente
Reaktormantel mit unterer Reaktorhaube, Festbett-Wärmetauscher-Kombination
und obere Reaktorhaube zu zerlegen und diese separat zum Aufstellungsort
zu transportieren und dort zusammenzubauen. Die vorgestellte Konstruktion
ist jedoch aus ähnlichen Gründen wie der aus
DE 1 667 187 C bekannte
Festbett-Hochdruckreaktor in ihrem Durchmesser begrenzt, so dass
hier ein Transport der Einzelteile zur Baustelle und ein Zusammenbau
des Reaktors erst dort nicht erforderlich ist. Weiterhin verfügt
der Reaktor nur über einen Druckraum, so dass sich das
Konstruktionsprinzip nicht für einen Rohrbündelreaktor mit
getrennten Reaktions- und Wärmeträgerräumen eignet.
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Ferner
sind Rohrbündelreaktoren mit herausnehmbarem Rohrbündel
bekannt, das nach dem Schwimmkopfprinzip gelagert ist. Bei dem Schwimmkopfprinzip
ist der Rohrboden eines Rohrbündelendes starr mit dem Apparatemantel
verbunden und der andere Rohrboden mehr oder weniger frei beweglich. Dabei
kann das Rohrbündel senkrecht stehend oder hängend
angeordnet sein oder waagerecht als liegende Ausführung.
Eine Vielzahl von Varianten dieses Konstruktionsprinzips ist in
einschlägigen Regelwerken wie z. B. ASME, AD2000 oder TEMA
beschrieben. Die Varianten beschäftigen sich in erster Linie
mit der Art und Weise, in welcher das rohrseitige Fluid aus dem
Rohrbündel wieder heraus geführt wird. Bei einem
freien Schwimmkopf wird das rohrseitige Fluid am Rohrende umgelenkt
und strömt in entgegengesetzter Richtung wieder zurück.
Das rohrseitige Fluid hat beim Rücklauf meistens eine andere
Temperatur als beim Zulauf, so dass in der Rücklaufleitung
eine Längenkompensation vorgesehen werden muss. Eine Ausnahme
bildet die Ausführung als U-Rohrbündel, bei dem
die Längenkompensation durch die Rohre selbst erfolgt.
Das rohrseitige Fluid kann jedoch auch in gleicher Richtung durch eine
Austrittsleitung weitergeführt werden, die durch den Apparatemantel
am anderen Ende herausführt. Gerade in diesem Fall muss
eine Längenkompensation an einer geeigneten Stelle vorgesehen
werden.
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In
DE 27 58 131 wird ein Rohrbündelreaktor beschrieben,
der vorzugsweise für endotherme Prozesse verwendet wird.
Beispielsweise dient als Wärmeträger Heizgas,
welches mit ring- und scheibenförmigen Umlenkblechen um
die Reaktionsrohre herum geführt wird. Das Rohrbündel
ist als stehendes Rohrbündel mit Schwimmkopf ausgeführt.
In die Verbindungsleitung zwischen Schwimmkopf und oberer Reaktorhaube
ist ein Kompensator eingebaut. Die Verbindungsleitung endet an einem
Flansch in der oberen Reaktorhaube. An diesen Flansch schließt sich
eine Reaktoraustrittsleitung an. Ebenso ist die obere Reaktorhaube
mit einer Flanschverbindung an den zylindrischen Reaktormantel angeschlossen.
An den unteren Rohrboden ist eine eigene Rohrbodenhaube angschlossen.
Von der unteren Rohrbodenhaube führt eine untere Verbindungsleitung
zum Austrittsstutzen der unteren Reaktorhaube, mit der sie am Ende
verschweißt ist. Zum Austausch des Rohrbündels
wird zunächst die obere Reaktoraustrittsleitung und die
obere Reaktorhaube abgeschraubt. Dann wird die geschweißte
Anbindung der unteren Verbindungsleitung aufgetrennt, und das Rohrbündel kann
nach oben herausgezogen werden. Nach Durchführung der Wartungs-
oder Reparaturarbeiten wird der Reaktor in umgekehrter Rei henfolge
wieder zusammengesetzt. Obgleich der beschriebene Reaktor relativ
einfach zu demontieren ist, bestehen die grundsätzlichen
Nachteile einer Schwimmkopfausführung. Die Rohrseite des
Reaktors ist nicht direkt zur Umgebung sondern zum zweiten Druckraum
hin abgedichtet. Damit ergeben sich zwangsläufig eine deutlich
aufwändigere Konstruktion und eine zusätzliche
Beanspruchung der inneren Druckhülle aus dem umgebenden
Medium und dessen Druck und Temperatur.
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Ein
Rohrbündelreaktor mit Schwimmkopf in hängender
Bauweise ist aus
US
5 006 131 B bekannt. Er ist Teil eines dort beschriebenen
Reaktorsystems. An den Rand des oberen Rohrbodens ist eine obere
Reaktorhaube mit Gasaustrittsstutzen angeschlossen. An der oberen
Reaktorhaube befindet sich weiterhin ein Mannlochstutzen. Nach unten
hin ist an dem Rand des oberen Rohrbodens ein zylindrischer Mantel
angeschlossen, der an seinem unteren Ende in eine untere Reaktorhaube übergeht.
Die Reaktionsrohre münden an ihrem unteren Ende in einem
Schwimmkopf, der aus einem unteren Rohrboden mit unterer Rohrbodenhaube
besteht. Aus der unteren Rohrbodenhaube führt eine Austrittsleitung durch
die untere Reaktorhaube aus dem Reaktor heraus. Die Austrittsleitung
ist mittels eines außerhalb des Reaktors befindlichen Kompensators
mit der unteren Reaktorhaube verbunden. Ein Wärmeträger wird
an einer Reaktorseite eingeführt und an der anderen wieder
herausgeführt. Ring- und scheibenförmige Umlenkbleche
führen ihn beim Durchgang durch den Reaktor immer senkrecht
zu den Rohren, um den Wärmeübergang zu verbessern.
Für eine Endmontage am Aufstellungsort ist dieser Reaktortyp
nicht geeignet, da mehrere dicke Bleche miteinander verschweißt
werden müssen. Die bevorzugte Rohranzahl ist gering und
wird in der
US 5 006
131 B mit 250 und 1000 Rohren angegeben. Im Übrigen gelten
die Ausführungen wie bei
DE 1 667 187 C bezüglich der Problematik
großer Reaktor durchmesser und wie bei
DE 27 58 131 bezüglich den
Nachteilen einer Schwimmkopfkonstruktion.
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Die
DT 25 13 499 A1 beschreibt
einen mit Wärmekonvektion arbeitenden Reformierofen und ein
mit diesem Ofen versehenes System, mit dem wasserstoffreiches Gas
oder Synthesegas erzeugt wird. Der Reformierofen bzw. Reaktor kann
grundsätzlich noch für viele andere Anwendungen
eingesetzt werden. In der beschriebenen Ausführung besitzt
der Reformierofen, im Weiteren als Reaktor bezeichnet, einen mehrteiligen
Rohrboden, an dem ein Bündel aus Reaktionsrohren befestigt
ist. Die Reaktionsrohre münden an ihren unteren Enden in
ein Zentralrohr, welches durch den Rohrboden nach oben und im Weiteren
durch die obere Reaktorhaube aus dem Reaktor herausführt.
Der Rohrboden mit den daran hängenden Reaktionsrohren hängt
radial innen mit einer starken Schweißverbindung an dem
Zentralrohr, durch welches das Produktgas den Reaktor verlässt,
und an seinem äußeren Umfangsrand durch ein langgestrecktes
Tragteil am unteren Teil der oberen Reaktorhaube. Das langgestreckte
Tragteil ist relativ elastisch und vermag unterschiedliche radiale Ausdehnungen
von zylindrischem Mantelteil, oberer Reaktorhaube und oberem Rohrboden
auszugleichen. Solche Bewegungen sollen vermindert werden durch
eine Isolationsschicht innerhalb des mehrteiligen oberen Rohrbodens.
Die obere Reaktorhaube ist an den zylindrischen Reaktorhauptteil
angeflanscht, so dass das Herausziehen der oberen Reaktorhaube samt
Rohrboden und Reaktionsrohren aus dem Reaktor leicht möglich
ist. Die hier beschriebene Konstruktion ist nur für kleine
und mittlere Reaktordurchmesser möglich, da das gesamte
Rohrbündel in erster Linie an dem Zentralrohr hängt.
Das langgestreckte Tragteil zwischen Rohrboden und oberer Reaktorhaube
vermag nur geringe Kräfte aufzunehmen. Ein getrennter Transport
und ein Zusammenfügen einzelner Reaktorgruppen auf der
Baustelle wären denkbar, doch ist ein Befüllen
und vor allem Wiederentleeren der Rohre mit granularem Katalysator schwierig,
wenn überhaupt vollständig möglich.
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Eine
Konstruktion mit mehrfacher Längenkompensation ist aus
EP 1 048 343 A2 bekannt.
Es wird ein Rohrbündelreaktor beschrieben, dessen Reaktionsrohre
an ihren oberen Enden einzeln über Kompensatoren an einem
oberen Rohrboden befestigt sind. Die unteren Enden der Reaktionsrohre
sind fest mit einem unteren Rohrboden verbunden. Der untere Rohrboden
ist mit einer Haube umschlossen, an die sich ein Stutzen anschließt.
Dieser Stutzen ist über einen noch im Inneren des Reaktors
gelegenen Kompensator an den unteren Reaktoraustrittsstutzen angeschlossen.
Der Anschluss eines einzelnen Reaktionsrohrs an einen Rohrboden
mit Hilfe eines Kompensators stellt hohe Anforderungen an die Schweißung.
Solche Arbeiten können nur sinnvoll in einem Fertigungsbetrieb
durchgeführt werden. Eine Fertigung am Aufstellungsort
ist praktisch ausgeschlossen. Eine Teilung des Rohrbündels
mit angeschlossenen Rohrböden ist ebenfalls problematisch, da
die Kompensatoren äußerst empfindlich sind und beim
Transport beschädigt werden könnten.
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In
dem Bestreben, eine kompakte Reaktoreinheit zu schaffen, wurde z.
B. in
EP 1 590 076
A1 die Möglichkeit vorgeschlagen, bei einem Rohrbündelreaktor
mit teilweiser Verdampfung des Wärmeträgers den
eintretenden Wärmeträger über innenliegende
Ringkanäle gleichmäßig über
den Reaktorumfang zu verteilen. Dadurch wird die Zahl von Rohrleitungen
außerhalb des Reaktors auf ein Minimum reduziert. Trotzdem
sind radial am Umfang des Reaktormantels angeordnete Stutzen notwenig,
die die Gesamtabmessungen des Reaktors für den Transport
vergrößern. Zur Zerlegung in mehrere Baugruppen
und zum Transport derselben ist dieser Reaktortyp jedoch nicht geeignet.
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In
DT 1 542 494 C3 ist
ein Rohrbündelreaktor mit flüssigem Salz als Wärmeträger
beschrieben. Der Wärmeträger gibt seine im Rohrbündelreaktor
aufgenommene Wärme über seitlich herauslaufende
Rohre in einem außerhalb des Reaktors angeordneten Wärmetauscher,
beispielsweise in der Ausführung eines Dampferzeugers,
ab und wird wieder in den Reaktor zurückgeführt.
Ein besonderes Merkmal dieses Rohrbündelreaktors ist die
Anordnung der Reaktionsrohre in mehreren Rohrbündelsektoren,
zwischen denen sich rohrfreie Gassen befinden. Eine Gasse ist gegenüber
den anderen etwas breiter ausgebildet und dient zusätzlich
zur Aufnahme einer Zulaufleitung zum Wärmetauscher und
einer Rücklaufleitung vom Wärmetauscher. Zentral
im Rohrbündelreaktor ist ein Leitrohr mit eingebautem Propeller
angeordnet, der von einem Elektromotor angetrieben wird. Von dem
vom Propeller abwärts geförderten Wärmeträger
gelangt der größte Teil in den Raum zwischen unterem
Rohrboden und einer darüber befindlichen Drosselscheibe
und wird mit Hilfe der Gassen und der Drosselscheibe gleichmäßig über
den gesamten Reaktorquerschnitt verteilt. Diese Hauptmenge strömt
dann die Reaktionsrohre umspülend aufwärts und
fließt nach Durchtritt durch eine obere Drosselscheibe
wieder oben in das Leitrohr ein. Die Restmenge des Wärmeträgers
gelangt durch eine Zulaufleitung zum Wärmetauscher, gibt
dort die aufgenommene Wärme ab und strömt über
eine Rücklaufleitung wieder zum Rohrbündelreaktor
in den Einlauf des zentralen Leitrohrs zurück. Bemerkenswerte
Einzelheit dieser Konstuktion ist die Verteilung bzw. Sammlung des
Wärmeträgers zentral im Inneren des Reaktors,
wodurch aufwändige Verteileinrichtungen wie Ringkanäle
und besonders gestaltete Eintrittfenster in das Reaktorinnere entfallen.
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WO 2004/004884 A1 schlägt
ein Reaktorsystem bzw. eine Reaktoranordnung vor, in dem bzw. in
der mehrere Reaktoreinheiten parallel wie ein einziger Reaktor unter
Verzicht auf indivi duelle Mess- und Regeleinrichtungen betrieben
werden. Die Reaktoreinheiten werden mit einem gemeinsamen Wärmeträgersystem
betrieben, welches bevorzugt mit Siedewasserkühlung im
Naturumlaufverfahren arbeitet. Das Reaktionsgas wird über
ein oder mehr Leitungen zwei oder mehr Reaktoreinheiten zugeführt. Es
sind ein oder mehrere gemeinsame Produktentnahmen vorhanden. Bevorzugt
werden Rohrbündelreaktoren mit katalysatorgefüllten
Reaktionsrohren verwendet. Das vorgestellte Reaktorsystem bietet eine
Lösungsmöglichkeit an, um die Leistungsfähigkeit
eines sehr großen Reaktors zu erreichen und für dessen
Montage die Transportfähigkeit der Einzelreaktoren zu nutzen.
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Grundsätzlich
ist das Parallelschalten von mehreren kleineren Einheiten zu einer
größeren Einheit in der Verfahrenstechnik ein
weitverbreitet eingesetztes Mittel. Nachteil dieser Betriebsweise
ist in der Regel die Notwendigkeit von aufwändigen Verteil- und
Sammlersystemen und den entsprechenden Stutzen für die
Zu- und Ableitung der Reaktionsgase und der Wärmeträgerfluide
zu den einzelnen Einheiten. Weiterhin benötigt jede der
kleineren Einheiten eigene Möglichkeiten für die
innere Zugänglichkeit, um z. B. Katalysator zu wechseln.
Zudem ist mit der Parallelschaltung ein kostenintensiver Mehraufwand bei
z. B. den Abstützungen der Einheiten, der gegenseitigen
Kompensation von Wärmedehnungen, der Isolierung, dem Platzbedarf
und den umgebenden Stahlbauten verbunden.
WO 2004/004884 A1 gibt
jedoch keinerlei Maßnahmen an, die den Mehraufwand der
Parallelschaltung minimieren, um zu wirtschaftlichen Lösungen
zu gelangen.
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Bei
großtechnischen chemischen Produktionsanlagen soll aus
wirtschaftlichen Gründen häufig eine große
Rohrbündelreaktoreinheit mit möglichst vielen
Reaktionsrohren eingesetzt werden. Große Rohrbündelreaktoren überschreiten
jedoch hinsicht lich Abmessungen und/oder Gewicht die Grenzen der
Transportfähigkeit. Die aus dem Stand der Technik bekannten
Konstruktionen zur Ausbildung von Baugruppen sind für Rohrbündelreaktoren
mit Druckflüssigkeitskühlung nicht geeignet. Darüber
hinaus ist es ebenfalls aus Transport- aber auch aus Montagegründen
wünschenswert, dass solche Rohrbündelreaktoren
bzw. -reaktoranordnungen an sich kompakt ausgebildet sind und möglichst
wenig Zubehöreinrichtungen benötigen.
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Von
daher liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Rohrbündelreaktoreinheit
mit Druckflüssigkeitskühlung und großer
Kapazität für katalytische Gas- und/oder Flüssigphasenreaktionen
bereit zu stellen, die in ihrer Kapazität nicht durch Transport-
und/oder Montageprobleme begrenzt ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch einen Satz vorgefertigter Rohrbündelreaktor-Baugruppen
gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Die
Aufgabe wird bei einem Rohrbündelreaktor der eingangs genannten
Art auch durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 21 gelöst.
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Ferner
wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art die Aufgabe
auch durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 30 gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind
druckflüssigkeitsgekühlte Rohrbündelreaktoreinheiten
transportabel, die größere Kapazitäten
aufweisen als die bisher aufgrund ihrer Abmessungen und/oder Gewichte
transportierbaren Rohrbündelreak toreinheiten, und können
unter Baustellenbedingungen bei Einhaltung von Qualitätsanforderungen montiert
werden, die einer kompletten werkseitigen Fertigung und Montage
entsprechen.
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Unter
Baustellenbedingungen ist im Rahmen dieser Erfindung zu verstehen,
dass das Schweißen von dicken Blechen, wie z. B. von Rohrböden,
mit Wandstärken größer 38 mm nicht möglich
ist, da solche Bleche nach den derzeit gültigen Vorschriften wärmebehandelt
werden müssen. Da z. B. in die Rohrböden jedoch
die Reaktionsrohre bereits eingeführt und verschweißt
sind, ist eine Wärmebehandlung der Rohrböden nicht
möglich.
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Ein
erfindungsgemäßer Satz vorgefertigter Rohrbündelreaktor-Baugruppen
weist für das Rohrbündel und die daran befestigten
Rohrböden ausschließlich Baugruppen auf, die von
dem Reaktormantel und den Reaktorhauben getrennt sind. Das heißt,
der Reaktormantel und die Reaktorhauben bilden Baugruppen, die keinerlei
Teile des Rohrbündels und der Rohrböden enthalten.
Auf diese Weise ist es möglich, den Reaktormantel und die
Reaktorhauben erforderlichenfalls auf der Baustelle zunächst
für sich aus Unterbaugruppen zusammenzusetzen, ohne dass
durch erforderliche Montageschweißnähte am Reaktormantel
und den Reaktorhauben das Rohrbündel und die Rohrböden
in Mitleidenschaft gezogen werden. Denn der Reaktormantel und die
Reaktorhauben weisen in der Regel solche Dicken auf, dass sie nach
dem Schweißen wärmebehandelt werden müssen.
Angrenzende oder dicht benachbarte Rohrböden würden
durch die thermische Belastung verformt werden und müssten
ihrerseits wieder wärmebehandelt werden, was jedoch auf
der Baustelle nicht möglich ist oder wirtschaftlich nicht
zu vertreten ist.
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Dabei
bilden Reaktormantel und eine Reaktorhaube, beispielsweise die untere
Reaktorhaube, mindestens eine Mantel/Hauben-Baugruppe und die andere
Reaktorhaube, beispielsweise die obere Reaktorhaube, mindestens
eine Hauben-Baugruppe. Mindestens eine dieser Baugruppen weist für
die mindestens eine bzw. für jede Rohrbündel-Baugruppe
Unterstützungseinrichtungen auf, die die Rohrbündel-Baugruppe(n)
vertikal abstützen, ohne dass die Verbindung Rohrbündel
bzw. Rohrboden mit Reaktormantel und Reaktorhauben irgendeine nachträgliche
Wärmebehandlung der verbundenen Bauteile erfordert. Bevorzugte
Ausgestaltungen der Rohrbündel-Baugruppen bzw. -Unterbaugruppen sind
in den Unteransprüchen 2 bis 6 sowie in 4 angegeben
bzw. dargestellt. Beispiele für konstruktive Ausgestaltungen
solcher Verbindungen bzw. vertikalen Abstützungen sind
in den Unteransprüchen 7 bis 12 und 14 bis 17 sowie in
den 2a–2d, 5a+5b und 6a–6d angegeben bzw.
dargestellt.
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Darüber
hinaus sind erfindungsgemäß die mindestens eine
Mantel/Hauben-Baugruppe und/oder die Rohrböden mit Dichtungseinrichtungen versehen,
die im zusammengesetzten Zustand der Baugruppen auf der den Reaktionsrohren
abgewandten Seiten der Rohrböden und/oder an deren Umfangsrändern
am Reaktormantel bzw. an den Rohrböden druckdicht befestigbar
sind, wobei die Dichtungseinrichtungen aufgrund ihrer Ausbildung und
Anordnung zum einen druckdicht und zum anderen ohne nachträgliche
Wärmebehandlung der Rohrböden befestigbar sind.
Beispiele für konstruktive Ausgestaltungen solcher Dichtungseinrichtungen sind
in den Ansprüchen 18 bis 20 und in den 2a-2d und 3a–3d angegeben
bzw. dargestellt. Auf diese Weise kann unter Baustellenbedingungen
nach dem Einsetzen der Rohrbündel-Baugruppe(n) in die Mantel/Hauben-Baugruppe ein
Druckbehälter bzw. -raum zwischen Rohrböden und
Reaktormantel und damit auch ein zweiter Druckraum zwischen den
Rohrböden, den Reaktorhauben und den Reaktionsrohren ausgebildet
werden. Es sind somit zwei direkt zur Umgebung abgedichtete Druckräume
vorhanden, wodurch eine Schwimmkopf-Lösung und der damit
verbundene erhebliche Aufwand vermieden wird.
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Im
zusammengesetzten Zustand aller Baugruppen kann der Abstand der
Trennfuge, d. h. der Montageschweißnaht, zwischen der Mantel/Hauben- und
der Hauben-Baugruppe zum nächstliegenden Rohrboden gegenüber
konventionellen Bauarten geringer sein, da die Dichtungseinrichtungen
die thermischen Belastungen, die bei der Wärmebehandlung der
Montageschweißnaht auftreten, nur in geringem Maße
auf den Rohrboden übertragen können.
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Die
Rohrbündel-Baugruppen sind auf Unterstützungseinrichtungen
vertikal gestützt, die am Reaktormantel angebracht sind,
und/oder liegen auf Unterstützungseinrichtungen auf, die
beispielsweise als radial verlaufende Rippen oder zentraler Auflagerring ausgebildet
sind, wobei die Rippen längs der Teilungsränder
der Rohrbündel-Baugruppen oder im Innenbereich von deren
Rohrbodenabschnitten verlaufen können. Die Rohrbündel-Baugruppen
können an ihrem unteren und/oder oberen Rohrbodenabschnitt abgestützt
sein. Es ist auch denkbar, dass die Rohrbodenabschnitte an ihren
Teilungsrändern vertikale Flansche aufweisen, die miteinander
kräfte- und momentensteif verschraubt sind. In jedem Fall
sind die Rohrbodenabschnitte der Rohrbündel-Baugruppen lediglich
durch Montage-Dichtungsschweißnähte miteinander
oder mit der Unterstützungseinrichtung verschweißt,
sodass eine Wärmebehandlung der Rohrbodenabschnitte nach
deren Verschweißen nicht erforderlich ist.
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Ein
erfindungsgemäßer Satz vorgefertigter Rohrbündelreaktor-Baugruppen
ist somit unter Baustellenbedingungen zu einem Rohrbündelreaktor
zusammenfügbar, der die Qualitätsstandards bezüglich Schweißtechnik,
Prozesstechnik und Handhabung eines vollständig werkseitig
montierten Rohrbündelreaktors erfüllt.
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Die
Baugruppen des Rohrbündelreaktors können dabei
auch an unterschiedlichen Standorten hergestellt und anschließend
getrennt zur Baustelle transportiert werden.
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Als
wesentliche Montageschritte werden zunächst eventuelle
Mantelschüsse bzw. -Baugruppen und die untere Haube auf
der Baustelle miteinander verschweißt und wärmebehandelt.
Danach werden einzeln die Rohrbündel-Baugruppen in den
Reaktormantel eingeführt und miteinander und mit dem Reaktormantel
verbunden. Abschließend wird die obere Haube an den Reaktormantel
angeschlossen. Hier ist ein Schweißen und Wärmebehandeln
der entsprechenden Schweißnähte problemlos möglich,
da der obere Rohrboden keinen direkten Kontakt zu dieser Montageschweißnaht
hat.
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Nachfolgend
werden die Fertigungs- und Montageschritte eines erfindungsgemäßen
Satzes vorgefertigter Rohrbündelreaktor-Baugruppen detaillierter
beschrieben.
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Werkseitig
können beispielsweise folgende Baugruppen montagefertig,
d. h. fertig geschweißt und wärmebehandelt, vorbereitet
sein:
- – mehrere Rohrbündel-Baugruppen,
deren Reaktionsrohre an ihren Enden in die zugehörigen Rohrbodenabschnitte
eingeschweißt sind, wobei die unteren und/oder oberen Rohrbodenabschnitte
Dichtungseinrichtungen zum Anschluss an den Reaktormantel aufweisen;
- – untere Reaktorhaube mit Stutzen, Standzargenanschluss,
zylindrischem Anschlussstück, Rohrbodenunterstützungen
(z. B. Rippen), Auflagerring für Rohrbodenabschnitte bzw.
-Teilstücke, Wärmeträgerzuleitung;
- – mehrere Baugruppen (Schüsse) des Reaktormantels,
teils mit Dichtungseinrichtungen zum Anschluss an einen Rohrboden;
- – obere Reaktorhaube mit Stutzen;
- – Dampfaustrittsrohr mit Kompensator;
- – Standzargenunterteil.
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Sämtliche
werkseitig montagefertig vorbereiteten Baugruppen werden zur Baustelle
transportiert. Dort wird beispielsweise in folgenden Schritten montiert:
- – Der erste Mantelschuss wird mit
der unteren Reaktorhaube in horizontaler Ausrichtung verschweißt.
- – Nacheinander werden die weiteren Mantelschüsse
in gleicher Ausrichtung montiert und verschweißt.
- – Das Standzargenunterteil wird an den Standzargenanschluss
der nun fertiggestellten, noch liegenden Mantel/Hauben-Baugruppe
montiert und verschweißt.
- – Die Mantel/Haubenbaugruppe mit angeschlossenem Standzargenunterteil
wird als Ganzes komplett wärmebehandelt.
- – Die Mantel/Hauben-Baugruppe mit Standzarge wird auf
einem Fundament vertikal aufgestellt und befestigt.
- – Die einzelnen Rohrbündel-Baugruppen werden in
den Reaktormantel und die untere Reaktorhaube eingeführt
und auf die Unterstützungseinrichtungen aufgelegt.
- – Die einzelnen Rohrbündel-Baugruppen werden mit
dem Reaktormantel und mit der Wärmeträgerzulaufleitung
sowie untereinander druckdicht verschweißt.
- – Die Dampfaustrittsleitung einschließlich
Kompensator wird im oberen Rohrboden montiert und verschweißt.
- – Die obere Reaktorhaube wird mit dem obersten Mantelschuss
und der Dampfaustrittsleitung verschweißt und anschließend
wärmebehandelt.
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Die
Reihenfolge der einzelnen Montageschritte kann in Abhängigkeit
von den örtlichen Gegebenheiten und speziellen Anforderungen
vertauscht werden.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe, transportable Rohrbündelreaktoren mit großer
Kapazität bereitzustellen, auch dadurch gelöst,
dass ein Rohrbündelreaktor bei gleicher Kapazität
wie bekannte transportable Reaktoren kompakter ausgebildet ist, sodass
er andererseits bei gleichen Abmessungen wie solche bekannte Reaktoren
eine größere Kapazität aufweist. Erfindungsgemäß wird
dies nach Anspruch 21 dadurch erreicht, dass mindestens ein Rohr
für die Zuleitung und/oder für die Ableitung des Wärmeträgers
sich in axialer Richtung durch einen Rohrboden hindurch erstreckt.
Dadurch ist ein Zu- und/oder ein Ableitungsrohr in radialer Richtung durch
den Reaktormantel hindurch nicht mehr erforderlich, sodass sich
die radialen Abmessungen des Rohrbündelreaktors wesentlich
verringern.
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Soll
die Kapazität eines solchen Rohrbündelreaktors
soweit vergrößert werden, dass er als werkseitig
fertig montierter Reaktor nicht mehr transportfähig wäre,
so ist er aufgrund seiner erfindungsgemäßen Ausbildung
besonders zur Aufteilung in einen erfindungsgemäßen
Satz vorgefertigter Rohrbündelreaktor-Baugruppen geeignet,
da die die Rohrböden durchlaufenden Zu- oder Ableitungsrohre gleichzeitig
als vertikale Unterstützungseinrichtungen für
Rohrbündel-Baugruppen ausgebildet werden können.
Hierzu wird auf die vorstehende Beschreibung der vertikalen Abstützung
der Rohrbündel-Baugruppen Bezug genommen.
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Die
auf der Baustelle fertig zusammengefügten Rohrbündel-Baugruppen
bilden eine gemeinsame Funktionseinheit, die von einem gemeinsamen Wärmeträgerraum
umgeben ist. Vorzugsweise wird der in den Mantelraum eintretende
flüssige Wärmeträger durch rohrfreie
Gassen gleichmäßig verteilt und/oder gesammelt,
die besonders bevorzugt sternförmig von den Zu- und/oder
Ableitungsrohren für den Wärmeträger
aus verlaufen. Weitere Maßnahmen zur Verteilung des in
den Mantelraum des Reaktors eintretenden flüssigen Wärmeträgers
können wie im Stand der Technik bekannt ausgeführt
werden.
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Darüber
hinaus kann bei einem zumindest teilweise verdampfenden Wärmeträger
ein sich durch den oberen Rohrboden hindurch erstreckendes Ableitungsrohr
für das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch ohne weiteres
als Abstützung für eine über der oberen
Reaktorhaube angeordnete Dampftrommel ausgebildet sein. Hierdurch
wird der Bauraum für die Dampftrommel reduziert, da eine
Abstützung auf der Außenseite des Reaktormantels
nicht erforderlich ist.
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In
bevorzugten Ausführungsformen kann dabei nur ein Zu- und/oder
Ableitungsrohr zentral angeordnet sein, oder es können
zwei oder mehrere Zu- und/oder Ableitungsrohre symmetrisch zur Reaktorachse
dezentral angeordnet sein. In jedem Fall können sie als
Unterstützungseinrichtungen für die Rohrbündel-Baugruppen
ausgebildet sein.
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Bei
einer Anordnung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe, eine
transportable Rohrbündelreaktoreinheit mit großer
Kapazität zur Verfügung zu stellen, erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 30 gelöst. Dadurch,
dass die Gaseintritts- und die Gasaustrittshauben benachbarter Rohrbündelreaktoren
jeweils über kurze Rohrleitungen miteinander verbunden
sind, ist nicht für jeden Rohrbündelreaktor eine
eigene externe Gaszuführungs- und Gasabführungsleitung
notwendig. Auf diese Weise können die Rohrbündelreaktoren äußerst
dicht nebeneinander gestellt werden. Darüber hinaus ist über
den oberen Reaktorhauben eine gemeinsame Dampftrommel angeordnet, die
mit jedem Rohrbündelreaktor d. h. mit deren jeweiligem
Druckbehälter für den Wärmeträger,
in Strömungsverbindung steht. Insgesamt benötigt
die Anordnung durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen seitlich
neben den Rohrbün delreaktoren, d. h. in horizontaler Richtung,
deutlich weniger Bauraum als bekannte Anordnungen von Rohrbündelreaktoren.
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Die
einzelnen Rohrbündelreaktoren können hinsichtlich
ihrer Abmessungen und Gewichte jeweils so ausgelegt sein, dass sie
als werkseitig komplett montierter Rohrbündelreaktor noch
transportabel sind. Auf der Baustelle werden sie zu der erfindungsgemäßen
Anordnung zusammengesetzt und bilden so im Verbund eine Reaktoreinheit
mit großer Kapazität.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Gaszu- und
die Gasableitungsrohre sowie die kurzen Rohrleitungen zwischen den
Reaktorhauben eine Querschnittsgröße auf, die
der eines Mannloches entspricht. Auf diese Weise ist die Begehbarkeit der
Reaktorhauben zu Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten gewährleistet,
ohne dass jede Reaktorhaube mit einem eigenen Zugangsstutzen versehen
sein muss.
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Vorteilhafterweise
ist die Dampftrommel mit jedem Rohrbündelreaktor über
mindestens eine Steigleitung und über Fallleitungen verbunden.
Die Steigleitungen dienen dabei wieder als Abstützungen für
die Dampftrommel. Über die Fallleitungen kann der flüssige
Wärmeträger aus der Dampftrommel den Rohrbündelreaktoren
direkt wieder zugeführt werden.
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In
günstiger Weiterbildung der Erfindung sind sämtliche
Rohrbündelreaktoren zu einer mechanischen Einheit aneinander
befestigt und stehen sie auf einer gemeinsamen Unterkonstruktion.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform sind sämtliche
Rohrbündelreaktoren von einer gemeinsamen Isolierhülle
umgeben. Mit diesen Maßnahmen kann der Aufwand für
die Befestigung und Lagerung sowie Isolierung der Rohrbündelreaktoren
möglichst gering gehalten werden.
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Vorteilhafterweise
sind sämtliche Rohrbündelreaktoren einer erfindungsgemäßen
Anordnung Rohrbündelreaktoren der weiter oben beschriebenen Art.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielshalber
noch näher erläutert. Es zeigen:
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1a in
schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für
einen erfindungsgemäßen Baugruppensatz mit einer
Mantel/Hauben-Baugruppe, einer Rohrbündel-Baugruppe und
einer Hauben-Baugruppe, wobei jede Baugruppe im Längsschnitt
dargestellt ist;
-
1b die
Baugruppen aus 1a im zu einem Rohrbündelreaktor
zusammengesetzten Zustand;
-
2a-2d Längsschnitte
durch 4 Ausführungsbeispiele für Einrichtungen
zur Unterstützung des Umfangsrands eines Rohrbodens, mit
starrer druckdichter Verbindung zwischen Rohrboden und Reaktormantel;
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3a–3d Längsschnitte
durch 4 Ausführungsbeispiele für elastisch verformbare
Dichtungseinrichtungen;
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4 in
einer Perspektivansicht eine sektorförmige Rohrbündel-Baugruppe;
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5a einen
Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel für
eine als Rippen ausgebildete Unterstützungseinrichtung,
längs Linie Va-Va in 5b;
-
5b eine
Querschnittsansicht der Unterstützungseinrichtung aus 5a,
längs Linie Vb-Vb in 5a;
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6a–6d Längsschnitte
durch 4 Ausführungsbeispiele für Unterstützungseinrichtungen längs
Tei lungsrändern von Rohrbündel-Baugruppen, mit
druckdichten Verbindungen zwischen den Rohrbündel-Baugruppen;
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7 einen
Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel für
eine kräfte- und momentensteife Verbindung von Teilungsrändern
von Rohrbündel-Baugruppen;
-
s8 einen
Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
für einen erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktor,
mit zentralen axialen Zu- und Ableitungsrohren für den
Wärmeträger;
-
9 einen
Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel
für einen erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktor,
mit zentralen axialen Zu- und Ableitungsrohren für den
Wärmeträger;
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10a einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel
für einen erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktor,
mit jeweils 4 dezentral symmetrisch angeordneten Zu- und Ableitungsrohren
für den Wärmeträger;
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10b einen Querschnitt durch den Rohrbündelreaktor
aus 10a, längs Linie Xb-Xb
in 10a;
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11 einen
Längsschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel
für einen erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktor,
mit Dampftrommel;
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12a einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
für eine erfindungsgemäße Anordnung von
Rohrbündelreaktoren, längs Linie XIIa-XIIa in 12b;
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12b eine Draufsicht auf die Anordnung von 12a, längs Linie XIIb-XIIb;
-
13a einen Längsschnitt durch ein zweites
Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße An ordnung
von Rohrbündelreaktoren, längs Linie XIIIa-XIIIa
in 13b, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit
nur die beiden jeweils ganz außen stehenden Rohrbündelreaktoren
dargestellt sind; und
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13b eine Draufsicht auf die Anordnung aus 13a, längs Linie XIIIb-XIIIb.
-
In 1a ist
ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen
Satz 1 vorgefertigter Rohrbündelreaktor-Baugruppen 2, 3, 4 dargestellt,
die zu dem in 1b dargestellten Rohrbündelreaktor 5 zusammenbaubar
sind.
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Der
fertig montierte Rohrbündelreaktor 5 kann zur
Durchführung katalytischer exothermer oder endothermer
Gas- und/oder Flüssigphasenreaktionen ausgelegt sein. Er
weist ein Bündel 6 vertikaler, katalysatorgefüllter
Reaktionsrohre 7 auf. Die oberen Enden 8 der Reaktionsrohre 7 sind
in einem oberen Rohrboden 9 druckdicht, d. h. auch gas-
und flüssigkeitsdicht, befestigt. Die unteren Enden 10 der Reaktionsrohre 7 sind
in einem unteren Rohrboden 11 druckdicht befestigt. Dabei
erstrecken sich die Reaktionsrohre 7 durch den jeweiligen
Rohrboden 9, 11 hindurch bevorzugt bis zu dessen
den Reaktionsrohren 7 abgewandten Seite 12, 13.
Die Enden 8, 10 der Reaktionsrohre 7 sind
offen und an ihren Stirnseiten bzw. Außenseiten 14 mit
den Rohrböden 9, 11 verschweißt.
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Die
Reaktionsrohre 7 haben in der Regel Außendurchmesser
im Bereich zwischen 15 mm und 60 mm und Wandstärken zwischen
1 mm und 3 mm. Die im Rahmen dieser Erfindung eingesetzten Reaktionsrohre 7 haben
bevorzugte Längen im Bereich zwischen 6 Meter und 15 Meter.
In den Figuren sind die Längen und Durchmesser nicht maßstäblich
dargestellt.
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Das
Rohrbündel 6 ist von einem zylindrischen Reaktormantel 15 umschlossen,
der mit den Rohrböden 9, 11 druckdicht
verbunden ist. Die Mittenachse ist mit 16 bezeichnet. Reaktormantel 15 und
Rohrböden 9, 11 bilden auf diese Weise
miteinander einen Druckbehälter 17 aus. Der untere
Rohrboden 11 liegt mit seinem Umfangsrand 18 auf
einer Unterstützungseinrichtung 19 auf, in 1a und 1b ein
Auflagerring 19a, der an der Innenwand 20 des
Reaktormantels 15 befestigt ist. Der obere Rohrboden 9 wird
ausschließend von den Reaktionsrohren 7 gestützt
und ist somit axial beweglich gelagert.
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Der
Reaktormantel 15 weist radial sich erstreckende Zuleitungsstutzen 21 und
Ableitungsstutzen 22 für einen flüssigen
Wärmeträger 23 auf. Der Wärmeträger 23 wird
mit Überdruck in den von Reaktormantel 15 und
Rohrböden 9, 11 gebildeten Druckbehälter 17 eingeleitet,
umspült dort die Reaktionsrohre 7 und kann dabei
teilweise verdampfen. Durch die Ableitungsstutzen 22 wird
der Wärmeträger 23 abgeführt.
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Jeder
Rohrboden 9, 11 wird von einer Reaktorhaube 24, 25 überspannt,
die mit den Reaktionsrohren 7 über deren offene
Enden in 8, 10 Strömungsverbindung stehen.
Dabei bildet eine der Reaktorhauben 24, 25, im
dargestellten Beispiel die untere 25, eine Gaseintrittshaube
und die andere Reaktorhaube 24 eine Gasaustrittshaube aus.
Die Reaktorhauben 24, 25 weisen im dargestellten
Ausführungsbeispiel einen zentralen Gaseintritts- bzw.
einen zentralen Gasaustrittsstutzen 27, 26 für
ein Reaktionsgas 28 auf. Ferner weisen sie jeweils einen dezentral
angeordneten wiederverschließbaren Zugangsstutzen 29 auf,
dessen Öffnungsweite der eines Mannloches entspricht.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Baugruppen 2, 3, 4 ausgebildet,
die werkseitig vorgefertigt werden und auf der Baustelle – d.
h. am endgültigen Aufstellungsort des Rohr bündelreaktors 5 – zu
dem kompletten betriebsfähigen Rohrbündelreaktor 5 zusammenbaubar
sind.
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Wesentlich
bei der Aufteilung in Baugruppen ist, dass die Reaktionsrohre 7 mit
den daran befestigten Rohrböden 9, 11 und
eventuell weiteren daran befestigten Elementen, wie. z. B. Haltescheiben,
immer von Reaktormantel 15 und Reaktorhauben 24, 25 getrennte
Baugruppen ausbilden.
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Zu
den Baugruppen gehört eine Mantel/Hauben-Baugruppe 2.
Sie enthält den Reaktormantel 15 und die an diesem
befestigte untere Reaktorhaube 25. In der unteren Reaktorhaube 25 sind
Gasverteilungseinrichtungen gemäß dem Stand der
Technik angeordnet. An der unteren Reaktorhaube 25 sind auch
bereits der Gaseintrittsstutzen 27 und der Zugangsstutzen 29 befestigt.
Ferner sind an der Außenseite der Reaktorhaube 25 Stützeinrichtungen 30 befestigt,
die an eine Unterkonstruktion angeschlossen werden können
und den kompletten Rohrbündelreaktor 5 abstützen.
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Der
Reaktormantel 15 weist bereits die Zuleitungs- und Ableitungsstutzen 21, 22 für
den Wärmeträger 23 auf. Ferner sind an
der Innenwand 20 des Reaktormantels 15 nahe der
unteren Reaktorhaube 25 der umlaufende Auflagerring 19a,
auf den der untere Rohrboden 11 auflegbar ist, und an dem
Auflagerring 19a Dichtungseinrichtungen 31 befestigt,
die mit dem unteren Rohrboden 11 druckdicht verbindbar sind.
Diese Dichtungseinrichtungen 31 sind als in radialer Richtung
flexible Lasche 32 ausgebildet und werden in Verbindung
mit 3c näher beschrieben.
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Zu
dem Baugruppensatz gehört ferner eine Rohrbündel-Baugruppe 3.
Sie enthält das Rohrbündel 6 mit den
beiden daran befestigten Rohrböden 9, 11.
Der untere Rohrboden 11 weist an sei nem Umfangsrand 18 eine
Schulter 33 auf, mit der er auf den Auflagerring 19a der
Mantel/Hauben-Baugruppe 2 auflegbar ist. Auf der dem Rohrbündel 6 abgewandten
Oberseite 12 des oberen Rohrbodens 9 sind als Dichtungseinrichtungen 31 bogenförmige
Bleche 34 druckdicht befestigt, mit denen der obere Rohrboden 9 mit
der Innenwand 20 des Reaktormantels 15 wiederum
druckdicht verbindbar ist.
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Die
Dichtungseinrichtungen 31 sind radial elastisch verformbar,
sodass sie unterschiedlichen radialen Wärmeausdehnungen
von Rohrboden 9, 11 und Reaktormantel 15 folgen
können.
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Als
dritte Baugruppe gehört zu dem dargestellten Baugruppensatz
eine Hauben-Baugruppe 4, die die obere Reaktorhaube 24 enthält.
An der oberen Reaktorhaube 24 sind bereits der Gasaustrittsstutzen 26 sowie
ebenfalls ein Zugangsstutzen 29 befestigt.
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Im
Folgenden wird der Zusammenbau der drei oben beschriebenen Baugruppen 2, 3, 4 zu
dem kompletten Rohrbündelreaktor 5 beschrieben:
Zunächst
wird die Mantel/Hauben-Baugruppe 2 vertikal aufgerichtet,
wobei die untere Reaktorhaube 25 das untere Ende ausbildet.
In das obere offene Ende des Reaktormantels 15 wird dann
die Rohrbündel-Baugruppe 3 eingesetzt, wobei der
untere Rohrboden 11 das untere Ende der Rohrbündel-Baugruppe 3 bildet.
Die Rohrbündel-Baugruppe 3 wird bis zur Anlage
der Schulter 33 des unteren Rohrbodens 11 an dem
Auflagerring 19a der Mantel/Hauben-Baugruppe 2 in
diese eingeführt. Dann werden mittels Montageschweißnähten 35 die
unteren Dichtungseinrichtungen 32 mit der dem Rohrbündel 6 abgewandten
Unterseite 13 des unteren Rohrbodens 11 druckdicht
verschweißt und mittels Montagesschweißnähten 36 die
am oberen Rohrboden 9 be festigten Dichtungseinrichtungen 34 druckdicht
mit der Innenwand 20 des Reaktormantels 15 verschweißt.
Schließlich wird die Hauben-Baugruppe 4 auf den
oberen Rand 37 des Reaktormantels 15 aufgesetzt
und mit diesem ebenfalls mittels einer Montageschweißnaht 38 verschweißt.
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Der
Auflagerring 19a nimmt die gesamte vertikale Last ausschließlich über
den Kontakt unterer Rohrboden 11/Auflagerring 19a auf,
sodass keine weiteren Befestigungseinrichtungen oder -maßnahmen
zur Lastabtragung notwendig sind, insbesondere keine Verschweißung über
die gesamte Rohrbodendicke, die dessen Wärmebehandlung
nach einer solchen Verschweißung erfordern würde.
Die oben beschriebenen Montageschweißnähte 35, 36 an
den Dichtungseinrichtungen 31, 32, 34 sind
lediglich Dichtnähte zur Ausbildung eines Druckbehälters 17 zwischen
Rohrböden 9, 11 und Reaktormantel 15 und
können daher mit einer relativ geringen Dicke ausgeführt
werden, die gemäß den einschlägigen Vorschriften
keine nachträgliche Wärmebehandlung der angeschlossenen
Bauteile erfordert. Die Montageschweißnaht 38 zwischen
Hauben-Baugruppe 4 und Mantel/Hauben-Baugruppe 2 kann
erforderlichenfalls ohne weiteres wärmebehandelt werden,
da der obere Rohrboden 9 keinen direkten Kontakt zu dieser
Montageschweißnaht 38 hat.
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Die 2a bis 2d zeigen
weitere Ausführungsbeispiele für Unterstützungseinrichtungen 19 zur
vertikalen Abstützung der Rohrbündel-Baugruppe 3 durch
die Mantel/Hauben-Baugruppe 2, d. h. am Umfangsrand 18 des
unteren oder des oberen Rohrbodens 11, 9. Sämtliche
in den 2a bis 2d dargestellten
zugehörigen druckdichten Verbindungen zwischen Rohrboden 9, 11 und
Reaktormantel 15 sind ausschließlich als Schweißnähte
ausgeführt und daher nicht elastisch.
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2a zeigt
eine Vertikalkräfte übertragende Montageschweißnaht 39 zwischen
dem unteren Rohrboden 11 und dem Reaktormantel 15.
Dazu ist am Umfangsrand 18 des Rohrbodens 11 ein
sich radial erstreckender Flansch 40 ausgebildet, dessen Dicke
gegenüber der Dicke des Rohrbodens 11 soweit reduziert
ist, dass gemäß den einschlägigen Vorschriften,
z. B. den AD-Merkblättern, eine Wärmebehandlung
des Rohrbodens 11 nach dem Schweißen nicht notwendig
ist. Gegenüber dem Rohrboden-Flansch 40 ist an
der Innenwand 20 des Reaktormantels 15 ebenfalls
ein Flansch 41 ausgebildet, dessen Dicke der des Rohrboden-Flansches 40 entspricht.
Die einander gegenüber liegenden Kanten der Flansche 40, 41 bilden
eine sich nach unten öffnende Fuge zur Ausbildung einer
V-förmigen Montageschweißnaht 39, sodass
die Montageschweißnaht 39 von unten ausgeführt
werden kann. Diese kraftübertragende Schweißnaht 39 bildet
gleichzeitig die druckdichte Verbindung 31 zwischen Rohrboden 11 und
Reaktormantel 15 aus. Die Flansche 40, 41 können
bündig mit der Unterseite 13 des Rohrbodens 11 oder
mit dessen dem Rohrbündel 6 zugewandter Oberseite 42 ausgebildet
sein. Mittels solcher Flansche 40, 41 kann auch
der obere Rohrboden 9 mit dem Reaktormantel 15 verschweißt
werden und können auch beide Rohrböden 9, 11 eines
Rohrbündels 6 mit dem Reaktormantel 15 verschweißt
werden.
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In
dem in 2b dargestellten Ausführungsbeispiel
ist zur Auflage eines unteren Rohrbodens 11 ein Auflagerring 19b mit
einer nach unten geneigten Unterseite 43 ausgebildet. Die
druckdichte Verbindung 31 zwischen Rohrboden 11 und
Reaktormantel 15 bzw. Auflagerring 19b erfolgt
hier mittels einer Montage-Dichtungsschweißnaht 44 an
der Unterseite 13 des Rohrbodens 11.
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2c zeigt
ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Auflagerring 19c und
der Umfangsrand 18 des unteren Rohrbodens 11 klauen-
bzw. hakenförmig ineinander greifen und somit nicht nur
in vertikaler Richtung, sondern auch in radialer Richtung eine formschlüssige
Verbindung ausbilden. Die druckdichte Verbindung 31, 44 ist
wie in 2b ausgeführt.
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Das
in 2d dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht
hinsichtlich der vertikalen Abstützung im Wesentlichen
dem in 1b dargestellten Ausführungsbeispiel,
wobei jedoch der Abstand von der Unterseite 13 des unteren
Rohrbodens 11 bis zur Unterseite 45 des Auflagerrings 19d kleiner
ist. Zur Aufnahme vertikal nach oben gerichteter Kräfte
ist hier noch eine Lasche 46 angeordnet, die sowohl an
der Unterseite 45 des Auflagerrings 19d als auch
an der Unterseite 13 des unteren Rohrbodens 11 anliegt
und von einer Schraube 47 durchlaufen wird, die in die Unterseite 13 des
Rohrbodens 11 eingeschraubt ist und die Lasche 46 gegen
den Auflagerring 19d und den Rohrboden 11 verspannt.
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Die 3a bis 3d zeigen
weitere Ausführungsbeispiele für in radialer Richtung
elastisch verformbare Dichtungseinrichtungen zwischen Rohrboden
und Reaktormantel bzw. Reaktorhaube.
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3a zeigt
die Dichtungseinrichtung 34 aus den 1a und 1b zwischen
oberem Rohrboden 9 und Reaktormantel 15 – in 1b als
Detail IIIa bezeichnet – in vergrößertem
Maßstab. Die Dichtungseinrichtung 34 ist als bogenförmiges
Blech ausgebildet, das werkseitig an die Oberseite 12 des Rohrbodens 9 angeschweißt
ist und auf der Baustelle nach dem Zusammenfügen der Baugruppen 2, 3, 4 mit
dem Reaktormantel 15 mittels Montageschweißnaht 36 verschweißt
wird.
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3b zeigt
eine im Querschnitt ringförmige Dichtungseinrichtung 48,
die mittels jeweils eines Befestigungsflansches 49 mit
dem Umfangsrand 50 des oberen Rohrbodens 9 und
dem Reaktormantel 15 verschweißt ist. Bei dieser
Lösung können beide Schweißnähte 51 als
Montagesschweißnaht ausgeführt sein.
-
3c zeigt
das Detail IIIc aus 1b in ähnlicher Ausführung
in vergrößertem Maßstab. Die Unterstützungseinrichtung 19 ist
ein Auflagerring 19a mit geneigter Unterseite 43 (ähnlich 2b),
auf dem der untere Rohrboden 11 mittels einer Schulter 33 am
Umfangsrand 18 aufliegt. Bei dem in 3c dargestellten
Ausführungsbeispiel ist radial einwärts des Auflagerrings 19a eine
vertikale Lasche 32 ausgebildet, deren unteres Ende 52 mit
dem Auflagerring 19a biegesteif verbunden ist, die eine
vorgegebene Länge aufweist, mit einem vorgegebenen radialen Abstand 53 zum
Auflagerring 19a angeordnet ist und im zusammengesetzten
Zustand von Rohrbündel-Baugruppe 3 und Mantel/Hauben-Baugruppe 2 an
ihrem oberen Ende 54 mit der Unterseite 13 des unteren
Rohrbodens 11 mittels Montageschweißnaht 35 verschweißbar
ist. Aufgrund ihrer freien Länge ist die Lasche 19a in
radialer Richtung elastisch biegbar.
-
Das
in 3d dargestellte Ausführungsbeispiel für
eine Dichtungseinrichtung 31 entspricht im Wesentlichen
dem in 3a gezeigten Ausführungsbeispiel,
wobei jedoch der obere Rohrboden 9 mit einer Schulter 55 am
Umfangsrand 50 auf einem Auflagerring 19e aufliegt
und die Dichtungseinrichtung 31 als L-förmiges
Blech 56 ausgebildet ist. Der lange Schenkel 56a ist
werkseitig mit der Oberseite 12 des Rohrbodens 9 verschweißt
und verläuft in vertikaler Richtung. Der kurze Schenkel 56b wird
nach dem Zusammenfügen der Baugruppen 2, 3, 4 mittels
einer Montageschweißnaht 57 mit dem Reaktormantel 15 verschweißt.
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Die
Ausführungsbeispiele für Dichtungseinrichtungen 31 gemäß den 3a, 3b und 3d können – in
einer um eine horizontalen Achse gespiegelten Ausführungsform – auch
bei unteren Rohrböden 11 verwendet werden.
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Statt
der oben beschriebenen drei Baugruppen 2, 3, 4 kann
ein erfindungsgemäßer Baugruppensatz 1 auch
mehr Baugruppen aufweisen. So können aus Reaktormantel 15 und
einer Reaktorhaube 24, 25, aus dem Rohrbündel 6 mit
den daran befestigten Rohrböden 9, 11 sowie
aus der zweiten Reaktorhaube 25, 24 statt jeweils
eine Baugruppe jeweils mehrere Baugruppen gebildet sein.
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4 zeigt
eine Rohrbündel-Baugruppe 100, die aus einer Teilung
des Rohrbündels 6 und der daran befestigten Rohrböden 9, 11 in
mehrere Baugruppen entstanden ist. Das Rohrbündel 6 ist
längs Teilungsebenen 101 geteilt, die parallel
zu den Reaktionsrohren 7 verlaufen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
erstrecken sich die Teilungsebenen 101 in radialer Richtung
und enthalten alle die Mittelachse 16 des Rohrbündels 6.
Die Rohrbündel-Baugruppen 100 sind daher sektorförmig
ausgebildet.
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Die
radial verlaufenden Ränder 102 der Rohrböden 9, 11 bilden
die Teilungsränder der Rohrbündel-Baugruppe bzw.
des Rohrbündel-Sektors 100. Sie schließen
im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Winkel von 45° ein,
sodass das Rohrbündel 6 aus acht solcher Rohrbündel-Sektoren 100 zusammensetzbar
ist.
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Die
in Umfangsrichtung außen liegenden Reaktionsrohre 7 solcher
Rohrbündel-Baugruppen 100 weisen in Umfangsrichtung
einen vorgegebenen Abstand zu den benachbarten Teilungsrändern 102 der
Rohrbodensektoren 103, 104 auf. Auf diese Weise
sind im zusammengesetzten Zustand der Rohrbündel-Sektoren 100 längs
der Teilungsränder 102 der Rohrbodensektoren 103, 104 rohrfreie
Gassen 105 ausgebildet, die einen Freiraum zur druckdichten Verbindung
der Rohrbündel-Sektoren 100 miteinander schaffen.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich in jedem
Rohrbündel-Sektor 100 zwischen den Rohrbodenabschnitten
bzw. -sektoren 103, 104 quer zu den Reaktionsrohren 7 vier
Haltescheiben 106, die ebenfalls sektorförmig
ausgebildet sind, von den Reaktionsrohren 7 durchlaufen
werden und mit diesen verbunden sind. Die Haltescheiben 106 verhindern
das Ausknicken der Reaktionsrohre 7.
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Aus
Gründen der Übersichtlichkeit sind in 4 nur
ein Reaktionsrohr 7 dargestellt und in den Haltescheiben 106 Durchtrittsöffnungen
für den Wärmeträger 23 nicht
dargestellt.
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Dazu
sind in jedem Rohrbündel-Sektor 100 die benachbarten
Haltescheiben 106 miteinander und die Rohrböden 103, 104 mit
der jeweils benachbarten Haltescheibe 106 mittels vertikaler
Bleche 107 schub- und biegefest, insbesondere in der Blechebene,
verbunden. Die Bleche 107 zwischen den Rohrböden 103, 104 und
den jeweils benachbarten Haltescheiben 106 sind perforiert,
um einen Durchtritt des Wärmeträgers zu ermöglichen.
Die vertikalen Bleche 107 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel
zwischen den in Umfangsrichtung außen liegenden Reaktionsrohren 7 und
den Radialrändern 102 der Rohrboden- bzw. der
Haltescheibensektoren 103, 104, 106 angeordnet.
Diese Bleche 107 sind auch gegen Stabilitätsversagen,
wie z. B. Knicken und Beulen, ausgelegt und bilden eine Lagesicherung
für die Haltescheiben 106, die wiederum aufgrund
ihrer Verbindung mit den Reaktionsrohren 7 deren Knicken
verhindern.
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Radial
innen weisen die sektorförmigen Rohrböden 103, 104 und
Haltescheiben 106 einen konkaven kreisbogenförmigen
Rand 108 auf. Dieser kreisbogenförmige Innenrand 108 der
Rohrbodensektoren 103, 104 ist zur Anlage und
Befestigung an einer zentralen Stütze oder an einem zentralen
Stutzen vorgesehen.
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In 4 sind
an den Rohrbodensektoren 103, 104 keine Einrichtungen
zur Auflage auf Unterstützungseinrichtungen dargestellt
(wie beispielsweise eine Schulter am Umfangsrand wie bei der Rohrbündel-Baugruppe
aus 1a) und auch keine Dichtungseinrichtungen. 4 soll
nur ein schematisches Ausführungsbeispiel für
eine sektorförmige Ausbildung einer Rohrbündel-Baugruppe 100 darstellen.
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Die 5a und 5b zeigen
ein Ausführungsbeispiel für eine rippenförmige
Unterstützungseinrichtung 109. Dort ist ein rechteckiges
Rippenkreuz ausgebildet, auf dem vier sektorförmige Rohrbündel-Baugruppen 100 mit
ihren unteren sektorförmigen Rohrböden bzw. Rohrbodenabschnitten 104 aufliegen,
wobei hier der Sektorwinkel 90° beträgt. Die Rippen 109 sind
in Form eines umgedrehten T ausgebildet, wobei der freie Rand 110 des
Steges 111 die Auflagerfläche für die
unteren Rohrböden 104 der Rohrbündel-Baugruppe 100 ausbildet.
Das Rippenkreuz ist mit der Innenwand 20 des Reaktormantels 15 verschweißt.
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Ferner
ist noch ein umlaufender Auflagerring 112 an der Innenwand 20 des
Rektormantels 15 angebracht, auf dem die unteren Rohrböden 104 ebenfalls
aufliegen. Diese weisen an ihren Teilungsrändern 102 und
an ihren Umfangsrändern 18 Schultern 113, 33 auf,
mit denen sie zur vertikalen Abstützung auf den Rippen 109 und
dem Auflagerring 112 aufliegen. An ihren Unterseiten 114 sind
die unteren Rohrböden 104 mit dem Auflagerring 112 und
den Rippen 109 mit Montage-Dichtungsschweiß nähten 115, 116 verschweißt,
die im vorliegenden Fall die druckdichten Verbindungen der Rohrbündel-Baugruppen 100 untereinander
sowie mit dem Reaktormantel 15 ausbilden.
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Die
Rohrbündel-Baugruppen 100 weisen keine Teile auf,
die die Teilungsebenen 101 durchstoßen, d. h.
in den Bauraum einer benachbarten Rohrbündel-Baugruppe 100 hineinragen.
Daher können die einzelnen Rohrbündel-Baugruppen
bzw. -Sektoren 100 nacheinander von oben in den bereits
montierten Reaktormantel 15 eingesetzt und auf das Rippenkreuz 109 aufgelegt
werden.
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Aus 5a sind
auch die ausgebildeten rohrfreien Gassen 105 ersichtlich,
die entsprechend dem Rippenkreuz 109 ebenfalls kreuzförmig
verlaufen. Dabei ist der Abstand der in Umfangsrichtung außen
liegenden Reaktionsrohre 7 zum Teilungsrand 102 der
Rohrbodensektoren 104 so ausgelegt, dass die Reaktionsrohre 7 im
auf das Rippenkreuz 109 aufgelegten Zustand der Rohrbündel-Baugruppen 100 an
den Stegen 111 vorbeilaufen.
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5b zeigt
den kreuzförmigen Verlauf der Stege 111 und Flansche 117 des
Rippenkreuzes 109.
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In
den 6a bis 6d sind
einige Ausführungsbeispiele für die Verbindung
von Rohrbündel-Baugruppen 100 miteinander und/oder
mit einer rippenförmigen Unterstützungseinrichtung 109 dargestellt.
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6a zeigt
die Auflage unterer Rohrbodensektoren 104 auf dem oberen
Flansch 118 einer T-förmigen Unterstützungsrippe 119.
Der Teilungsrand 102 der Rohrbodensektoren 104 weist
eine Schulter 113 auf, die auf der Oberseite 120 des
Flansches 118 aufliegt. Die Schultern 113 sind
mit dem Flansch 118 verschraubt, wobei die Schraube 121 den
Flansch 118 jeweils von unten durchläuft und in einem
Sackloch 122 in der Schulter 113 des Rohrbodensektors 104 verschraubt
ist. Ferner ist die Unterseite 114 des Rohrbodensektors 104 mit
dem Seitenrand 123 des Flansches 118 mittels Montageschweißnaht 124 verschweißt.
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6b zeigt
eine ähnliche Unterstützungseinrichtung, jedoch
für die oberen Rohrbodensektoren 103. Die Rohrbodensektoren
liegen mit der Schulter 125 auf der Oberseite 126 eines
verbreiterten Kopfes 127 einer Rippe 128 auf.
Ein Schraubbolzen 129 durchläuft die Schulter 125 von
oben und ist in einem Sackloch 130 im Rippenkopf 127 verschraubt
und mit der Oberseite 131 des Rohrbodensektors 103 mittels
Montageschweißnaht 132 druckdicht verschweißt.
Die Teilungsränder 102 der Rohrbodensektoren 103 sind
mittels einer Montageschweißnaht 133 miteinander
druckdicht verschweißt.
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Bei
dem in 6c dargestellten Ausführungsbeispiel
liegen die oberen Rohrböden 103 der Rohrbündel-Baugruppen 100 wieder
mit einer Schulter 125 auf einer Rippe 134 auf
und sind auf ihrer Oberseite 131 mittels eines U-förmigen 135 Bauteils 135 druckdicht
miteinander verbunden, das die Fuge zwischen den Rohrbodenabschnitten 103 überbrückt und
mit deren Oberseite 131 jeweils mit Montageschweißnaht 136 druckdicht
verschweißt ist.
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Das
in 6d dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt
eine ähnliche Verbindung zwischen den unteren Rohrbodenabschnitten 104 und
einer Unterstützungsrippe 137, wie sie in 2a für
die Verbindung des Umfangsrandes 18 des unteren Rohrbodens 11 mit
der Innenwand 20 des Reaktormantels 15 dargestellt
ist. Die Teilungsränder 102 der Rohrbodenabschnitte 104 weisen
einen Flansch 138 mit gegenüber der Rohrbodendicke
reduzierter Dicke auf. Die Rippe 137 weist Flansche 139 entsprechender Dicke
auf, die im zusammengesetzten Zustand der Baugruppen den Rohrboden-Flanschen 138 gegenüberliegen
und mit diesen mittels Montageschweißnähten 140 verschweißbar
sind. Die Montageschweißnähte 140 bilden
hier sowohl die vertikale Abstützung als auch die druckdichte
Verbindung. Die Dicke der Flansche 138, 139 bzw.
der Montageschweißnähte 140 ist so ausgelegt,
dass gemäß den einschlägigen Vorschriften
eine Wärmebehandlung der miteinander verschweißten
Bauteile nach dem Verschweißen nicht erforderlich ist.
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Das
dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt die Schweißverbindung
zwischen unteren Rohrbodenabschnitten 104 und einer Rippe 137,
wobei die Flansche 138, 139 bündig mit
der Unterseite 114 der Rohrbodenabschnitte 104 verlaufen.
Ebenso könnten die Flansche 138, 139 bündig
mit der Oberseite 141 der unteren Rohrbodenabschnitte 104 oder
zwischen diesen beiden Grenzlagen verlaufen, wobei in allen Fällen
die Schweißnähte von unten ausgeführt werden.
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Eine ähnliche
Schweißverbindung ist auch für die kraftübertragende
und druckdichte Verbindung oberer Rohrbodenabschnitte 103 mit
einer Rippe denkbar, wobei die Flansche wiederum bündig
mit der Unterseite oder mit der Oberseite der Rohrbodenabschnitte 103 verlaufen
oder auch beliebig zwischen diesen Lagen angeordnet sein können.
Die Schweißfugen öffnen dabei nach oben, sodass
die Montageschweißnähte von oben ausführbar
sind.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für eine rippenfreie Verbindung
von Rohrbodenabschnitten 104. Hierbei weisen die Teilungsränder 102 Verbindungsflansche 142 auf,
die nach dem Zusammensetzen der Baugruppen 100 miteinander
verschraubbar 143 sind, um eine kräfte- und momentensteife
Verbindung auszubilden. Dabei können die Verbindungsflansche 142 vollflächig
aneinander anliegen oder auch nur teilweise. Im in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die unteren Rohrbodenabschnitte 104 auf diese Weise
miteinander verbunden. An ihren den Reaktionsrohren 7 abgewandten
Enden weisen die Verbindungsflansche 142 Schweißnahtvorbereitungen
auf, sodass sie im zusammengesetzten Zustand mittels Montageschweißnaht 144 miteinander
druckdicht verschweißbar sind.
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An
ihren Umfangsrändern 18 liegen die Rohrbodenabschnitte 104 mit
Schultern 33 auf einem Auflagerring 112 auf und
sind mit diesem mittels Montageschweißnaht 115 verschweißt, ähnlich
wie im in 5a dargestellten Ausführungsbeispiel.
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In 8 ist
ein Rohrbündelreaktor 5 zur Durchführung
von Gas- und/oder Flüssigphasenreaktionen dargestellt,
bei dem sich zur Reduzierung der horizontalen Reaktorabmessungen,
d. h. der Abmessungen senkrecht zur Reaktorachse 16, das
Zuleitungsrohr 201 für den flüssigen
Wärmeträger 23 durch einen Rohrboden,
im dargestellten Fall durch den unteren Rohrboden 11, und
ebenfalls das Ableitungsrohr 202 für den Wärmeträger 23,
der dann ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch sein kann, durch
einen Rohrboden hindurch erstreckt, im dargestellten Fall durch
den oberen Rohrboden 9.
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Dieser
Rohrbündelreaktor 5 weist wie der in 1b dargestellte
Reaktor ein Bündel 6 vertikaler, katalysatorgefüllter
Reaktionsrohre 7 auf, deren Enden 8, 10 in
dem oberen und in dem unteren Rohrboden 9, 11 druckdicht
befestigt sind. Das Rohrbündel 6 ist von einem
Reaktormantel 15 umschlossen, der mit den Rohrböden 9, 11 kräfte-
und momentensteif sowie druckdicht verbunden ist, sodass der Reaktormantel 15 mit
den Rohrböden 9, 11 einen Druckbehälter 17 ausbildet.
Der von dem Zuleitungsrohr 201 zugeführte flüssige
Wärmeträger 23 umspült unter Druck
die Reaktionsrohre 7, wobei er auch zumindest teilweise
verdampfen kann. Ein entstehendes Flüssigkeits- Dampf-Gemisch
wird durch das Ableitungsrohr 202 in eine Dampftrommel
(vergleiche 11) abgeleitet. Die Rohrböden 9, 11 sind
jeweils von einer Reaktorhaube 24, 25 überspannt,
die mit dem Reaktormantel 15 verbunden sind und die mit
den offenen Enden 8, 10 der Reaktionsrohre 7 in
Strömungsverbindung stehen.
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Das
Rohrbündel 6 weist einen zentralen rohrfreien
Bereich 203 auf, in den das Zuleitungsrohr 201 und
das Ableitungsrohr 202 münden. Ferner verlaufen
von dem Zu- und dem Ableitungsrohr 201, 202 aus
sternförmig rohrfreie Gasse, die eine gleichmäßige
Verteilung des Wärmeträgers 23 im Rohrbündel 6 bewirken.
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Das
Zuleitungsrohr 201 verläuft durch einen Zuleitungsstutzen 204 in
der unteren Reaktorhaube 25, das Ableitungsrohr 202 durch
einen Ableitungsstutzen 205 in der oberen Reaktorhaube 204.
Die Stutzen 204, 205 sind außerhalb des
Reaktors 5 mit den Rohren 201, 202 jeweils über
Kompensationseinrichtungen 206 verbunden, die unterschiedliche
Wärmeausdehnungen von Rohr 201, 202 und Haube 25, 24 ausgleichen.
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Ferner
weist die obere Reaktorhaube 24 einen Gaseintrittsstutzen 27 und
die untere Reaktorhaube 25 einen Gasaustrittsstutzen 26 auf.
In der oberen Reaktorhaube 24 sind Gasverteilungseinrichtungen
gemäß dem Stand der Technik angeordnet.
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9 zeigt
eine Modifikation des Ausführungsbeispiels aus 8,
wobei der in 9 dargestellte Reaktor 5 aus
einem erfindungsgemäßen Baugruppensatz 1 zusammengesetzt
ist.
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Anders
als in 8 ist bei dem in 9 dargestellten
Reaktor 5 der obere Rohrboden 9, 103 nicht
starr mit dem Reaktormantel 15 verbunden, sondern auf den
oberen Enden 8 der Reaktionsrohre 7 axial beweglich
gelagert, d. h. der obere Rohrboden 9, 103 ist
relativ zum Reaktormantel 15 beweglich und kann daher der
Wärmeausdehnung der Reaktionsrohre 7 folgen.
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Das
Wärmeträger-Zuleitungsrohr 201 verläuft
zentral und vertikal durch die untere Reaktorhaube 25 und
ist mit dieser werkseitig verschweißt. Außerhalb
der Reaktorhaube 25 verläuft es in einem rechten
Winkel horizontal zur Seite.
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Das
Wärmeträger-Ableitungsrohr 202 verläuft
ebenfalls zentral und vertikal durch die obere Reaktorhaube 24 und
ist mit dieser werkseitig verschweißt. Es weist in der
oberen Reaktorhaube 24 eine Kompensationseinrichtung 207 auf,
um Längenänderungen in Folge der thermischen Belastung auszugleichen.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rohrbündelreaktor 5 aus
folgenden Baugruppen zusammengesetzt:
Eine erste Baugruppe 2 enthält
die untere Reaktorhaube 25 mit dem an ihr befestigten Wärmeträger-Zuleitungsrohr 201 und
mit zwei an ihr befestigten Stutzen – einem Gasaustrittsstutzen 26 und
einem Zugangsstutzen 29 – sowie einer an ihr befestigten
Stützeinrichtung 30 für den fertig montierten Rohrbündelreaktor 5.
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Die
erste Baugruppe 2 enthält ferner den vollständigen
Reaktormantel 15, der mit der unteren Reaktorhaube 25 verschweißt
ist. An der Innenwand 20 des Reaktormantels 15 ist
nahe der unteren Reaktorhaube 25 ein umlaufender Auflagerring 19a ausgebildet,
auf den der Außenrand 18 von unteren Rohrbodensektoren
bzw. -abschnitten 104 mittels einer Schulter 33 auflegbar
ist. An dem Auflagerring 19a ist eine vertikale Lasche 32 gemäß 1a, 1b oder 3c ausgebildet.
Ferner ist unterhalb des Auflagerrings 19a an der Innenwand 20 dieser ersten
Baugruppe 2 ein Rippenkreuz 208 befestigt, das
in seinem Zentrum mit der Außenseite des Zuleitungsrohrs 201 verschweißt
ist und dessen oberer Rand 209 eine Auflagerfläche
für den unteren Rohrboden 104 von Rohrbündel-Baugruppen
ausbildet. Die Rippen 208 sind in Form eines umgedrehten
T ausgebildet (entsprechend 5a).
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Zudem
weist das Zuleitungsrohr 201 an seinem in das Rohrbündel 6 mündenden
Ende einen zentralen Auflagerring 210 mit einem radial
nach außen vorspringenden Absatz 211 auf, auf
den die Innenränder 212 von Rohrbodenabschnitten 104 mit einer
Schulter 213 auflegbar sind. Der lichte Querschnitt des
zentralen Auflagerrings 210 entspricht dem des Zuleitungsrohrs 201.
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Die
erste Baugruppe 2 enthält außerdem noch
den Teil der oberen Reaktorhaube 24, der in axialer Fortsetzung
des Reaktormantels 15 eine zylindrische Wand aufweist.
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Die
zweite bis fünfte Baugruppe 3a-3d enthalten jeweils
einen 90° Sektor 100 des Rohrbündels 6 mit
den entsprechenden daran befestigten oberen und unteren Rohrbodensektoren 103, 104.
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Die
unteren Rohrbodensektoren 104 weisen an ihren äußeren
Umfangsrändern 18 die bereits erwähnten
Schultern 33 zur Auflage auf den am Reaktormantel 15 angebrachten
Auflagering 19a auf. Radial innen weisen die Rohrbodensektoren 104 konkave
kreisbogenförmige Innenränder 212 mit
der ebenfalls bereits erwähnten Schulter 213 zur
Auflage auf den zentralen Auflagerring 210 auf.
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Im
in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel bildet
somit das Zuleitungsrohr 201 einen Teil der Unterstützungseinrichtungen 19 für
den unteren Rohrboden 104 aus.
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Auf
die Oberseite 12 der oberen Rohrbodenabschnitte 103 ist
nahe deren äußeren Umfangsränder 18 werkseitig
eine elastische Dichtungseinrichtung 34 gemäß 3a geschweißt,
die im eingesetzten Zustand der Rohrbündel-Baugruppen 100 bzw. 3a–3d mit
dem Reaktormantel 15 mittels Montageschweißnaht 36 druckdicht
verschweißbar ist.
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Die
oberen Rohrbodenabschnitte bzw. -sektoren 103 weisen an
ihren radial inneren Rändern 215 einen Flansch 216 auf,
der ähnlich wie in 6d dargestellt
ausgebildet ist, jedoch bündig mit der Oberseite 12 der
Rohrbodenabschnitte 103 verläuft. Der Flansch 216 weist
gegenüber den Rohrbodenabschnitten 103 eine reduzierte
Dicke auf, die gemäß den einschlägigen
Vorschriften nach der Verschweißung eine Wärmebehandlung
der verschweißten Bauteile nicht mehr erfordert. Die Innenränder 215 der
oberen Rohrbodensektoren 103 sind im zusammengesetzten
Zustand der Rohrbündel-Baugruppen 3a-3d an das
Ableitungsrohr 202 anlegbar und mit dessen Außenseite
mittels Montageschweißnaht 217 verschweißbar.
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Eine
sechste Baugruppe 4, die der dritten Baugruppe aus 1a entspricht,
enthält den gewölbten Teil der oberen Reaktorhaube 24 mit
dem an ihr befestigten Wärmeträger-Ableitungsrohr 202 und mit
zwei an ihr befestigten Stutzen – einem Gaseintrittsstutzen 27 und
einem Zugangsstutzen 29.
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Der
Zusammenbau der Baugruppen 2, 3a–d, 4 wird
wie folgt durchgeführt:
Zunächst wird die
erste Baugruppe 2 vertikal aufgerichtet, sodass die untere
Reaktorhaube 25 unten ist und die erste Baugruppe 2 auf
die Stützeinrichtung 30 gestellt ist.
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Nun
werden nacheinander die vier Rohrbündel-Baugruppen bzw.
-Sektoren 3a–d in die erste Baugruppe 2 so
eingesetzt, dass die unteren Rohrbodenabschnitte 104 auf
dem äußeren Auflagerring 19a und dem
zentralen Auflagerring 210 mit ihren Schultern 213 sowie
auf den Rippen 208 aufliegen. Die am äußeren
Auflagerring 19a angeordneten vertikalen Laschen 32 werden
mit der Unterseite 13 der Rohrbodenabschnitte 104 mit
Montageschweißnaht 35 druckdicht verschweißt.
Ferner werden die unteren Rohrbodenabschnitte 104 mit dem
zentralen Auflagerring 210 und den Rippen 208 an
ihren Unterseiten 13 mit Montageschweißnaht 218 druckdicht
verschweißt. Die auf der Oberseite 12 der oberen
Rohrbodenabschnitte 103 angebrachten Dichtungseinrichtungen 34 werden
mit der Innenwand 20 des Reaktormantels 15 bzw.
der oberen Reaktorhaube 24 mit Montageschweißnaht 36 druckdicht
verschweißt.
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Dann
wird die sechste Baugruppe 4 auf den oberen Rand 37 der
ersten Baugruppe 2 gesetzt und mit diesem mittels Montageschweißnaht 38 verschweißt.
Gegebenenfalls wird diese Montageschweißnaht 38 wärmebehandelt.
Wenn die sechste 4 auf die erste Baugruppe 2 aufgesetzt
ist, werden die radial innen liegenden Flansche 216 der
oberen Rohrbodenabschnitte 103 mit dem in das Rohrbündel 6 mündenden
Ende des Ableitungsrohrs 202 an dessen Außenwand
mit Montageschweißnaht 217 druckdicht verschweißt.
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Gegebenenfalls
ist das Wärmeträger-Ableitungsrohr 202 werkseitig
in der oberen Reaktorhaube 24 horizontal geteilt und wird
es auf der Baustelle mit Montageschweißnaht 219 zusammengeschweißt.
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Bis
erforderlichenfalls auf die Montageschweißnaht 38 zwischen
erster 2 und sechster Baugruppe 4 sind sämtliche
Montageschweißnähte als wärmebehandlungsfreie
Schweißnähte ausgelegt.
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Die 10a und 10b zeigen
einen ähnlichen Rohrbündelreaktor 5 wie 9,
jedoch mit jeweils 4 Zuleitungs- und 4 Ableitungsrohren 201, 202 für
den Wärmeträger 23, die den unteren bzw.
oberen Rohrboden 103, 104 sowie die untere bzw.
obere Reaktorhaube 2 durchlaufen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
sind 4 sektorförmige Rohrbündel-Baugruppen 100 bzw. 3a–3d ausgebildet,
wobei der Sektorwinkel 90° beträgt. In jeden Rohrbündel-Sektor 3a–3d mündet
ein Zuleitungsrohr 201 in den unteren Rohrbodensektor 104 und
ein Ableitungsrohr 202 in den oberen Rohrbodensektor 103.
Jedes Zuleitungsrohr 201 bildet die vertikale Abstützung
für den zugehörigen Rohrbündel-Sektor 3a–3d.
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Zur
Ausbildung der Baugruppen 3a–3d ist jedes
Zu- und jedes Ableitungsrohr 201, 202 in der jeweiligen
Reaktorhaube 25, 24 horizontal geteilt.
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Dabei
ist das in das Rohrbündel 6 mündende Endstück 220 des
Zuleitungsrohrs 201 werkseitig mit dem jeweiligen unteren
Rohrbodensektor 104 verschweißt. Das anschließende
Leitungsstück 221 durchtritt die untere Reaktorhaube 25 und
ist mit dieser werkseitig verschweißt. Nach dem Einsetzen
der Rohrbündel-Baugruppen. 3a–3d in
die Mantel/Hauben-Baugruppe 2 werden die Endstücke 220 mit
den jeweils anschließenden Leitungsstücken 221 mit Montageschweißnaht 222 verschweißt.
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Versteifungsrippen 223 erstrecken
sich zwischen den Außenseiten der Endstücke 220 und
den Unterseiten 13 der Rohrbodensektoren 104 und
sind mit diesen werkseitig verschweißt.
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Ebenso
sind die in das Rohrbündel 6 mündenden
Endstücke 224 der Ableitungsrohre 202 werkseitig
mit dem jeweiligen oberen Rohrbodensektor 103 verschweißt.
Das anschließende Leitungsstück 225 durchtritt
die obere Reaktorhaube 24 und ist mit dieser werkseitig
verschweißt. Die Endstücke 224 enthalten
bereits die Kompensationseinrichtungen 226. Nach dem Aufsetzen
der Hauben-Baugruppe 4 auf die Mantel/Hauben-Baugruppe 2 werden
die Endstücke 224 mit den jeweils anschließenden
Leitungsstücken 225 mit Montageschweißnaht 227 verschweißt.
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Die
Dichtungseinrichtungen 228 zwischen dem Reaktormantel 15 und
dem unteren bzw. oberen Rohrboden 104, 103 entsprechen
der Ausführungsform gemäß 3a in
rechwinkliger Ausgestaltung. Sie sind werkseitig mit der Unterseite 13 des
unteren Rohrbodens 104 bzw. mit der Oberseite 12 des
oberen Rohrbodens 103 verschweißt und werden auf
der Baustelle mit Montageschweißnähten 229 druckdicht an
den Reaktormantel 15 geschweißt.
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Sowohl
die unteren als auch die oberen Rohrbodensektoren 104, 103 weisen
an ihren radial inneren Rändern 330 Flansche 231 mit
gegenüber den Rohrböden 104, 103 reduzierter
Dicke auf, an denen die Rohrbodensektoren 104, 103 mittels
Montageschweißnaht 232 miteinander verschweißt
sind. Die Flansche 231 verlaufen bei den unteren Rohrbodensektoren 104 bündig
mit der Unterseite 13 und bei den oberen Rohrbodensektoren 103 bündig
mit deren Oberseite 12.
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Die
Zu- und die Ableitung des Reaktionsgases 28 erfolgt mittels
eines zentralen Gaseintrittsstutzens 27 in die untere Reaktorhaube 25 bzw.
mittels eines zentralen Gasaustrittsstutzens 26 aus der
oberen Reaktorhaube 24. Die obere Reaktorhaube 24 weist
einen Zugangsstutzen 29 auf, wie auch die untere Reaktorhaube 25.
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Wie
aus 10b ersichtlich ist, verlaufen längs
der Teilungsränder 102 der Rohrbündel-Sektoren 100 bzw. 3a–3d rohrfreie
Gassen 105. Zusätzlich sind in jedem Rohrbündel-Sektor 3a–3d weitere
4 rohrfreie Gassen 233 ausgebildet, die sternförmig von
dem jeweiligen Zuleitungs- bzw. Ableitungsrohr 201, 202 des
Rohrbündel-Sektors 3a–3d aus
verlaufen.
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Der
in 11 dargestellte Rohrbündelreaktor 5 weist
wie der in der 10a dargestellte Rohrbündelreaktor
ebenfalls vier Ableitungsrohre 202 auf, die in den oberen
Rohrboden 9 münden und aus. der oberen Reaktorhaube 24 austreten.
Der Wärmeträger 23 umspült die
Reaktionsrohre 7 und verdampft zumindest teilweise. Das
entstehende Flüssigkeits-Dampf-Gemisch steigt durch die
Ableitungsrohre 202 nach oben.
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Die
Ableitungsrohre 202 münden in eine über
der oberen Reaktorhaube 24 angeordnete Dampftrommel 234 und
bilden gleichzeitig deren Unterstützungseinrichtung aus.
Von der Dampftrommel 234 aus erstreckt sich ein Fallrohr 235 zentral
und vertikal durch die obere Reaktorhaube 24 und durch den
oberen Rohrboden 9 hindurch bis kurz oberhalb des unteren
Rohrbodens 11. Durch dieses Fallrohr 235 strömt
flüssiger Wärmeträger 23 aus
der Dampftrommel 234 zurück in den Druckbehälter
bzw. Wärmeträgerraum 17 zwischen den
Rohrböden 9, 11.
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Die
Rohrböden 9, 11 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel über
ihre gesamte Dicke an dem Reaktormantel 15 befestigt. Das
heißt, der dargestellte Rohrbündelreaktor 5 ist
nicht aus erfindungsgemäßen Baugruppen zusammengesetzt, sondern
kom plett im Werk gefertigt. Es ist jedoch auch ohne weiteres möglich,
solche Rohrbündelreaktoren 5 in ähnlicher
Weise, wie in 9 dargestellt, als erfindungsgemäßen
Baugruppensatz zu fertigen, wobei im Ausführungsbeispiel
von 11 das durch die untere Reaktorhaube verlaufende
Zuleitungsrohr entfällt und durch das Fallrohr 235 ersetzt
ist.
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Die
untere und die obere Reaktorhaube 25, 24 weisen
wiederum jeweils einen Gasein- bzw. Gasaustrittsstutzen 27, 26 sowie
einen Zugangsstutzen 29 auf.
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In
den 12a und 12b sowie 13a und 13b sind
jeweils Anordnungen 300 mehrerer Rohrbündelreaktoren 5 dargestellt.
Jeder dieser Rohrbündelreaktoren 5 ist ein kompletter,
für sich betriebsfähiger Rohrbündelreaktor 5 mit
einem Bündel vertikaler, katalysatorgefüllter
Reaktionsrohre. Die Enden der Reaktionsrohre sind in einem oberen
und in einem unteren Rohrboden 9, 11 druckdicht
befestigt. Ein Reaktormantel 15 umschließt das
Rohrbündel und ist mit den Rohrböden 9, 11 druckdicht
verbunden, sodass der Reaktormantel 15 mit den Rohrböden 9, 11 einen
Druckbehälter ausbildet. Ein flüssiger, zumindest
teilweise verdampfender Wärmeträger 23 umspült
unter Druck die Reaktionsrohre. Die Rohrböden 9, 11 sind
jeweils von einer Reaktorhaube 24, 25 überspannt,
die mit dem Reaktormantel 15 verbunden sind und die mit
den Reaktionsrohren in Strömungsverbindung stehen. Eine
der Reaktorhauben bildet eine Gaseintrittshaube aus, im dargestellten
Ausführungsbeispiel die obere Reaktorhaube 24, und
die andere, im vorliegenden Fall die untere, Reaktorhaube 25 bildet
eine Gasaustrittshaube aus.
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Jeder
Rohrbündelreaktor 5 bildet hinsichtlich Abmessungen
und Gewicht eine für sich transportfähige Einheit
bzw. Baugruppe der Anordnung 300 aus.
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Zu
einer erfindungsgemäßen Anordnung 300 zusammengestellt,
sind jeweils die Gaseintritts- und jeweils die Gasaustrittshauben 24, 25 benachbarter
Rohrbündelreaktoren 5 über kurze Rohrleitungen 301 miteinander
verbunden. Eine oder einige der Gaseintritts- bzw. der Gasaustrittshauben 24, 25 ist bzw.
sind mit (nicht dargestellten) Gaszu- bzw. Gasableitungsrohren verbunden,
die von außen in die Anordnung 300 hinein bzw.
aus der Anordnung herausführen.
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Oberhalb
der Anordnung 300 ist eine Dampftrommel 302 angeordnet,
die mit jedem von den Rohrbündelreaktoren 5 kommenden
Ableitungsrohr 303, 305 für die Flüssigkeits-Dampf-Gemische 23 und
die auch mit jedem zu den Rohrbündelreaktoren führenden
Zuleitungsrohr 304, 312 für den flüssigen Wärmeträger 23 in
Strömungsverbindung steht.
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In
den 12a und 12b ist
eine Anordnung 300 von 6 Rohrbündelreaktoren 5 dargestellt, die
in zwei zueinander parallelen Dreier-Reihen aufgestellt sind. Die
Gaseintritts- und die Gasaustrittshauben 24, 25 der
beiden mittleren Rohrbündelreaktoren 5a dieser
beiden Dreier-Reihen weisen in ihren Scheitelbereichen Zuführungs-Ableitungsstutzen 27, 26 auf,
die an externe – d. h. von außen kommende bzw.
nach außen führende – Gaszuführungs-
bzw. Gasableitungsrohre anschließbar sind. Die Gaseintritts-
und die Gasaustrittshauben 24, 25 der jeweils äußeren
Rohrbündelreaktoren 5b der Dreier-Reihen sind
mit der Gaseintritts- bzw. der Gasaustrittshaube 24, 25 des
mittleren Rohrbündelreaktors 5a ihrer Dreier-Reihe über
kurze Rohrleitungen 301 verbunden, sodass das zugeführte
Gas 28 von der mittleren Gaseintrittshaube 24 zu
den beiden äußeren Gaseintrittshauben 24 strömen
kann und das reagierte Gas 28 von den beiden äußeren
Gausaustrittshauben 25 zu der mittleren Gasaustrittshaube 25 strömen
kann.
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Der
Begriff "kurze Rohrleitung" soll besagen, dass die Rohrleitung 301 direkt
und möglichst ohne Umwege – d. h. auf möglichst
kurzem Wege – zwischen den Reaktorhauben 24, 25 verläuft.
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In
jeder Dreier-Reihe – d. h. in jeder Reihe von Rohrbündelreaktoren 5,
deren Reaktorhauben 24, 25 durch die kurzen Rohrleitungen 301 miteinander
verbunden sind – weist eine Gaseintritts- und eine Gasaustrittshaube 24, 25 einen
Zugangsstutzen 29 auf, durch den hindurch eine Person in
die Reaktorhaube 24, 25 gelangen kann.
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Die
Querschnittsgröße der kurzen Rohrleitungen 301 zwischen
den Reaktorhauben 24, 25 entspricht zumindest
der eines Mannloches, sodass die Person durch diese kurzen Rohrleitungen 301 hindurch
auch in die anderen Reaktorhauben 24, 25 der Reihe
gelangen kann. Hierdurch werden Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten
in den Rohrbündelreaktoren 5 ermöglicht,
ohne dass die Reaktorhauben 24, 25 entfernt werden
müssen oder jede Reaktorhaube 24, 25 einen
eigenen Zugangsstutzen aufweisen muss.
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Ebenso
sind die mit dem flüssigen verdampfenden Wärmeträger 23 gefüllten
Druckbehälter der Rohrbündelreaktoren 5 über
Rohrleitungen 305, 312 miteinander verbunden.
Dazu weist jeder Rohrbündelreaktor 5 einen oberen
Ringkanal 307 zur Ableitung des Flüssigkeits-Dampf-Gemisches
und einen unteren Ringkanal 308 zur Zuleitung von flüssigem Wärmeträger 23 auf.
Die Ringkanäle 307, 308 sind auf der
Außenseite des Reaktormantels 15 angebracht und
stehen mittels über den Umfang gleichmäßig
verteilte Öffnung mit den Druckbehältern im Inneren
des Reaktormantels 15 in Strömungsverbindung.
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Die
jeweils einander gegenüberliegenden oberen Ringkanäle 307 der
beiden Dreier-Reihen stehen über Wärmeträger-Ableitungsrohre 305 miteinander
in Strömungsverbindung. In jedes dieser drei Wärmeträger-Ableitungsrohre 305 mündet
eine Steigleitung 303, deren oberes Ende in die Dampftrommel 302 mündet
und über die das entstandene Flüssigkeits-Dampf-Gemisch
aus den jeweils beiden angeschlossenen Rohrbündelreaktoren 5 in
die Dampftrommel 302 strömt.
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Die
Steigleitungen 303 bilden gleichzeitig die vertikalen Abstützungen
für die Dampftrommel 302.
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In
der Dampftrommel 302 wird die Flüssigkeit von
dem Dampf abgetrennt. An ihrer Oberseite weist die Dampftrommel 302 eine
Ableitung 309 für Dampf 310 auf. Horizontal
mündet in die Dampftrommel 302 eine Zuleitung 311 für
flüssigen Wärmeträger 23, die gleichzeitig
die horizontale Abstützung der Dampftrommel 302 bilden
kann.
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Die
unteren Ringkanäle 308 der beiden äußeren
Rohrbündelreaktoren 56 stehen über Wärmeträger-Zuleitungsrohre 312 mit
dem unteren Ringkanal 308 des mittleren Rohrbündelreaktors 5 ihrer Dreier-Reihe
in Strömungsverbindung. In jedes dieser vier Wärmeträger-Zuleitungsrohre 312 mündet eine
Fallleitung 304, deren oberes Ende in die Dampftrommel 302 mündet
und über die flüssiger Wärmeträger 23 aus
der Dampftrommel 302 zurück in die Rohrbündelreaktoren 5 strömt.
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Die
Rohrbündelreaktoren 5 sind über eine Befestigungskonstruktion 313 mechanisch
zu einer Einheit miteinander verbunden. Mittels an der Einheit angebrachter
Auflagekonsolen 314 kann diese Einheit von einer Unterstützungskonstruktion 315 abgestützt
werden. Im vorliegenden Fall liegen die Auflagekonsolen 314 auf
horizontalen Trägern 315 auf.
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Bei
dem in den 13a und 13b dargestellten
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Anordnung 300 sind 10 Rohrbündelreaktoren 5 auf
einer Kreislinie aufgestellt. Die Ausbildung der Rohrbündelreaktoren 5 entspricht
im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 9,
wobei die Rohrbündelreaktoren 5 jedoch jeweils
solche Abmessungen und Gewicht aufweisen, dass sie transportabel und
daher werkseitig fertig montiert sind.
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Die
Gaseintrittshauben 24, d. h. die oberen Reaktorhauben,
zweier einander diametral gegenüberliegender Rohrbündelreaktoren 5 weisen
jeweils einen Gaseintrittsstutzen 27 auf, der an ein externes Gaszuführungsrohr
anschließbar ist.
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Benachbarte
Gaseintrittshauben 24 sind jeweils über eine kurze
Rohrleitung 301 miteinander verbunden. Einige der Gaseintrittshauben 24 – im dargestellten
Beispiel sind es vier – weisen einen Zugangsstutzen 29 auf, über
den eine Person in die Gaseintrittshaube 24 gelangen kann.
Der Querschnitt der kurzen Rohrleitungen 301 ist wiederum
mindesten so groß wie der eines Mannloches, sodass die Person – wie
im Ausführungsbeispiel gemäß 12a und 12b – durch
die kurzen Rohrleitungen 301 von einer Gaseintrittshaube 24 zur
nächsten gelangen kann.
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Im
Zentrum der Anordnung 300, in Höhe bzw. unterhalb
der Gasaustrittshauben 25, d. h. der unteren Reaktorhauben,
ist ein Gassammelbehälter 316 angeordnet. Benachbarte
Gasaustrittshauben 25 sind über Gasaustrittsleitungen 317 miteinander verbunden.
Von jeder Gasaustrittsleitung 317 führt eine Gassammelleitung 318 zu
diesem Gassammelbehälter 316.
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Der
Gassammelbehälter 316 ist als Abscheider ausgebildet
und weist in seinem Innenraum oberhalb der Einmündungen 319 der
Gassammelleitungen 318 einen Filter 320 auf. Flüssige
Bestandteile 321 des reagierten Gases 322 werden
abgeschieden und im unteren Bereich des Abscheiders 316 gesammelt,
von wo die Flüssigkeit 321 über eine
Flüssigkeits-Austrittsleitung 323 abgeleitet wird.
Die gasförmigen Bestandteile 324 strömen
durch den Filter 320 hindurch nach oben und werden von
dort über eine Gas-Austrittsleitung 325 abgeleitet.
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Da
die Gasaustrittshauben 25 im dargestellten Ausführungsbeispiel
untereinander nicht durch begehbare Rohrleitungen verbunden sind,
ist jede Gasaustrittshaube 25 mit einem eigenen Zugangsstutzen 29 versehen,
der beispielhaft nur in 13a beim
linken Rohrbündelreaktor 5 dargestellt ist.
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Oberhalb
der Rohrbündelreaktoren 5 ist eine gemeinsame
ringförmige Dampftrommel 302 angeordnet, mit der
jeder Rohrbündelreaktor 5 jeweils über
eine eigene Steigleitung 303 verbunden ist. Die Steigleitung 303 durchläuft
den oberen Rohrboden 9 und die Gaseintrittshaube 24 des
jeweiligen Reaktors 5. Durch die Steigleitung 303 hindurch
steigt das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch 23 aus den
Rohrbündelreaktoren 5 in die Dampftrommel 302 auf.
Auch hier bilden die Steigleitungen 303 die vertikale Abstützung
der Dampftrommel 302.
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Ferner
führt von der Dampftrommel 302 zu jeweils zwei
benachbarten Rohrbündelreaktoren 5 im Innenbereich
der kreisförmigen Anordnung 300 eine Fallleitung 304,
die sich in Höhe der Gasaustrittshauben 25 in
zwei Wärmeträger-Verteilerleitungen 326 verzweigt.
Diese beiden Wärmeträger-Verteilerleitungen 326 führen
zu den jeweiligen benachbarten Rohrbündelreaktoren 5,
durchlaufen die Gasaustrittshaube 25 und münden
in den unteren Rohrboden 11 des jeweiligen Rohrbündelreaktors 5.
Durch diese Fall- und Verteilerleitungen 304, 326 hindurch strömt
flüssiger Wärmeträger 23 von
der Dampftrommel 302 zurück in die Rohrbündelreaktoren 5.
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Auf
der Oberseite der Dampftrommel 302 ist eine Ableitung 309 für
den Dampf 310 angeordnet. Ferner wird der Dampftrommel 302 über
eine Wärmeträger-Zulaufleitung 311 flüssiger
Wärmeträger 23 zugeführt.
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Auch
bei dieser Anordnung 300 sind sämtliche Rohrbündelreaktoren 5 zu
einer mechanischen Einheit aneinander befestigt und stehen auf einer
gemeinsamen Unterkonstruktion 315.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 3518284 [0005]
- - DE 2013297 [0005]
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- - EP 1210976 A2 [0014]
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- - DE 2758131 [0018, 0019]
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- - DT 2513499 A1 [0020]
- - EP 1048343 A2 [0021]
- - EP 1590076 A1 [0022]
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- - WO 2004/004884 A1 [0024, 0025]