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Hochdruckbehälter zur Ausführung chemischer Reaktionen Bei der großtechnischen
Durchführung von chemischen Reaktionen bei hohen Temperaturen und hohen Drücken,
z.B. bei der Ammoniak-und Methanolsynthese sowie bei der Druclthydirierung von verschiedenen
Stoffen, müssen die Reaktionsbehälter mit einer Innenisolierung ausgerüstet sein,
die eine zu hohe oder eine ungleichmäßige Erwärmung der drucktragenden Behälterwand
verhindert. Um die miteinander reagierenden Stoffe nicht zu verunreinigen, sieht
man vor, sie mit dem Isoherwerkstoff nicht in Berührung zu hringen. Es ist z. B.
üblich, im Innern des Reaktionsbehälters ein dichtes Zentralrohr anzuordnen, durch
das die umzusetzenden Gase und/oder Flüssigkeiten strömen. Im Zentral rohr (Reaktionsrohr)
sind vielfach auch die Katalysatoren eingebaut. Die Isolierung des Reaktionsraumes
gegenüber der d'rucktragenden Behälterwand wird entweder auf der Innenseite dieser
Wand eingemauert oder auf dem Zentral rohr fest aufgemauert. Als Isolierwerkstoffe
werden dafür meist Diatomit- und Schamottesteine oder auch Zement-Asbest verwendet.
Um die drucktragendfe Wand auf besonders niedriger Temperatur zu halten, wird vielfach
unmittelbar an der Innenwand solcher Hochdruckbehälter in einem schmalen Ringraum
ein kaltes Gas oder Gasgemisch entlanggeführt. Man erreicht damit einen beträchtlichen
Temperaturabfall in der z. B. auf dem Zentral rohr aufgebrachten Isolierung, die
meist von einem metallischen Mantel umhüllt ist.
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Das Zentral rohr besteht bei der Ausführung chemischer Reaktionen
unter hohen Temperaturen im allgemeinen aus einem korrosionsfesten Spezialwerkstoff,
der wesentlich andere Wärmeausdehnungseigenschaften hat als der Isolierwerkstoß
und dessen metallische Umhüllung, die nur mit Stoffen niedriger Temperatur in Berührung
kommt.
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Beim Betrieb eines derartigen Hochdruckbehälters führen die unterschiedlichen
Temperaturen und Wärmeausdehnungen des zentral angeordneten Reaktionsrohres, des
Isolierwerkstoffes und dessen Umhüllung häufig zu Rißbildungen in der Isolierung.
In der Folge ergeben sich ungleichmäßige Temperaturfelder im Reaktionsrohr, in der
Isolierhülle und auch in der drucktragenden Behälterwand. Da die erwähnten Reaktionsbehälter
Längenabmessungen bis zu 20 m und mehr haben, führen solche Felder höherer Temperatur
im Zusammenwirken mit den unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zu Verbiegungen des
Reaktionsrohres, zu Anrissen in der isolierenden Umhüllung und auch zu Spamlungen
in der drucktragenden Behälterwand. Die Spannungen in der Behälterwand können in
kritischen Fällen. eine Größenordnung erreichten, die einer unzulässigen Überbeanspruchung
des Ävandwerkstoffes gleichkommt. Der zur Mantelkühlung durch kalte Reaktionsgase
geschaffene spaltartige Ringraum an der Innenwand des Druckbehälters wird durch
die Verbiegungen der Zentralrohrumhüllung einseitig verengt, so daß die dann n eintretende
ungleichmäßige Gasströmung ihrerseits zu weiteren unerwünschten örtlichen Temperatursteigerungen
in der drucktragenden Wand führt.
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Anrisse in der Isolierhülle bewirken, daß staubförmiges Isoliermaterial
in den Gasstrom gelangt und schließlich nachgeschaltete Wärmeaustauscher verstopft
sowie auf den Katalysatoren schädliche Ablagerungen bildet. Insbesondere bei schnell
vorzunehmenden Betriebsunterbrechungen im Fall von Störungen können die Verformungen
der Einbauteile des Druckbehälters einen solchen Umfang annehmen, daß ihr Ausbau
sehr erschwert wird oder nur durch Zerstörung einzelner Teile möglich ist.
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Es wurde nun gefunden, daß man diese Nachteile vermeidet, wenn die
aus längs- und querunterteilten Hohlschalen oder Hohlschalensegmenten bestehende
Isolierung des Reaktionsrohres eine in axialer und radialer Richtung ungehinderte
Eigen dehnung auf weist und auf mit dem Reaktionsrohr verbundenen Tragelementen
aufsitzt, so daß sie von diesen in axialer Richtung mitgenommen wird.
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An Hand der Abbildungen sei die Erfindung näher erläutert: Zwischen
dem in Abb. 1 dargestellten Hochdruckmantel M eines z. B. für 300 at Druck ausgelegten
Behälters und dessen zentral angeordnetem Realdionsrohr Z wesentlich kleineren Durchmessers
entsteht ein Ringraum, durch den noch kalte, später an der Reaktion teilnehmende
Gase zur Kühlung des Mantels M hindurchgeleitet werden. Die Gase treten anschließend
in das Reaktionsrohr Z ein. Der Isolier-
werkstoff I, z. B. Diatomitplatten
von 2 cm Dicke, ist in HohlschalenH eingemauert, die ihrerseits zu einem das Reaktionsrohr
Z allseitig umschließenden Isoliermantel zusammengesetzt sind. Am Reaktionsrohr
Z sind ringförmige Tragelemente T befestigt, auf denen die Schalen des Isoliermantels
aufsitzen. Um eine hinreichende Eigendehnung der Schalen H sowie unterschiedliche
Dehubewegungen gegenüber dem Reaktionsrohr Z in axialer Richtung zu gewährleisten,
ist zwischen den Schalen H an ihren nicht auf den Tragelementen T aufsitzenden Enden
und dem darüberliegenden nächsten Tragelement T eine Zone S aus einem elastisch
nachgiebigen Werkstoff, z. 13. aus gespritztem Asbest oder Steinwolle, angeordnet.
Die Zone S wird von einem an den Tragelementen T befestigten Zylinder U umhüllt
und gehalten, in dem sich die Schalen H mit gewissem Spielraum bewegen können. Die
isoliererrden Schalen H besitzen auf der dem Reaktionsrohr Z zugewandten Seite Entlüftungsöffnungen
E und enge Rohre D die dem Druckausgleich zwischen dem Spalt am Reaktionsrohr Z
und dem Ringraum R dienen.
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Die Abb. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit im Innern des
Reaktionsrohres Z angeordeter Isolierung. Diese Ausführungsform hat dann besonedlere
Vorteile, wenn im Reaktionsrohr Temperaturen von 500 bis 6000 C und mehr zu erwarten
sind und außerdem in der Reaktionszone wegen eines auftretenden chemischen Angriffes
korrosionsbeständige Werkstoffe verwendet werden müssen. In diesem Fall wird man
die aus verhältnismäßig dünnen Blechen hergestellten Hohlschalen im Innern des Zentralrohres
anordnen und somit das den höheren Gewichtsanteil aufweisende Reaktionsrohr in das
Gebiet niederer Temperaturen etwas weiter nach außen verlegen. Im allgemeinen ist
bei weniger hohen Temperaturen mit geringem chemischem Angriff zu rechnen. Eine
größere radiale Ausdehnung des Reaktionsrohres Z verursacht in der beschriebenen
Anordnung keinen Druck auf die Hohlschalen H, da diese nur lose mit einem gewissen
Spielraum auf das Reaktionsrohr aufgelegt sind. Die Eigenausdehnung der Hohl schalen
in axialer Richtung wird von der Zone S aus elastisch nachgiebigem Werkstoff aufgenommen,
die in ihrer Länge der unterschiedlichen Wärmeausdkehnung zwischen dem Zentralrohr
und den Hohlschalen angepaßt ist. Der die Zone S umschließende Zylinder U : f schützt
den nachgiebigen Werkstoff gegen den an der Innenwand des Druchbehälters entlanggeführten
Gasstrom, ohne die radiale Dehnung der Hohlschalen zu behindern.
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Um die Hohlschalenelemente H, die etwa 1 bis 3 m lang sein können,
zusammenzuhalten, kann um diese ein spiralförmig laufendes nachgiebiges Metallband
gelegt werden, das gleichzeitig eine Führungsleiste für das durch den Ringraum R
zu fördernde kalte Gas bildet. Die beschriebene längs- und querunterteilte Isolierung
ist über die Tragelemente T mit der axialen Wärmeausdehnung des Reakbionsrohres
gekoppelt und verhindert Wärmespannungen zwischen
dem Reaktionsrohr, der Isolierung
und der Hülle des Isolierwerkstoffes so weitgehend, daß die eingangs beschriebenen
Verformungen und Rißbildungen in der Isolierung und deren Folgen vollständig beseitigt
werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß sich die Isolierung ohne Zerstörung ausbauen
läßt. Der Isolierwerkstoff bleibt erhalten und kann bei einer Überholung des Behälters
wieder verwendet werden Beim Entspannen derartiger Hochdruckbehälter entweichen
die Gase aus den meist engporigen Isolierwerkstoffen nur sehr langsam, so daß in
den Rin räumen der Isolierschalen H ein Überdruck entsteht, der gegebenenfalls staubförmige
Teilchen des Isolierwerkstoffes durch die vorgesehenen Entlüftunigsöffnungen mitreißen
kann. Um zu verhindern, daß dieser Staub in den Ringraum R und auf dem weiteren
Gas weg in den Wärmetauscher oder auf den Katalysator gelangt, sind die Hohlschalen
H nur auf der dem Reaktionsrohr Z zugekehrten Innenseite mit Enaliiftungsöffnungen
E versehen, während nach der dem Ringraum zugewandten Außenseite hin die durchgeführten
Rohre D gegebenenfalls für einen Druckausgleich zum Ringraum R hin sorgen.