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Vorrichtung zum Abschrecken der durch Hochtemperaturspaltung von Kohlenwasserstoffen
gebildeten, Olefine, Diolefine und Aromaten enthaltenden heißen Reaktionsprodukte
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, in welcher das ohne Katalysator durchgeführte
Hochtemperaturkracken von Kohlenwasserstoffen unter Bildung von Olefinen, Diolefinen,
aromatischen Kohlenwasserstoffen usw., insbesondere das Hochtemperaturkracken in
Gegenwart von Wasserdampf vorgenommen werden kann.
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Verschiedene Verfahren, die das Hochtemperaturkracken oder Dampfkracken
von hochsiedenden flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Rückstandsölen und Gasölen von
niedrig siedenden Kohlenwasserstoffen wie Naphtha und von Kohlenwasserstoffgasen
wie Athan, Propan usw. unter Bildung von Olefinen wie Athylen und Propylen, von
Diolefinen wie Butadien, und von aromatischen Kohlenwasserstoffen wie Benzol, Toluol
usw. betreffen, sind bereits beschrieben worden. Bei diesen unter Anwendung von
hohen Temperaturen erfolgenden Krackverfahren müssen die aus der Krackzone kommenden
Produkte abgeschreckt, d. h. plötzlich und schnell auf eine niedrige Temperatur
abgekühlt werden, um Nebenreaktionen zu verhindern oder zu verringern, die die Ausbeute
an erwünschten Produkten herabsetzen und die Ausbeuten an unerwünschten Produkten
erhöhen.
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Das Hochtemperaturkracken erfolgt bei etwa 649 bis 8710 C, und die
Temperatur muß plötzlich auf 260 bis 3150 C durch Einführung eines Kühlöls oder
einer Kühlflüssigkeit in die gekrackten Produkte herabgesetzt werden. Die Kühlung
wird in der Auslaßleitung des Erhitzers oder Ofens durchgeführt und infolge der
großen Temperaturunterschiede und extremen Betriebsbedingungen bilden sich in diesen
die gekrackten Produkte wegführenden Auslaßleitungen zahlreiche Risse, wodurch in
einigen Fällen eine Stillegung der Anlage verursacht wurde. Das bei dem Kühlvorgang
auftretende Temperaturgefälle läßt in der Auslaßleitung bzw. dem Auslaßrohr Spannungen
entstehen, die Risse im Rohr selbst sowie in den Schweißstellen verursachen.
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Die Schockwirkung und die Rohrspannungen ergeben sich auch aus der
Verlagerung der Kühlpunkte oder -bereiche während des Betriebes. Bei technischen
Anlagen werden mindestens zwei Kühldüsen eingebaut und abwechselnd verwendet, um
durch die beim Wechsel von einer Düse zur anderen entstehenden Temperaturunterschiede
alle Koksablagerungen im Auslaßrohr abplatzen zu lassen. Bei diesen industriellen
Anlagen treten daher schwierige Instandhaltungsprobleme auf.
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Bei verschiedenen industriellen Anlagen wurden Temperaturkurven aufgenommen,
aus denen zu entnehmen ist, daß im Auslaßrohr Wärmespannungen auftreten und daß
bis zu etwa 1,22 m in Strömungsrichtung hinter dem ersten Kühlpunkt oder -bereich
(sowohl axial als auch am Rohrmantel) wesentliche Temperaturdifferenzen bestehen,
wobei die maximale Differenz am Rohrmantel etwa 4440 C beträgt.
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Nach der Erfindung wird eine Isolation für die Einspritzstelle der
Kühlflüssigkeit verwendet. Diese Konstruktion umfaßt einen verbreiterten Rohrabschnitt,
der mit einem gießbaren Material isoliert und innen durch einen rohrförmigen Einsatz
geschützt ist. Die Isolation und der Einsatz schützen die druckfeste Wandung vor
Wärmeschocks. Das Auslaßrohr wird daher nicht auf Wärmespannungen sondern nur auf
Biegespannung und Druckspannung beansprucht. Die Verbindungsstellen des Einsatzes
sind gleitend ausgebildet, um die Dehnung in Längsrichtung zu ermöglichen und die
Dehnungsspannung zu beseitigen. Der Einsatz ist so konstruiert, daß im Innern Hindernisse
vermieden werden, die die Bildung und Ablagerung von unerwünschtem Koks verursachen.
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Fig. 1 ist eine schematische Zeichnung und zeigt einen Krackofen
und die angeschlossenen Anlage teile;
Fig. 2 ist ein vergrößerter
senkrechter Querschnitt eines Teils der Auslaßleitung, bei dem Kühlpunkte oder -bereiche
vorgesehen sind.
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In Fig. 1 bezeichnet 10 eine Leitung, durch die z. B. ein Kohlenwasserstoff
mit einer Geschwindigkeit von etwa 3175 bis 22226 hl pro Tag eingeführt wird. Bei
dem Kohlenwasserstoff kann es sich um eine leichte Naphthafraktion, eine schwere
Naphthafraktion oder aber um eine weit geschnittene Naphthafraktion handeln. Es
können auch hochsiedende Ausgangsstoffe, wie z. B. Gasöl, verwendet werden. Bei
Naphtha kann es sich um ein unbearbeitetes Material handeln. Wenn eine leichte Naphthafraktion
verwendet wird, liegt der Siedebereich zwischen etwa 15,5 und 1040 C, bei Verwendung
einer schweren Naphthafraktion zwischen etwa 143 und 229- C. Das Naphtha oder das
andere Ausgangsmaterial wird vorzugsweise durch einen (nicht gezeigten) Wärmeaustauscher
geleitet, um es auf eine Temperatur zwischen etwa 135 und 151,60 C vorzuwärmen,
und der vorgewärmte Kohlenwasserstoff wird dann durch Leitung 10 weiter in den Krackofen
oder in die Kracköfen 14 transportiert. Vor der Einführung in den Krackofen wird
der Kohlenwasserstoff in Leitung 10 mit Wasserdampf vermischt, der auf eine Temperatur
von etwa 171 bis 1820 C erhitzt worden ist und durch Leitung 16 zugelassen wird.
Die Menge des verwendeten Wasserdampfes liegt zwischen etwa 70 und 85 Molprozent,
bezogen auf Ölbeschickung plus Wasserdampf.
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In dem Krackofen (oder den Kracköfen) ist eine Heizschlange 18 vorgesehen,
und das Naphtha wird innerhalb des Ofens auf eine hohe Temperatur zwischen etwa
649 und 8160 C erhitzt, wobei die Verweilzeit des Naphthas bei der hohen Temperatur
zwischen wenigen Sekunden, z. B. 2 Sekunden, und einem Sekundenbruchteil, z. B.
0,5 Sekunden in Abhängigkeit von der verwendeten Temperatur eingestellt wird und
die längeren Zeiten mit den niedrigeren Temperaturen angewendet werden. Der Überdruck
während des Krackens beträgt etwa 1,19 bis 1,4 kg/cm2.
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Die gekrackten Produkte verlassen mit der hohen Temperatur den Krackofen
durch die Auslaßleitung 22 und werden durch die Einführung eines Kühlmediums durch
die mit Abstand voneinander angeordneten Leitungen oder Düsen 24 oder 26, vorzugsweise
zuerst jedoch durch Leitung 24, in die Leitung 22 unmittelbar auf eine Temperatur
zwischen etwa 260 und 3150 C abgekühlt. Die gekühlte Mischung wird dann in den unteren
Teil des Trennturms 30 eingeführt. Die Kühlleitungen können von einem (nicht gezeigten)
Verteiler gespeist werden.
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In der Zeichnung sind mehrere Kühlpunkte oder Kühldüsen gezeigt.
Die senkrecht angeordneten Kühldüsen 24 und 26 sind mit waagerechtem Abstand voneinander
entlang der Auslaßleitung 22 angeordnet, die vom Krackofen 14 zum Turm 30 führt.
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Die Kühldüsen 24 und 26 sind im waagerechten Querschnitt zylindrisch
und kreisförmig. Die Kühldüsen 24 und 26 werden während des Betriebs der Anlage
abwechselnd verwendet.
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Die gekrackten Produkte aus der Leitung 22 werden in den unteren
Teil des Turmes 30 geleitet und eine Bodenfraktion wird durch die Leitung 32 abgetrennt.
Im Turm 30 herrscht ein Überdruck von etwa 0,035 bis 0,21 kg/cm2. Die dampf- und
gasförmigen Reaktionsprodukte ziehen oben durch die Leitung 34
ab und werden nach
irgendeinem der üblichen Verfahren zur Gewinnung der gewünschten Olefine, Diolefine,
Benzol und Toluol weiterbehandelt.
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Ein Teil des Auslaßrohres 22 ist in F i g. 2 vergrößert gezeigt und
enthält die eingehender dargestellten Kühldüsen 24 und 26. Die Auslaßleitung 22
verläuft vom Eingang 36 in einem Winkel von etwa 70 gegen die Waagerechte abwärts
zum Ausgang38. Der Eingang36 und der Ausgang 38 der Auslaßleitung 22 haben im wesentlichen
den gleichen Durchmesser.
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Ein Metalleinsatzrohr, das mit 42 bezeichnet ist, hat im wesentlichen
den gleichen Durchmesser wie der Eingang 36 und der Ausgang 38 des Auslaßrohres
22. Die Auslaßleitung 22 hat einen zylindrischen und kreisförmigen senkrechten Querschnitt.
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Wie angegeben wurde, haben die den Krackofen 14 verlassenden Reaktionsprodukte
eine Temperatur zwischen etwa 649 und 8710 C, und wenn diese Reaktionsprodukte auf
eine Temperatur zwischen etwa 260 und 3150 C abgekühlt werden, entstehen in der
Auslaßleitung 22 Wärmespannungen und -beanspruchungen, und in nicht isolierten,
der Leitung22 entsprechenden Auslaßleitungen sind Risse aufgetreten. Nach der Erfindung
werden diese Fehler und Mängel dadurch überwunden, daß man im Kühlbereich der Auslaßleitung
22 eine Isolation anbringt. Das innere metallische Einsatzrohr 42 wird mit Abstand
von einem Rohr oder rohrförmigen Bauteil 48 umgeben, das einen kreisförmigen Querschnitt
besitzt. Der Einsatz 42 ist rohrförmig oder wird auf die nachstehend beschriebene
Weise von einer Mehrzahl ringförmiger Abschnitte gebildet. Das Rohr 48 hat einen
größeren Durchmesser als die Auslaßleitung 22. Der Raum zwischen dem Rohr 48 und
dem Einsatz 42 ist mit einem Isolationsmaterial 50 gefüllt.
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Das Ende des erweiterten Rohres 48 in der Nähe der Düse 24 ist vom
Ende 36 des Auslaßrohres 22 entfernt, und die benachbarten Enden des Einsatzes 42
und des Auslaßrohres 22 werden von einem Reduzierstück oder konischen Abschnitt
oder Rohr 52 verbunden, der an seinem dem Ende 36 des Rohres 22 benachbarten Ende
im wesentlichen gleich groß ist wie das Auslaßrohr 22 und an seinem anderen oder
erweiterten Ende im wesentlichen den gleichen Durchmesser hat wie das äußere umgebende
Rohr 48. Der Reduzierabschnitt 52 ist mit dem Auslaßrohr 22 und dem Rohr 48 bei
54 und 56 verschweißt.
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Eine Arbeitsfuge 57 einschließlich einer Schweißverbindung ist im
Raum zwischen dem äußeren Rohr 48 und dem inneren Einsatz 42 nahe der Schweißnaht
56 vorgesehen. Die Arbeitsfuge 57 ist vorgesehen, um den Zusammenbau der erfindungsgemäßen
Anlage zu ermöglichen.
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Die Kühldüsen 24 und 26 sind entlang dem Auslaßrohr 22 mit Abstand
voneinander angebracht.
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Jede Kühldüse 24, 26 erstreckt sich durch eine Öffnung 58 im äußeren
Rohr 48 nach innen und ist bei 62 an das Rohr 48 angeschweißt. Das untere Ende jeder
Kühldüse 24. 26 besitzt einen ringförmigen Flansch 64, der bei 66 an ihrem äußeren
Rand angeschweißt ist. Der Flansch ist zur Achse der Düse 24 konzentrisch angeordnet,
erstreckt sich von der Kühldüse 24, 26 nach außen die mit dem inneren Einsatz 42
auf die nachstehend beschriebene Weise zusammenwirkt. Die Flansche 64 sind auf der
Außenseite
des Einsatzes 42 nicht befestigt, sondern verschiebbar
auf dem mittleren Abschnitt 76 des Einsatzes 42 angeordnet, um eine relative Bewegung
der Flansche 64 gegenüber dem Abschnitt 76 des Einsatzes 42 zuzulassen.
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Jede Kühldüse 24, 26 besitzt Kühlzuführungsleitungen 68, 70, die
sich rechtwinklig zu den senkrecht angeordneten Düsen erstrecken. Das Kühlöl tritt
durch die Ölzuführungsleitungen 68, 70 in die Kühldüsen 24, 26 ein. Das obere Ende
72 jeder Düse ist abnehmbar, um die Entfernung sämtlicher Koksablagerungen zu gestatten,
die sich während des Betriebes in den Kühldüsen 24, 26 gebildet haben könnten.
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Nahe seinem Eingangsende wird der Einsatz 42 durch einen kleinen
ring- oder rohrförmigen Abschnitt 74 gebildet, der etwa den gleichen Durchmesser
hat wie die Auslaßleitung 22. An seinem dem Einlaß 36 des Auslaßrohres 22 nahegelegenen
Ende ist der ringförmige Abschnitt 74 bei 75 an der Innenseite des Reduzierstücks
52 ein kurzes Stück in Strömungsrichtung hinter der Schweißnaht 54 angeschweißt,
die das Einlaßende 36 der Leitung 22 mit dem engeren Ende des Reduzierstücks 52
verbindet.
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Wie vorstehend ausgeführt wurde, besteht der innere Einsatz aus mehreren
Abschnitten, die so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie eine glatte Innenfläche
ohne Hindernisse aufweisen, welche die Bildung von Koksablagerungen begünstigen
würden.
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In der spezifischen Form der vorliegenden Erfindung besteht der Einsatz
aus drei Abschnitten.
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Wie bei 78 gezeigt ist, hat der ringförmige Abschnitt 74 von dem
nächsten benachbarten mittleren Abschnitt 76 einen Abstand. Die benachbarten Enden
der Abschnitte 74 und 76 sind, wie bei 80 dargestellt ist, abgeschrägt und besitzen
Abstand voneinander, um eine Dehnung der Abschnitte 74 und 76 des Einsatzes 42 zu
ermöglichen, wenn die Anlage in Betrieb ist. Die benachbarten Enden der Abschnitte
74 und 76 sind in einem Winkel von 450 abgeschrägt und bilden ein V. Die ring- oder
rohrförmigen Abschnitte 74 und 76 haben im wesentlichen den gleichen Durchmesser.
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Der ringförmige Raum 78 wird von einem schmalen ringförmigen Abschnitt
oder Ring 82 umgeben, der einen etwas größeren Durchmesser hat als die inneren Abschnitte
74 und 76, um über die Öffnung oder Lücke 78 zu greifen, sie zu schließen und einen
kontinuierlichen Kanal durch den inneren Einsatz 42 zu bilden. Ein Ende des Rings
82 ist bei 84 mit der Außenseite des ringförmigen Abschnitts 74 an einer Stelle
verschweißt, die in Strömungsrichtung vor der Lücke 78 liegt. Der Ring 82 kann auf
dem Mittelabschnitt76 gleiten. Die Abstand voneinander besitzenden Abschnitte 74
und 76 bilden mit dem Ring 82 eine gleitende Verbindung, so daß der Ring 82 eine
relative Bewegung der benachbarten Enden der Abschnitte 74 und 76 zuläßt, wenn sich
diese Abschnitte während des Betriebes ausdehnen. Der Ring 82 kann auf der Außenseite
des Abschnitts 76 gleiten.
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Der ringförmige Abschnitt 76 besitzt in seiner oberen Wand eine größere
Öffnung 83 zur unbehinderten Aufnahme des unteren Endes der Düse 24.
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Die neben dem Ring 82 befindlichen Flansche 64 sind vom Ring 82 durch
einen Ring aus komprimierbarem Isolationsmaterial 88 oder während des Gießens durch
eine entfernbare Form getrennt, um
die Wärmedehnung oder Verlängerung des Abschnitts
76 des Einsatzes 42 während des Betriebes der Anlage zu ermöglichen.
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Die Öffnung 83 ist durch Wegschneiden eines Teils der Oberseite des
Einsatzes 42 gebildet. Der in Strömungsrichtung vordere abgeschrägte Rand 90 des
Einsatzes 42 befindet sich auf der Höhe des Außenrandes der Düse 24 in kaltem Zustand,
um eine Wärmedehnung während des Betriebes zu gestatten. Der andere nach außen abgeschrägte
Rand 92 des Abschnitts 76 befindet sich in Strömungsrichtung ein kurzes Stück hinter
der Düse 24 in kaltem Zustand, um eine Wärmedehnung während des Betriebes zuzulassen.
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Die andere Kühldüse 26 wird abwechselnd mit der Düse 24 verwendet
und besitzt Teile, die denen der Düse 24 entsprechen. Die Kühldüse 26 arbeitet in
der gleichen Weise wie die Kühldüse 24, und die mit ihr verbundenen Teile sind mit
den gleichen Bezugszeichen versehen wie die Teile der Düse 24.
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Eine zweite gleitende Verbindung ist bei der Düse 26 vorgesehen und
umfaßt den Ringabschnitt 82', der im wesentlichen dem vorstehend beschriebenen Ring
82 gleicht, und eine weitere gleitende Verbindung bei der Düse 26 einschließlich
eines Flansches 64', der im wesentlichen dem Flansch 64 gleicht. Die gleitenden
Verbindungen an den beiden Stellen wirken in gleicher Weise.
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Das Ausgangsende 38 der Leitung 22 hat im wesentlichen den gleichen
Durchmesser wie die Leitung 22 und ein Reduzierstück 98, das dem weiter oben beschriebenen
Reduzierstück 52 ähnlich ist, verbindet das Ausgangsende 38 der Leitung 22 mit dem
äußeren, weiteren Rohr 48 auf ähnliche Weise, wie zuvor in Verbindung mit dem Eingangsende
36 der Leitung 22 beschrieben wurde. Zur Bezeichnung ähnlicher Bauteile wurden die
gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Ein ringförmiger Auslaßabschnitt 100, der dem ringförmigen Abschnitt
74 entspricht, ist neben dem Auslaßende 38 vorgesehen, wobei die Konstruktion und
Anordnung der benachbarten Teile die gleiche ist wie beim Abschnitt 74.
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Im gesamten Raum zwischen dem Außenrohr 48 und dem inneren Einsatz
42 ist die mit 50 bezeichnete gießbare Isolationsmasse angebracht, die sich von
der Schweißnaht 75 am Ende 36 bis zur Schweißnaht 75 am Ende 38 erstreckt. Diese
Isolation soll ein mittleres Gewicht von etwa 1040 bis 1361kg/ms, eine maximale
Gesamtschrumpfung von etwa O,30/o bei 5380 C und eine maximale Wärmeleitfähigkeit
von etwa 1464 KcaUm2/h/0 C/Zoll bei einer mittleren Temperatur von 2600 C aufweisen.
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An Stelle der gießbaren Isolation können auch lose Wärmeisolationsmaterialien
anderer Art, wie z. B.
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Asbest, Kaolin usw., verwendet werden.
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Die Isolation wird in den Raum zwischen dem Einsatz 42 und dem Außenrohr
48 eingeführt, wobei das Isolationsmaterial zur Vermeidung von Hohlräumen gerüttelt
oder eingestampft werden soll.
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Bei einer Dampfkrackanlage, in der pro Tag etwa 7938 hl Ö1 auf eine
Kracktemperatur von etwa 7600 C erhitzt werden, strömen die gekrackten Produkte
in die Leitung 22 und werden durch die Einführung von etwa 28576hl/Tag einer aromatische
Kohlenwasserstoffe enthaltenden Kühlflüssigkeit mit niedriger Kohlenstoffzahl nach
Co n r a dso n gekühlt, um die Temperatur der gekrackten Produkte auf etwa
288
C herabzusetzen. Zu Beginn des Betriebes wird die Kühldüse 24 verwendet und die
andere Kühldüse 26 wird in Bereitschaft gehalten.
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Für die Konstruktion der Leitung 22 und der Kühlvorrichtung wird
nichtrostender Stahl und Chromstahl verwendet. Der Einsatz 42 und das Reduzierstück
52 werden aus nichtrostendem Stahl und das äußere Rohr 48 aus Chromstahl hergestellt.
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Bei einer spezifischen Ausführungsform hat die Auslaßleitung 22 einen
Innendurchmesser von 30,48 cm, die engeren Enden der Reduzierstücke 52 und 98 haben
einen Durchmesser von etwa 30,48 cm, ihre weiteren Enden haben einen Durchmesser
von 508 cm. Der Einsatz 42 hat einen Innendurchmesser von etwa 30,48 cm und der
Innendurchmesser des äußeren weiten Rohres 48 beträgt etwa 50,8 cm. Der Abstand
vom Eingangsende 36 der Leitung 22 bei der Schweißnaht 54 bis zum Ausgangsende 38
der Leitung 22 bei der Schweißnaht 54 beträgt etwa 5,79 m. Jedes der Reduzierstücke
52 und 98 ist etwa 60,1 cm lang und die Gesamtlänge des Rohrs 48 beträgt etwa 4,57
m. Der Einsatz 42 besteht aus drei Abschnitten aus nichtrostendem Stahl, kann jedoch
auch aus einer anderen Zahl von Abschnitten bestehen. Bei der vorliegenden Ausführungsform
wird der Einsatz 42 aus drei Abschnitten 74, 76 und 100 gebildet. Die Kühldüsen
24 und 26 sind etwa 3,05 m voneinander entfernt.
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Der Ring 82, der am unteren Ende der Düse 24 einen Flansch bildet,
erstreckt sich von der Kühldüse 24 etwa 10,16 cm nach außen. Die den Einsatz 42
bildenden Abschnitte haben eine Wandstärke von etwa 9,5 mm. Die Auslaßleitung 22
ist vom Einlaßende an bis mindestens 3,96 hinter der zweiten Kühldüse 26 in einem
Winkel von etwa 70 abfallend angeordnet.
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Der Ring 102 ist ein üblicher konischer Dampfverschluß.