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Röhrenspaltofen
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Die Erfindung betrifft einen Röhrenspaltofen mit einer Vielzahl von
an einer Tragplatte aufgehängten Spaltrohren, in denen je ein Rückführungsrohr für
das gespaltene Gas angeordnet ist, zur Erzeugung von Wasserstoff unter Ausnutzung
der in einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor gewonnenen Wärmeenergie, die dem
Röhrenspaltofen sowie einem diesem nachgeschalteten Dampferzeuger durch das Kühlgas
zugeführt wird, wobei der Röhrenspaltofen gemeinsam
mit dem Hochtemperaturreaktor
und dem Dampferzeuger in einem Spannbetondruckbehälter untergebracht und in einem
mit einem Liner ausgekleideten Pod angeordnet ist. Die Tragplatte ist hierbei derart
an dem Pod-Liner abgestützt, daß der oberhalb der Tragplatte befindliche Raum gegen
den übrigen, den aktiven Teil des Röhrenspaltofens enthaltenden Raum abgedichtet
ist.
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Um die in einem Kernreaktor erzeugte Wärme bei wärmeverbrauchenden
Prozessen auszunutzen, ist es bekannt, die Wärme des heißen Reaktor-Kühlmittels
direkt - d.h. unter Umgehung eines Zwischenkreislaufs - einer Prozeßwärmeanlage
zuzuführen. So wird in der deutschen Patentschrift 1 298 233 ein Verfahren beschrieben,
bei dem das heiße Helium so geleitet wird, daß es unmittelbar die mit einem Katalysator
gefüllten Rohre einer Methan-Spaltanlage umströmt. Das durch die Rohre geführte
CH4/H20-Gemisch wird dabei durch die Wärmezufuhr und unter Einwirkung des Katalysators
in H2J CO und C02 gespalten. Eine derartige Anlage ist als Röhrenspaltofen bekannt.
Dabei wird eine möglichst weitgehende Durchspaltung angestrebt. Im Prinzip stellt
solch ein Röhrenspaltofen einen Wärmetauscher und gleichzeitig einen chemischen
Reaktionsapparat dar.
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Die Weiterverwendung des gespaltenen Gases kann auf verschiedenen
Wegen erfolgen. So kann mit dem Wasserstoff des gewonnenen Spaltgases Kohle hydrierend
zu Methan (CH4) vergast werden, oder das Spaltgas dient als Wärmeträger beim Transport
von im Hochtemperaturreaktor gewonnener Wärmeenergie an den weit entfernten Ort
des Energieverbrauchs. Dort wird das Spaltgas katalytisch zu Methan umgesetzt und
die dabei frei werdende Wärme verwertet.
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Weitere Röhrenspaltöfen sind in den deutschen Offenlegungsschriften
1 770 309 und 1 934 142 beschrieben. Es handelt sich hier jedoch um konventionelle
Spaltanlagen, d.h. die erforderliche Betriebstemperatur wird durch einen am Kopf
oder Boden des Ofens vorgesehenen Flüssigkeits- oder Gasbrenner erzeugt. Für die
Anordnung
der einzelnen Spaltrohre sind vom Platzangebot her keine
Grenzen gesetzt. Anders verhält es sich jedoch bei einem Röhrenspaltofen der eingangs
geschilderten Bauart, der in den Priniärkreislauf eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors
integriert ist. Durch die Anordnung des Röhrenspaltofens in einem Spannbetondruckbehälter
gemeinsam mit dem Hochtemperaturreaktor muß der Röhrenspaltofen so kompakt wie möglich
konstruiert sein.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, mehrere Röhrenspaltöfen an einen Hochtemperaturreaktor
zu koppeln und alle zu dem Primärkreislauf gehörenden Komponenten, zu denen neben
den Röhrenspaltöfen und Dampferzeugern auch Gebläse und Gas führungen zählen, in
dem Spannbetondruckbehälter unterzubringen. Da die zur Erzeugung von Wasserstoff
erforderlichen hohen Reaktoraustrittstemperaturen mindestens 900°C betragen und
die Röhrenspaltöfen gut zugänglich sein müssen, um den notwendigen Katalysator in
bestimmten Zeitabständen wechseln zu können, treten eine Anzahl von Problemen auf.
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Eines dieser Probleme bildet die Wärmeisolierung der mit hohen Temperaturen
beaufschlagten Bauteile des Primärkreislaufs. Weitere Schwierigkeiten bringt der
Umstand mit sich, daß die Lebensdauer der Röhrenspaltöfen wesentlich kürzer ist
als die der übrigen Komponenten des Primärkreislaufs und daß für das Verteil-und
Sammelsystem für das Prozeßgas, das oberhalb der Tragplatte angeordnet ist, nur
wenig Raum zur Verfügung steht.
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Gemäß einem Vorschlag ist das Verteil- und Sammelsystem eines Röhrenspaltofens
derart ausgebildet, daß die Spaltrohre über die Tragplatte hinaus verlängert und
in diesem Bereich je mit zwei kleineren seitlich angeschlossenen Rohren versehen
sind, durch die das Einsatzgas zu- bzw. das Spaltgas abgeführt wird. Diese kleineren
Rohre sind zwischen den Spaltrohren verlegt und werden außen durch zwei Ringsammler
gesammelt. Aus Platzgründen befindet sich in einer Ebene nur jeweils ein Rohr zwischen
je zwei benachbarten Spaltrohren, und die einzelnen Anschlußrohre sind daher übereinander
angeordnet. Bei diesem Verteil- und Sammelsystem
muß beim Katalysatorwechsel
eine Vielzahl von Flanscheii gelöst und wieder abgedichtet werden; zudem muß der
Raum oberhalb der Tragplatte sehr groß sein. Ein weiterer Nachteil dieses Systems
besteht darin, daß sehr viele Icleine Rohre zwischen den Spaltrohren verlegt werden
müssen, die alle isoliert sein müssen, um Wärmeverluste zu vermeiden. Ferner ist
es notwendig, die Spaltrohre in ihrem oberhalb der Tragplatte befindlichen Teil
zu verjüngen, damit der erforderliche Platz für die Anschlußrohre zur Verfügung
steht. Diese Maßnahme bringt es mit sich, daß nur ein bestimmter Katalysator (in
Raschigringform) verwendet werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Prozeßgasverteil-und
-sammelsystem eines Röhrenspaltofens der eingangs beschriebenen Art so einfach und
kompakt auszubilden, daß es möglichst wenig Raum benötigt und daß ein schneller
Katalysatorwechsel und leichter Ein- und Ausbau des Röhrenspaltofens möglich ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß oberhalb
der Tragplatte zwei übereinander angeordnete, von einem Mantel umgebene zylindrische
Kammerri vorgesehen sind, die unten durch die Tragplatte und oben durch einen Deckel
begrenzt werden und durch eine ebene Lochplatte voneinander getrennt sind, in die
die über die Spaltrohre hinausgeführten und oben offenen Rückführungsrohre abgedichtet
eingesetzt sind, daß sich seitlich an den Mantel zwei koaxial ausgebildete Gasleitungen
anschließen, von denen die innere Gasleitung mit der oberen Kammer und die äußere
Gasleitung mit der unteren Kammer verbunden ist, und daß die obere Kammer als Sammler
für das gespaltene Gas und die untere Kammer als Verteiler für das Einsatzgas dient.
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Das erfindungsgemäße Verteil- und Sammelsystem sorgt für eine gleichmäßige
Aufteilung des Einsatzgases auf die einzelnen Spaltrohre und sammelt das gespaltene
Gas, das in den innerhalb der Spaltrohre verlegten Rückführungsrohren zurückströmt.
Der Raum
oberhalb der Spaltrohre und zwischen ihnen ist frei von
Anschluß-und Sammelleitungen, so daß der für einen schnellen Katalysatorwecllsel
erforderliche Zugang zu den Spaltrohren gewährleistet ist. Ebenso kann der gesamte
Rölirenspaltofen oder Teile von ihm ohne Schwierigkeiten ausgebaut werden. Die der
Zu- und Abführung des Prozeßgases dienenden Leitungen sind als koaxiale Gasführung
ausgebildet, so daß nur ein relativ kleiner Stollen erforderlich ist, durch den
die beiden Prozeßgasleitungen zu der nächsten Komponente (z.B. einem Rekuperator)
weiterführen. Da zwischen den Spaltrohren keine Anschlußrohre verlegt sind, besteht
keine Notwendigkeit, die Spaltrohre in ihrem oberen Teil zu verjüngen. Es ist somit
möglich, einen anderen Katalysator als Raschigringe zu verwenden und dadurch die
Zeit für den Katalysatorwechsel zu verkürzen. Ein solcher Katalysator kann z.B.
Scheibenform haben.
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Es ist zweckmäßig, den Mantel etwa in seiner Mitte innen mit einem
Ring zu versehen, der als Auflageflansch für die ebene Lochplatte dient.
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Vorteilhafterweise sind die in der Lochplatte eingesetzten Rückführungsrohre
durch Stopfen mit Bajonettverschlüssen befestigt und abgedichtet. Da keine die Sicherheit
der Anlage gefährdeten Auswirkungen eintreten können, sind bei der Abdichtung der
Rückführungsrohre in der Lochplatte kleine Leckagen zulässig.
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Im Bereich der ebenen Lochplatte ist zweckmäßigerweise außen an dem
Mantel ein Korbbogenboden angebracht, der mit dem Mantel durch Schweißnaht verbunden
ist. In dem Korbbogenboden ist ein Abzweigstutzen eingesetzt, an den sich die äußere
der beiden koaxial verlegten Gasleitungen anschließt. Abzweigstutzen und äußere
Gasleitung sind miteinander verflanscht.
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Im Bereich des Korbbogenbodens, und zwar unterhalb der ebenen Lochplatte,
weist der Mantel vorteilhafterweise eine Öffnung auf, durch die die äußere Gasleitung
mit der unteren zylindrischen
Kammer in Verbindung steht. Das
dem Röhrenspaltofen zuzuführende Einsatzgas (H20, CHI) strömt durch die äußere Gasleitung
und tritt durch den Korbbogenboden und die genannte Öffnung in die als Verteiler
fungierende untere Kammer ein. 1tier wird das Gas auf die einzelnen Spaltrohre verteilt.
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Oberhalb der ebenen Lochplatte ist im Bereich des Korbbogenbodens
eine weitere Öffnung in dem Mantel vorgesehen, in die ein Flansch eingeschweißt
ist. An diesen Flansch schließt sich die innere der beiden koaxial verlegten Gasleitungen
an. Der Einbau der Gasleitung erfolgt durch die Öffnung in der oberen Kammer, wobei
die Gasleitung vom Kammerinneren her durch die Öffnung gesteckt und mit dem Flansch
verschraubt wird. In dieser inneren Gasleitung, die also in der äußeren Gasleitung
und innerhalb des Abzweigstutzens angeordnet ist, strömt das in der oberen zylindrischen
Kammer gesammelte Spaltgas (HZ,CO,C02,H20,CH1) weiter zu der nächsten Komponente
der Anlage.
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Zweckmäßigerweise ist der die zylindrischen Kammern nach oben abschließende
Deckel mittels Segmentklammerschrauben an einem Flansch befestigt, der sich am oberen
Ende des Mantels befindet.
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Es ist vorteilhaft, den Deckel nach unten gewölbt auszubilden, so
daß das in der oberen zylindrischen Kammer befindliche Prozeßgasvolumen klein gehalten
werden kann.
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In vorteilhafter Weiterentwicklung der Erfindung ist die Tragplatte
nicht aus einem Stück gefertigt, sondern besteht aus einem ebenen Mittelstück und
aus einem an seinem Umfang angeschweißten Flanschring. Eine derartig ausgebildete
Tragplatte läßt sich leichter herstellen, und die Gesamtmasse der Tragplatte ist
kleiner.
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In dem ebenen Mittelstück sind die Spaltrohre eingewalzt und dichtgeschweißt.
An dem Flanschring ist oben der Mantel angeschweißt, der die beiden zylindrischen
Kammern umgibt.
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Es ist zweckmäßig, den Flanschring über einen Auflageflansch und
einen
an diesem angeschweißten Thermosleeve am Pod-Liner abzustützen und abzudichten.
Durch einen mehrteiligen Ring und eine Anzahl von Schrauben wird der Flanschring
mit dem Auflageflansch des Thermosleeveskraftschlüssig verbunden. Dadurch wird der
erforderliche Ausbaudurchmesser klein gehalten. Für den Fall, daß die Schrauben
mit dem Auflageflansch verschweißt sind, können sie beim Ausbau des Röhrenspaltofens
einfach durchtrennt werden.
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Um die Temperaturbelastung der verschiedenen Bauteile möglichst herabzusetzen,
sind sie vorteilhafterweise an ihrer Innen- bzw.
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Heißgasseite mit einer thermischen Isolierung versehen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Röhrenspaltofens
gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, wobei nur der obere, das Verteil- und
Sammelsystem umfassende Teil gezeigt wird.
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Die Fig. 1 gibt das Verteil- und Sammelsystem des Röhrenspaltofens
im Längsschnitt wieder; die Fig. 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie II - II der
Fig. 1.
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Der Röhrenspaltofen ist an einen (nicht dargestellten) Hochtemperaturreaktor
gekoppelt und zusammen mit diesem und weiteren Primärkreislaufkomponenten (Dampferzeuger,
Gebläse) in einem Spannbetondruckbehälter 1 untergebracht. Der Hochtemperaturreaktor
kann z.B. als heliumgekühlter Reaktor mit kugelförmigen Brennelementen ausgeführt
sein. Der Röhrenspaltofen befindet sich in einem Pod 2 in der Spannbetondruckbehälterwandung,
der mit einem Liner ausgekleidet ist.
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Der Röhrenspaltofen weist eine Vielzahl von Spaltrohren 4 auf, die
mit ihrem oberen Ende in einer Tragplatte 5 eingewalzt und dichtgeschweißt sind.
Der Außendurchmesser der Spaltrohre 4 beträgt 150 mm und der Innendurchmesser 130
mm. Sie besitzen eine aktive Länge von 10,7 m. Als Katalysator kann z.B. ein Scheibenkatalysator
verwendet werden.
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Die Tragplatte 5 ist aus zwei Teilen zusammengesetzt, und zwar aus
einem ebenen Mittelstück 6, in dem die Spaltrohre 4 aufgehängt sind, und aus einem
Flanschring 7, der an dem ebenen Mittelstück 6 angeschweißt ist. Der Flansohring
7 ist über einen Auflageflansch 8 und einen all diesem angeschweißten Thermosleeve
9 an dem Liner 3 des Pods 2 abgestützt und abgedichtet. Der Raum 10 oberhalb der
Tragplatte 5 kann somit nicht mit dem llelium des Primärkreislaufs verunreinigt
werden, was für die Erneuerung des Katalysators von wesentlicher Bedeutung ist.
Der Flanschring 7 ist mit dem Auflageflansch 8 durch einen mehrteiligen Ring 11
und einer Anzahl von Schrauben 12 kraftschlüssig verbunden.
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Unterhalb der Tragplatte 5 befindet sich ein Raum 13, der von kaltem
Kühlgas durchströmt wird. Dieses weist eine Temperatur von 300°C auf, so daß die
Tragplatte 5 auf Temperaturen von unter 500°C gehalten werden kann. Als Medium für
die Kühlung der Tragplatte 5 dient das vom Gebläse kommende und zum Hochtemperaturreaktor
zurückströmende Primärkreishelium. Der Raum 13 wird unten von einer (nicht gezeigten)
ebenen Platte begrenzt, die zur Durchführung der Spaltrohre 4 eine Anzahl von Bohrungen
aufweist. Die ebene Platte ist mittels Bolzen 14 an dem Mittelstück 6 der Tragplatte
5 befestigt.
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An dem Flanschring 7 ist oben ein zylindrischer Mantel 15 angeschweiß,
der zwei durch eine ebene Lochplatte 16 voneinander getrennte Kammern 17 und 18
umgibt. Die Abgrenzung nach oben erfolgt durch einen gewölbten Deckel 19. Dieser
ist durch SegmentkEmmerschrauben 21 kraftschlüssig mit einem Flansch 20 verbunden,
der am oberen Ende des Mantels 15 angebracht ist.
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Die ebene Lochplatte 16 stützt sich auf einem Ring 22 ab, der etwa
in der Mitte des Mantels 15 innen an diesem angeschweißt ist. In den Bohrungen der
Lochplatte 16 sind die Rückführungsrohre 23 für das gespaltene Gas verlegt, die
in den Spaltrohren 4 angeordnet und über diese hinausgeführt sind. Die Rückführungsrohre
23
haben einen Außendurchmesser von 30 mm und einen Innendurchmesser voii 26,8 mm.
Da es das Ziel des Spaltprozesses ist, eine möglichst hohe Durchspaltung zu erreichen,
und es nicht darauf ankommt, daß die für die Spaltung erforderliche Endtemperatur
nach erfolgter Spaltung konstant gehalten wird, ist es möglichXdas gespaltene Gas
in Rohren aus dem Röhrenspaltofen herauszuführen, die innerhalb der Spaltrohre verlegt
sind.
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Die Befestigung und Abdichtung der Rückführungsrohre 23 in der ebenen
Lochplatte 16 erfolgt mittels Stopfen mit Bajonettverschlüsseln 24. Die Rückführungsrohre
23 sind nach oben offen, so daß das gespaltene Gas (ein Gemisch von H2,C0,C02, H20
und 0114) in die Kammer 17 eintreten kann, die als Sammler dient. In der unteren
Kammer 18 wird das Einsatzgas (H20, GH4) auf die einzelnen Spaltrohre 4 verteilt;
sie fungiert also als Verteiler.
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Die Zu- und Abführung des Prozeßgases erfolgt durch zwei horizontale
Leitungen, die koaxial ausgebildet und in einem Durchbruch 25 in der Spannbetondruckbehälterwandung
verlegt sind.
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Durch die äußere Gasleitung 26 wird das Einsatzgas dem Röhrenspaltofen
zugeführt, während die innere Gasleitung 27 der Abführung des gespaltenen Gases
dient.
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Die äußere Gasleitung 26 schließt sich unmittelbar an einen Abzweigstutzen
28 an, der in einem an dem Mantel 15 angeschweißten Korbbogenboden 29 eingesetzt
ist. Der Mantel 15 weist zwei Öffnungen 30w31 auf, von denen die eine (30) sich
unterhalb und die andere (31) sich oberhalb der Lochplatte 16 befindet. Beide Öffnungen
30, 31 liegen im Bereich des Korbbogenbodens 29. Über die Öffnung 30, den von dem
Korbbogenboden 29 umschlossenen Raum und den Abzweigstutzen 28 steht die Verteilerkammer
18 in Verbindung mit der äußeren Gasleitung 26, durch die das Einsatzgas zugeführt
wird. In die Öffnung 31 in der Sammlerkammer 17 ist ein Flansch 32 eingeschweißt,
an den sich unmittelbar die innere Gasleitung 27 anschließt. Gasleitung 27 und Flansch
32 sind durch Schrauben miteinander
verbunden. Durch die Öffnung
31 kann das gesammelte Spaltgas in die innere Gasführung 27 eintreten, in der es
beispielsweise zu einem Rekuperator weiterströmt.
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Alle Temperaturbelastungen ausgesetzten Bauteile sind an ihrer Innenseite
bzw. an der dem Heißgas zugewandten Seite mit einer Isolierung 33 versehen.
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Im folgenden wird noch einmal im Zusammenhang der Weg des Prozeßgases
durch den Röhrenspaltofen beschrieben.
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Das 0114/H20-Gemisch tritt mit 50000 und 44 bar durch die äußere Gasleitung
26 t.md den Abzweigstutzen 28 in den Korbbogenboden 29 ein. Darauf gelangt es in
die Kammer 18, von der aus es auf die einzelnen Spaltrohre 4 verteilt wird. In diesen
strömt es nach unten, wobei es durch die Wärmezufuhr des entgegenströmenden Heliums
und unter der Wirkung des Katalysators in H2,CO und C02 gespalten wird; das Gasgemisch
enthält dann noch Reste von CH4 und H20. Die Maximaltemperatur des Gemisches beträgt
8100C. Darauf strömt das gespaltene Gas durch die Rückführungsrohre 23 ender nach
oben und wird in der Kammer 17 gesammelt. Mit einer Temperatur von 68000 verläßt
es den Röhrenspaltofen durch die innere Leitung 27 der koaxial verlegten Gasführung,
um einer Prozeßanlage zugeleitet zu werden.
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Für den Wechsel des Katalysators in den Spaltrohren 4 ergibt sich
folgender Arbeitsablauf: Zunächst werden die Segmentkhmmerschrauben 21 gelöst, damit
der Deckel 19 abgehoben werden kann. Darauf werden die Bajonettverschlüsse 24 entfernt.
Nun kann die Verbindung zwischen der Lochplatte 16 und dem Ring 22 gelöst und die
Lochplatte 16 ausgebaut werden. Sodann wird ein Gitterrost als Arbeitsbühne auf
den Ring 22 aufgesetzt, und mittels eines Unterdrucksaugers wird der Katalysator
aus den Spaltrohren 4 entfernt. Darauf kann neuer Katalysator eingefüllt werden.
Nach dem Ausbau des Gitterrostes
werden dann die entsprechenden
Schritte in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt.
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Für die Demontage des Röhrenspaltofens sind folgende Schritte erforderlich:
die Verbindung zwischen dem Abzweigstutzen 28 und der äußeren Gasleitung 26 wird
gelöst; der Deckel 19 wird entfernt; die Verbindung der inneren Gasleitung 27 mit
dem Flansch 32 wird von innen durchgetrennt;die Schrauben 12 werden gelöst. Darauf
kann der zu erneuernde Teil des Röhrenspaltofens als Einheit nach oben ausgebaut
werden.
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L e e r s e i t e