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Röhrenspaltofen
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Röiirenspaltofen und geeignete
Forinkörper zur katalytischen Spaltung von 1'rozeßgasen bei hohen Tenperaturen in
langen, beheizbaren Spal trohren, die Katalysatormaterial enthalten. Diese Röhrenspaltöfen
bestehen oft aus einem Bündel von zahlreichen, parallelen, an ihrem unteren Fnde
gesch3 ossenen Spaltrohren, die mit ihrem oberen winde an einer gemeinsamen Tragplatte
befestigt sind und die von nutzen mit Rauchgas oder auch mit Helium von ca. 9500
C, beispielsweise aus einem Kernreaktor-Kühlkreis beheizt werden.
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In der deutschen Patentschrift 12 59 850 wird ein u.a.
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auch katalytisch wirkender Reaktions apparat mit Füllkörpern beschrieben,
bei dem zahlreiche zylindrische Füllkörper, die eine zentrale I3oiirung aufweisen,
auf waagerechte oder leicht geneigte metallische Haltestifte gesteckt sind, die
an einem zentralen senkrechten Rohr oder einer Stange angeschweißt sind. Bei hohen
Temperaturen sind diese angeschweißten Haltestifte problematisch. Wenn nur einer
dieser Ilaltestifte sich löst, kann sich der entsprechende Füllkörper zwischen den
anderen I:iillkörpern und der Innenwand des Spaltrohres verklemmen und damit ein
Auswechseln des Katalysatortrngers sehr erschweren. Das in diesen Füllkörpern enthaltene
Katalysatormaterial ist aber nach längerer Betriebszeit erschöpft, die Füllkörper
müssen daher in regelmäßigen Abständen ausgewechselt werden. Dieses Auswechseln
ist bei der Vielzahl dieser Füllkörper mühsam, langwierig und vor allem mit viel
manucller Arbeit verbunden. In diesem !'atent wird bereits
eingehend
beschrieben, welche Nachteile zu erwarten sind, wenn man Spaltrohre in freier Schüttung
mit Katalysatormaterial füllt. In freier Schüttung hat Katalysatormaterial einen
nicht exakt berechenbaren und auch mit der Zeit veränderlichen Druckverlust, der
bei Parallelschaltung zahlreicher Spaltrohr zu unterschiedlichen Durchsatznennen
des- Prozeßgases in den einzelnen Rohren und damit zu unterschiedlichen Austrittstemperaturen
führt. Bei Temperaturverminderungen verdichtet sich das Katalysatormaterial, bei
Temperaturerhöhungen dehnt es sich wieder aus und belastet dabei die Rohrinnenwand
und eventuelle Einbauten im Rohr. Wenn das frei geschüttete Katalysatormaterial
erschöpft oder zerstört ist, muß es in mühseliger Arbeit, beispielsweise durch pneumatische
Absaugung aus den Spaltrohren entfernt werden. Diese Schwierigkeiten sind naturgemäß
umso größer, je größer die Schütthöhen, je enger die Rohre und je stärker und häufiger
die vorkommenden Temperaturschwankungen sind. Trotz dieser bekannten Schwierigkeiten
werden aber in den neueren deutschen Offenlegungsschriften 19 ol 758.4, 24 12 840.3
und 24 12 841.4 erneut Röhrenspaltöfen auch für nukleare Beheizung vorgeschlagen,
bei denen das Katalysatormaterial als lose Schüttung in Spaltrohre eingefüllt ist.
Insbesondere bei nuklearer Beheizung ist aber das Auswechseln von Katalysatormaterial
in Spaltrohren besonders schwierig, weil man den nuklearen lieizkreis mit Rücksicht
aur evtl.
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radioaktive Verunreinigungen nicht öffnen möchte und andererseits
ist jede Betriebsunterbrechiung, insbesondere bei großen nuklearen Anlagen unerwünscht
und führt zu erheblichen Ausfallkosten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Röhrenspaltofen sowie geeignete
Formkörper zur katalytischen Spaltung von Prozeßgasen bei hohen Temperaturen in
langen, beheizbaren Spaltrohren, die Katalysatormaterial enthalten. Diese Formkörper
sollen leicht und schnell auswechselbar sein und sie sollen einen geringen, insbesondere
über die Betriebszeit konstanten Druckverlust aufweisen. Untersuchungen und Berechnungen
haben nämlich gezeigt, daß bei größeren Spaltrohröfen nicht nur eine möglichst große
Kontaktfläche,
sondern auch ein möglichst geringer Druckverlust
von Bedeutung ist, weil mit diesem Druckverlust auch die Betriebs- und Anlagekosten,
z.B. beim Gebläse, erheblich gesenkt werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß diese Formkörper
eine zur Längsachse des Spaltrohres parallele Bohrung aufweisen und ihre Länge wesentlich
größer ist als der Innendurchmesser des Spaltrohres. Bei dieser Formgebung sind
in jedem Spaltrohr nur ein oder jedenfalls nur sehr wenige gegeneinander abgedichtete
Formkörper vorhanden, die mit einer geeigneten Greifvorrichtung erfaßt und ausgewechselt
werden können. Das zu spaltende Prozeßgas wird zweckmäßigerweise am oberen Ende
des Spaltrohres zwischen Rohrinnenwand und Formkörper zugeführt, es fließt an den
das Katalysatormaterial enthaltenden Formkörpern entlang und teilweise durch dessen
außen poröse Oberfläche hindurch und strömt dann am unteren Ende des oder der Formkörper
durch die innere Bohrung zurück nach oben. Dabei findet gleichzeitig ein Wärmeaustausch
statt zwischen dem außen abwärts strömenden und dem innen aufwärts strömenden Prozeßgas.
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Die vorgeschlagenen Formkörper können alternativ aus einem hochtemperaturbeständigen
Sintermetall oder aus keramischem Material auf der Basis von Aluminiumoxyd hergestellt
werden. Die Formkörper aus Sintermetall sind z.Z. in Längen von ca. 9 m herstellbar
und können zumindestens in ihrem äußeren Bereich aus einem porösen katalytisch wirksamen
Nickelmaterial bestehen. Die keramischen Formkörper können z.Z. in Längen von ca.
3,5 m hergestellt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß diese
Formkörper außen eine gewellte Oberfläche aufweisen. Durch diese Formgebung wird
die Kontaktfläche außen vergrößert, ohne den Druckverlust zu sehr zu erhöhen.
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Durch geeignete Ausgestaltung der Anzahl und Tiefe dieser Wellen kann
man nahezu jedes gewünschte Verhältnis von Druckverlust und Kontaktfläche erhalten.
Selbstverständlich kann man auch die gewünschte Kontaktfläche vergrößern,
in
dem man außer den radialen Wellen auch noch achsparallele Rippen, insbesondere am
Umfang gegeneinander versetzte Rippen anordnet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß diese
Formkörper mit ihrem oberen Rand am oberen Ende des Spaltrohres befestigt sind.
Bei dieser Anordnung können sich diese Formkörper bei Temperaturänderungen frei
in das Spaltrohr hinaus ausdehnen und sind daher nicht durch Temperaturunterschiede
zwischen Spaltrohr und Formkörper belastet. Diese Anordnung ist besonders zweckmäßig
£ir lange, einteilige Formkörper aus Sintermetall.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß jeweils
zwei übereinander angeordnete Formkörper gegeneinander abgedichtet sind. Durch diese
Anordnung kann man darauf verzichten, alle Formkörper auf einem inneren metallischen
Rohr aufzureihen. Diese Anordnung ist besonders zweckmäßig, wenn die Formkörper
übereinander zu einer Säule gestapelt sind, die auf dem Boden des Spaltrohres ruht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die
Formkörper an einem Ende eine kugelige Fläche und am anderen Ende eine hohlkugelige
oder hohlkegelartige Fläche aufweisen. Bei dieser Ausgestaltung kann man die einzelnen
Formkörper mit genügender Dichtigkeit bereinander stapeln. Sie können sich bei der
Montage und auch im Betrieb mit kleinen Winkeländerungen gegeneinander bewegen,
ohne undicht zu werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die
Formkörper an einem Ende ein Außen- und am anderen Ende ein Innengewinde aufweisen.
Versuche haben gezeigt, daß sowohl Sintermetall- als auch keramische Körper miteinander
annähernd dicht verschraubt werden können und dennoch, auch nach mehrfachem Temperaturwechsel,
wieder ohne Beschädigung voneinander gelöst werden können. Für diese Zwecke besonders
geeignet ist ein Gewinde mit an
sich bekannten al'gerundeten Gewindegängen
oder ein Gewinde von kegeliger Form. Diese vorgeschlagene Gewindeverbindung gestattet
es, mehrere Formkörper schnell und doch annähernd dicht miteinander zu einem einzigen
Formkörper von großer Länge zusanfiflenzusetzen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der
unterste Formkörper ein besonderes Führungsstück sowie radiale Gaseintri ttssciilitze
aufweist. Durch diese Ausführung kann man den oder die Formkörper auf dem unteren
Ende des Spaltrohres zentriert auflagern und durch die Gaseintrittsschlitze das
Prozeßgas in den inneren Kanal leiten.
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In spezieller Ausgestaltung der Erfindung, wobei der oder die Formkörper
auf dem unteren Ende des Spaltrohres gelagert sind, wird vorgeschlagen, daß am oberen
Ende des oder der Formkörper ein schraubenlinienartig gewundenes Rohr zur Ableitung
des Prozeßgases aus dem inneren Kanal nach außen angeordnet ist. Dieses Rohr aus
einem hochtemperaturbeständigen Metall oder sogar aus einem keramischen Material
dient einerseits als Kompensator zum Längenausgleich bei Teinperaturunterschieden
zwischen Spaltrohr und Formkörper und andererseits als Wärmetauscher zwischen dem
eintretenden und dem austretenden Prozeßgas.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die
einzelnen Formkörper zumindestens an einem Ende mehrere über den Umfang verteilte
Führungsnocken aufweisen. Diese Führungsnocken, die die Innenwand des Spaltrohres
nahezu punktförmig beüihren sollen, dienen dazu, zwischen Formkörper und Spaltrohr
einen annähernd konstanten Ringspalt einzuhalten.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die
Innenwand des Spaltrohres Längsrippen aufweist.
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Diese Längsrippen verbessern vor allem den Wärmeübergang vom Spaltrohr
zum Prozeßgas, sie dienen aber auch dazu, den gewünschten Abstand zwischen Formkörper
und Spaltrohr einzuhalten.
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Die Figuren 1 bis 4 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Figur 1 zeigt in schematischer Form einen senkrechten Längsscilnitt
durch ein Spaltrohr mit mehreren Formkörper darin.
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Figur 2 zeigt im gegenüber Figur 1 vergrößerten Maßstab einen senkrechten
Längsschnitt durch ein Spaltrohr sowie durch die Enden zweier gegeneinander abgedichteter
Formkörper.
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Figur 3 zeigt in einem gegenüber Figur 1 vergrößerten Maßstab einen
senkrechten Längsschnitt durch einen anderen Formkörper.
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Figur 4 zeigt einen waagerechten Schnitt durch den Formkörper von
Figur 3.
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In Figur 1 wird das Spaltrohr 1 an seinem unteren Ende durch einen
Boden 2 und an seinem oberen Ende durch einen Deckel 3 verschlossen. Ein Rohrstutzen
4 dient als Zufluß für das zu spaltende Prozeßgas und ein Rohrstutzen 5 als Abfluß.
Auf dem Boden 2 des Spaltrohres 1 ruht ein ringförmiges, mit einer konischen Innenbohrung
versehenes Führungsstück 6, mit dem eine Säule aus mehreren Katalysatorkörpern 7
zentriert wird. Der unterste dieser Formkörper 7 hat ein Einlaufstück 8, das mehrere
über den Umfang verteilte Schlitze 9 aufweist, die zur Einleitung des Prozeßgases
in den inneren Kanal 1o dienen. Die einzelnen Formkörper 7 sind gegeneinander jeweils
durch eine kugelige Begrenzungsfläche 11 annähernd abgedichtet und durch mehrere
über den Umfang verteilte Führungsnocken 12, die hier übertrieben groß dargestellt
sind, gegenüber der Innenwand des Spaltrohres 1 zentriert. Der oberste Formkörper
13 ist an seinem oberen Ende mit einem Rohr 14 verbunden, das mit mehreren schraubenlinienartigen
Windungen versehen ist und in den Abflußstutzen 5 übergeht.
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Die schraubenlinienartigen Windungen sind von einem besonderen Strömungsleitgehäuse
15 umgeben, das am Deckel 3
befestigt ist und in höhe des Einlaufstutzens
4 mehrere iiber den Umfang verteilte Gaseintrittsschlitze 16 aufweist und das mit
einer ringförmigen Scheibe 17 annähernd gegen die Innenwand des Spaltrohres 1 abgedichtet
ist. Die schraubenlinienartigen Windungen des Rohres 14 dienen nicht nur als Kompensator
für thermisch bedingte Längendifferenzen zwischen Spaltrohr 1 und der Säule aus
Formkörpern 7, sondern auch als Rekuperator, in dem das austretende Prozeßgas einen
Teil seiner Wänne bereits wieder an das bei 4 eintretende Prozeßgas abgibt. Die
in Figur 1 dargestellten Formkörper 7 und 13 sind schematisch dargestellt, sie können
aber, wie in den folgenden Figuren dargestellt wird, verschietlene gewellte oder
gerippte Außenflächen haben, um die Kontaktfläche zwischen Prozeßgas und Formkörper
zu vergrößern. Das Rohr 14 ist im oberen Bereich durch ein Isolierrohr 18 gegen
den direkten Kontakt mit dem kalten Gas geschiitzt.
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Figur 2 zeigt im Spaltrohr 1 die Verbindung zweier gleichartiger Formkörper
21 und 22, die wie in Figur 1 einen inneren Kanal 1o aufweisen und in der rechten
hälfte der Figur mit zwei kugeligen Flächen 11 gegeneinander annähernd abgedichtet
sind. In der linken Iiälfte wird gezeigt, wie die kugelige Fläche 11 gegen eine
hohlkegelige Fläche abgedichtet ist. Auf diesen Dichtflächen kann in an sich bekannter
Weise eine bletallschicht aufgedampft sein, die einerseits die Abdichtung verbessert
und andererseits die Reibung herabsetzt. Die Außenfläche der beiden Formkörper 21
und 22 wird, geometrisch betrachtet, aus aneinandergesetzten Kugeln gebildet. Um
die Kontaktfläche zu vergrößern, können diese Kugeln außerdem noch gegeneinander
versetzte Längsrippen tragen. Außerdem sind zumindestens an einem Ende jedes Formkörpers
mehrere über den Umfang verteilte Führungsnocken 23 vorhanden, deren Außendurchmesser
nur wenig kleiner ist als der Innendurchmesser des Spaltrohres und die die einzelnen
Formkörper gegenüber dem Spaltrohr 1 zentrieren sollen.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen weitere Formkörper 30, die geometrisch
betrachtet, aus zahlreichen lialbkugeln bestehen, die durch abgerundete Übergänge
miteinander verbunden sind. Diese Form hat immer noch einen verhältnismäßig geringen
Druckverlust und dennoch eine gegenüber Figur 2 etwas vergrößerte Kontaktfläche.
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In Figur 3 wird ein rein rotationssymetrischer Formkörper 30 gezeigt,
während in Figur 4 die Kontaktfläche, allerdings auch der Druckverlust erhöht wird,
durch zusätzliche, von einer (halbkugel zur anderen gegeneinander versetzte achsiale
Einschnitte.