DE2709699C2

DE2709699C2 - Autoklav zur Durchführung von Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und hohen Drücken

Info

Publication number: DE2709699C2
Application number: DE2709699A
Authority: DE
Inventors: Karl Ing.(grad.) 5042 Erftstadt Zickgraf
Original assignee: Khd-Pritchard Gesellschaft fur Planung und Bau Von Prozessanlagen 5000 Koeln De GmbH
Current assignee: Khd-Pritchard Gesellschaft fur Planung und Bau Von Prozessanlagen 5000 Koeln De GmbH
Priority date: 1977-03-05
Filing date: 1977-03-05
Publication date: 1985-05-23
Also published as: GB1586913A; IT7848275A0; DK97478A; NL7802323A; ZA781268B; BE864572A; DD134053A5; PL205054A1; BR7801296A; DE2709699A1; IL54166A0; FR2392714A1; US4201745A

Description

Die Erfindung betrifft einen Autoklav zur Durchführung von Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und hohen Drücken, insbesondere unter pulsierenden Drücken, mit einem Aufbau aus mehreren Schichten, mit einem inneren, gegenüber dem Medium abdichtenden Hohlkörper aus korrosions- und temperaturbeständigem Material, einer diesen inneren Hohlkörper umgebenden mittleren Schicht aus wärmedämmendem sowie formbeständigem Material sowie einem diese mittlere Schicht umschließenden, die vorn inneren Hohlkörper über die mittlere Schicht nach außen wirkenden Kräfte auffangenden Außenmantel.

Unter Autoklaven werden Druckbehälter verstanden, welche beispielsweise in der chemischen Industrie als wichtiges Betriebsmittel eingesetzt sind, um Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und hohen Drücken betriebssicher durchführen zu können.

Je nach Art der besonderen Beanspruchung beispielsweise entsprechend den Eigenschaften von in einem Autoklav eingesetzten Stoffen sowie entsprechend den verschiedenen Betriebsverhältnissen und Verwendungszwecken, ergibt sich für einen Autoklav ein bestimmter Grundaufbau, gegebenenfalls mit einer speziellen Ausrüstung von Armaturen und/oder Meßgeräten sowie einer individuellen Art der Aufstellung und Betriebsweise.

An Autoklaven werden naturgemäß besondere Anforderungen hinsichtlich der Betriebssicherheit gestellt Deshalb unterliegen solche Betriebseinrichtungen den bekannten allgemeinen Sicherheitsbestimmungen für Druckbehälter und bei Verwendung im Zusammenhang mit besonderen Technologien, wie beispielsweise Kernreaktoren, darüber hinaus verschärften und speziellen Sicherheitsbestimmungen.

Dabei kann es notwendig sein, einen Autoklav zum Schutn gegen gleichzeitig auftretende verschiedenartige Beanspruchungen, beispielsweise durch Hitze, Druck, Korrosion, Strahlung etc, aus mehreren, spezifisch resisienten Schichten aufzubauen, um den Autoklavkörper vor den gleichzeitig auftretenden unterschiedlichen Belastungen sicher zu schützen.

Aus der US-PS 34 94 829 ist ein Autoklav bekanntgeworden, welcher einen äußeren Strahlenschutzmantel sowie eine innere, als Hitzerefleklor dienende Schicht aufweist. Die äußere Wandschicht und die innere Wandschicht bilden eine zweischalige Wandung, die keine, die Wärmespannungen ausgleichende Relativbewegung zwischen den beiden Wandschichten zuläßt.

Ebenso ist es bei einem Mehrlagen-Druckbehälter gemäß der DE-OS 16 97 168, der die Ausgestaltung eines mehrlagigen, schweren Rohres aufweist, wie es auch bei Geschützrohren und Höchstdruck-Autoklaven verwendet wird. Eine Beweglichkeit Qer innersten Behälterwandung gegenüber einem äußeren Mantel ist hier ebenfalls nicht gegeben.
Aus der DE-AS 10 94 718 ist ein Autoklav bekannt, der einen sogenannten Einsatzkessel besitzt, umgeben von einem Druckmantel, zwischen denen, beispielsweise durch Preßluft, ein Ausgleichsdruck erzeugt wird. Die thermische Belastung ist nicht sehr hoch, denn der innere Kessel wird mit einer Dampfheizschlange beheizt.

so Zwischen dem inneren Reaktionsgefäß und dem Druckmantel kann sich eine Isoliermasse aus keramischem Material befinden. Das Heizmedium wird durch auf dem inneren Kessel des Autoklaven geschweißte Rohre geleitet. Bei hohen Temperaturen und der gleichzeitigen Anwesenheit korrosiver Gase, beispielsweise Wasserstoff und Kohlenmonoxid, kann dieser Autoklav aufgrund unvermeidlicher Gefügeveränderungen der Schweißnähte nicht betrieben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Autoklav so zu gestalten, daß er für höchste Beanspruchungen durch Druck, Hitze und korrosive Gase, die gleichzeitig auftreten, geeignet ist. Der Autoklav soll sich für Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und Drücken eignen, wobei die Anwendung pulsierender Drücke sowie die Anwesenheit von Wasserstoffgas erschwerend ins Gewicht fällt.

Ein solcher Autoklav wird beispielsweise als Reaktor für die Direktvergasung von Kohle mittels Wasserstoff

bei pulsierenden Drücken zwischen 0 und 98 bar und bei Temperaturen von etwa 1000° C angesetzt Dabei ergeben sich gleichzeitig drei kritische Beanspruchungen:

a) pulsierender Druck,

b) hohe Temperatur,

c) Agressivität des Wasserstoffs.

Die hieraus resultierende besonders schwierige Aufgabe beim Bau eines Autoklavs der eingangs genannten Art wird mit der Erfindung dadurch gelöst daß der innere Hohlkörper ein Wellrohr ist daß die mittlere Schicht mit einer glatten zylindrischen Innenfläche ausgestattet ist daß zwischen dem Wellrohr und der mittleren Schicht Fonnkörper als Stützkorper mit einer eine Gleitbewegung zwischen dem Wellrohr und der mittleren Schicht zulassenden, losen Passung eingelegt sind, und daß die mittlere Schicht Dehnungs- und Gleitfugen aufweist

Auf diese Weise ist gewährleistet daß jede Schicht aus einer den jeweiligen spezifischen Belastungen entsprechenden ganz speziellen Materialqualität besteht, wie beispielsweise das Wellrohr aus !corrosions- und hochhitzebeständigem Sicromal. Dagegen werden andererseits an dieses Wellrohr nur geringe Anforderungen hinsichtlich seiner Festigkeit gestellt weil es von der mittleren Schicht getragen wird, welche entsprechend ihrer besonderen Funktion der thermischen Isolierung aus wärmedämmendem sowie formbeständigem Material besteht und sich ihrerseits gegen den sie tragenden äußeren Mantel abstützt, dessen alleinige Funktion die Kompensation aller von innen nach außen wirkenden Kräfte ist wobei dieser äußere Mantel seinerseits von Beanspruchungen, zum Beispiel durch hohe Temperaturen und Korrosion, durch die mitilerc sowie innere Schicht fast vollständig entlastet ist.

Die Gestaltung des inneren Hohlkörpers als Wellrohr ist für die Erfindung besonders wichtig, weil hierdurch vorzugsweise sine Kompensation der Längsdehnung infolge Temperatureinwirkung erreicht wird, ohne daß Spannungen im Materialgefüge oder gar örtliche Deformierungen des inneren Hohlkörpers eintreten.

Entsprechend der speziellen Funktion jeder einzelnen Schicht muß jede dieser Schichten die durch Kräfte oder Wärme entstehenden Spannungen, unabhängig von der ihr benachbarten Schicht, mittels einer Relativbewegung ausgleichen können. Zum anderen muß aber zwischen jeder dieser Schichten eine satte aber zwanglose Auflage gewährleistet sein, um radiale oder axiale Kräfte gleichmäßig zu übertragen.

Aus diesem Grunde ist mit der Erfindung weiterhin vorgesehen, daß zwischen dem Wellrohr und der wärmedämmenden mittleren Schicht Formkörper eingelegt sind und zwar so, daß sie Relativbewegungen zwischen dem Wellrohr und der Mittelschicht zulassen. Infolgedessen wird hierfür eine lose Passung gewählt. Durch die Formkörper ist andererseits in zweckmäßiger Weise gewährleistet, daß die mittlere Schicht gegenüber dem Wellrohr eine glatte zylindrische Fläche aufweisen kann, was unter anderem aus fertigungstechnischen Gründen besonders vorteilhaft ist.

Dabei kann das Wellrohr eine rotationssymmetrische Anordnung der Wellenkontur aufweisen, es kann aber auch eine schraubenförmige Anordnung der Wellenkontur aufweisen. Diejenige Form, welche von beiden Möglichkeiten der einander annähernd gleichwertigen, das heißt funktionsäquivalenten Ausführung gewählt wird, liegt im Ermessen des Fachmannes.

Die schraubenförmige Anordnung kann beispielsweise den Vorteil aufweisen, daß der Einbau des Wellrohres dadurch erleichtert wird, auch kann diese gegebenenfalls fertigungstechnische Vorteile bei der Herstellung des Wellrohres erbringen. Hinsichtlich der Funktion des inneren Hohlkörpers beim erfindungsgemäßen Autoklav sind jedoch beide Ausführungen annähernd gleichwertig.

Erfindungsgemäß ist es des weiteren wichtig, daß die wärmedämmende Mittelschicht Dehnungs- und Gleitfugen aufweist Diese können sowohl in radialer als auch in axialer Richtung verlaufen und dienen der Unterstützung des Dehnungsverhaltens in unterschiedlichen Temperatur- und Schichtzonen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß zum Beispiel die mittlere Schicht Temperatus^radienten von einigen 100° C innerhalb ihrer Wandung aufweist und zu kompensieren hat

Eine Ausgestaltung der Vorrichtung sieht dabei vor, daß der äußere Mantel eine Druckentlastungsbohrung aufweist. Auf diese Weise wird mit Sicherheit vermieden, daß gegebenenfalls durch Poren im Hohlkörper hindurchdiffundierendes Wasserstoffgas einen Druckaufbau zwischen dem inneren Hohlkörper und dem äußeren Mantel hervorrufen kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Wellrohr stirnseitig gegenüber dem äußeren Mantel durch eine Scheibe aus korrosions- und temperaturbeständigem Material reaktionsmediendicht abgeschlossen ist. Durch diese Ausführung wird mit Sicherheit verhindert, daß heißes Wasserstoffgas unter Druck zwischen die Schichten gelangt und dabei Zerstörungen verursacht.

Zweckmäßigerweise ist weiterhin vorgesehen, daß die Scheibe rillenförmige oder wellenförmige Verformungen aufweist. Zweckmäßig ist hierbei die Scheibe in konzentrischen Rillen gewellt. Diese Ausführung dient ebenfalls der gefahrlosen, wiederholten Kompensation von Wärmeausdehnungen im Materialgefüge der Scheibe und verhindert die Entstehung sowohl unzulässiger Spannungen als auch Deformationen im Material der Scheibe. Und schließlich ist vorgesehen, daß das Wellrohr mit der Scheibe verschweißt ist.

Die Erfindung wird durch die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit dem in der Zeichnung dargestellten Autoklav erläutert, welcher zur Direktvergasung von Kohle mittels Wasserstoff bei pulsierenden Drücken zwischen 0 und 98 bar und Temperaturen um etwa 1000°C Anwendung findet.

F i g. 1 stellt den Autoklav nach der Erfindung im Schnitt dar,

F i g. 2 stellt Einzelheiten des Autoklavs in vergrößertem Maßstab ebenfalls im Schnitt dar.

F i g. 1 zeigt den Autoklav 1, welcher aus dem Hauptkörper 2 mit den beiden Verschlußteilen 3 und 4 besteht. Diese sind mittels Flansche 5 und 6 unter Einlage von Spezialdichtungen 7 lösbar miteinander verbunden.

Der Hauptkörper 2 weist den Innenraum 8 auf, welcher den eigentlichen Reaktionsraum des Autoklavs darstellt. Dieser Innenraum 8 wird begrenzt durch den als Wellrohr 9 ausgebildeten inneren Hohlkörper 10. Dabei besteht das Wellrohr 9, welches der Beanspruchung durch extreme Wärme und korrosive, gasförmige Medien ausgesetzt ist, beispielsweise aus einem dünnen Blechmantel aus hochhitzebeständigem und korrosionsresistentem Sicromal. Weil jedoch das Material des Wellrohres 9 bei extrem hohen Temperaturen nicht mehr in der Lage ist, den Festigkeitsanforderungen gegenüber dem Druck im Innenraum 8 des Autoklavs ! zu

entsprechen, ist das Wellrohr 9 mit einer umgebenden mittleren Schicht U hinterfüttert und dadurch von den Kräften durch den Innendruck entlastet. Die mittlere Schicht 11 besteht ihrerseits aus feuerfestem, druckbeständigem Material, beispielsweise feuerfesten Steinen oder feuerfestem Zement.

Diese mittlere Schicht hat demnach zwei Funktionen, nämlich erstens das Wellrohr zu stützen und die vom Wellrohr radial nach außen zu übertragenden Kräfte auf den Außenmantei 12 zu übertragen, zweitens den Innenraum 8 des Reaktors nach außen hin zu isolieren.

Der Außenmantel 12 hat die Funktion, die Kräfte aus dem Innern des Autoklavs zu kompensieren. Demgemäß ist der Außenmantel 12 ein druckfester Behälter, beispielsweise aus Kesselstahl von entsprechender Wandstärke mit einer Festigkeit von 5884 bar. Der Außenmantel weist ferner eine Druckentlastungsbohrung 13 auf, welche verhindert, daß durch das Gefüge des Wellrohres 9 hindurchdiffundierendes Wasserstoffgas einen schädlichen Druckaufbau zwischen dem Wellrohr 9 und dem Außenmantei 12 herbeiführen kann.

Da die mittlere Schicht 11 mit einer glatten zylindrischen Innenfläche 14 ausgestattet ist, ist es notwendig, in den durch die Wellen des Wellrohres 9 gebildeten Hohlräumen 15 vor der zylindrischen Innenfläche 14 sögenannte Stützkörper 16 einzulagern, welche das Wellrohr stützen. Dabei ist die Passung so gewählt, daß das Wellrohr 9 mit dem Formkörper 16 gegenüber der zylindrischen Innenfläche 14 der mittleren Schicht 11 eine Relativbewegung in axialer Richtung machen kann.

Wie aus der Darstellung gemäß F i g. 1 weiter hervorgeht, ist das Wellrohr 9 an seiner Stirnseite mit einer ebenfalls gewellten Abschlußscheibe 17 reaktionsmediendicht verbunden, indem beide an der Stelle 18 miteinander verschweißt sind. Die Abschlußscheibe 17 ihrerseits ist mit dem Außenmantel 12 an der Stelle 19 ebenfalls durch eine reaktionsmediendichte Schweißnaht verbunden. Auf diese Weise ist ein hermetischer Verschluß des Innenraums 8 gegenüber dem Außenmantei 12 gewährleistet

Bezüglich der mittleren Schicht 11 ist noch zu erwähnen, daß diese beispielsweise aus feuerfesten und druckfesten Formsteinen 20 bestehen kann, wie dies in der rechten Seite von F i g. 1 bildlich dargestellt ist. Aber auch jede bekannte Art von Feuerfest-Zement ist geeignet.

In logischer Übertragung des Aufbaus vom Hauptkörper 2 auf die Verschlußteile 3 und 4 sind diese ebenfalls in der Weise aufgebaut, daß sie eine gasdichte, temperatur- und korrosionsbeständige innere Schicht 2i aufweisen, die ihrerseits mit einer feuerfesten, wärmedämmenden und stützenden Schicht 22 hinterfüttert ist, welche entsprechend der mittleren Schicht 11 des Hauptkörpers 2 ihrerseits von einem Außenmantei 23 druckfest umschlossen ist Zur Überwachung der Temperatur kann beispielsweise im Verschlußteil 3 ein Meßsondenkanal 24 angeordnet sein.

Im Falle der Verwendung des Autoklavs 1 als Versuchsreaktor ist dieser beispielsweise in weiterer Ausgestaltung in der mittleren Schicht 11 mit einer elektrisehen Heizwicklung 25 ausgestattet Auch können, wie aus F i g. 1 hervorgeht, in der äußeren Zone der mittleren Schicht 11 zur Wärmeabfuhr Kühlmittelrohre 26 eingebettet sein.

F i g. 2 zeigt im Detail einen vergrößerten Ausschnitt des Autoklavs 1. Man erkennt das Wellrohr 9, die mittlere Schicht 11 sowie den Außenmantei 12, welcher durch eine Schweißnaht 27 mit dem Flansch 28 verbunden ist Ferner ist die Abschlußscheibe 17 durch die Schweißnaht 19 mit dem Flansch 28 und durch die Schweißnaht 18 mit dem Wellrohr 9 reaktionsmediendicht verbunden. Die Abschlußscheibe 17 weist in dem Bereich des Wellrohres 9 eine Verformung durch konzentrische Rillen auf, wovon die einzelnen Rillen 29 deutlich zu erkennen sind. Weiterhin erkennt man die Formkörper 16, welche die Hohlräume 15 des Wellrohres 9 gegenüber der zylindrischen Innenfläche 14 der mittleren Schicht 11 ausfüllen. Die mittlere Schicht 11 besteht ihrerseits aus den feuerfesten Steinen 20, welche lose oder auch mit einem feuerfesten Bindemittel zwischen Wellrohr 9 und Außenmantel 12 eingefügt sind.

Schließlich zeigt die Darstellung nach F i g. 2 noch die Snezialdichtiing 7, zum Beispiel aus relativ weichem Chrom-Nickel-Stahl, welcher eine absolut dichtende Verbindung zwischen den Flanschen 5 beziehungsweise 6 herstellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Autoklav zur Durchführung von Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und hohen Drükken, insbesondere unter pulsierenden Drücken, mit einem Aufbau aus mehreren Schichten, mit einem inneren, gegenüber dem Medium abdichtenden Hohlkörper aus korrosions- und temperaturbeständigem Material, einer diesen inneren Hohlkörper umgebenden mittleren Schicht aus wärmedämmendem sowie formbeständigem Material sowie einem diese mittlere Schicht umschließenden, die vom inneren Hohlkörper über die mittlere Schicht nach außen wirkenden Kräfte auffangenden Außenmantel, dadurch gekennzeichnet, dal? der innere Hohlkörper (10) ein Wellrohr (9) ist, daß die mittlere Schicht (11) mit einer glatten zylindrischen Innenfläche (14) ausgestattet ist, daß zwischen dem Wellrohr (9) und der mittleren Schicht (11) Formkörper (16) als Stützkörper mit einer eine Gleitbewegung zwischen dem Wellrohr (9) und der mittleren Schicht (U) zulassenden, losen Passung eingelegt sind, und daß die mittlere Schicht (11) Dehnungsund Gleitfugen aufweist.

2. Autoklav nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht (11) aus feuerfesten Steinen besteht, welche lose oder mit einem feuerfesten Bindemittel zwischen Wellrohr (9) und Außenmantel (12) eingefügt sind.

3. Autoklav nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der äußeren Zone der mittleren Schicht (11) Kühlmittelrohre (26) eingebettet sind.

4. Autoklav nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellrohr (9) stirnseitig gegenüber dem Außenmantel (12) durch eine Abschlußscheibe (17) aus korrosions- und temperaturbeständigem Material reaktionsmeaiendicht abgeschlossen ist.

5. Autoklav nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußscheibe (17) rillenförmige oder wellenförmige Verformungen (29) aufweist.

6. Autoklav nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußscheibe (17) konzentrische Rillen (29) aufweist.

7. Autoklav nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellrohr (9) und der Außenmantel (12) mit der AbschluBscheibe (17) reaktionsrnediendicht verschweißt ist.

8. Autoklav nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (12) wenigstens eine Druckentlastungsbohrung (13) aufweist.