DE29722931U1 - Deep well reactor for the continuous implementation of chemical reactions - Google Patents
Deep well reactor for the continuous implementation of chemical reactionsInfo
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Description
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„Tiefschachtreaktor zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Reaktionen" Beschreibung"Deep shaft reactor for the continuous execution of chemical reactions" Description
Die Erfindung betrifft einen Tiefschachtreaktor zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Reaktionen gemäß dem Gattungsbegriff des Schutzanspruchs 1The invention relates to a deep-shaft reactor for the continuous implementation of chemical reactions according to the generic term of claim 1
Aus der US 4 744 909 ist ein Reaktor bekannt, der in Form eines Tiefschachtreaktors gebaut ist und zur Durchführung der Naßoxidation von Klärschlämmen geeignet ist.From US 4,744,909 a reactor is known which is built in the form of a deep shaft reactor and is suitable for carrying out the wet oxidation of sewage sludge.
Der eigentliche Reaktor ist ein Doppelrohrsystem und besteht im wesentlichen aus zwei koaxial ineinander geführten und in ein entsprechendes Bohrloch abgesenkten Rohren. Das Außenrohr ist an seinem unteren Ende durch einen Boden dicht verschlossen. Das Innenrohr hat einen deutlich kleineren Durchmesser als das Außenrohr und endet unter Belassung eines Durchtrittsspaltes in der Nähe des Bodens des Außenrohres. Auf diese Weise wird ein Strömungsweg für ein fließfähiges Medium geschaffen, das durch das Innere des Innenrohres und den Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr fließen kann. Somit entstehen für dieses Medium zwei entgegengesetzt gerichtete Strömungsabschnitte. Das Innenrohr und das Außenrohr sind an der der Erdoberfläche zugewandten Seite der Rohre jeweils mit einem Anschluß für die Zu- bzw. Ableitung des zu behandelnden Mediums versehen. Je nachdem, weicher Anschluß mit der Zuleitung verbunden wird, kann die Strömungsrichtung durch den Reaktor verändert werden.The actual reactor is a double pipe system and essentially consists of two pipes that are coaxially guided into one another and lowered into a corresponding borehole. The outer pipe is sealed at its lower end by a base. The inner pipe has a significantly smaller diameter than the outer pipe and ends near the base of the outer pipe, leaving a gap. In this way, a flow path is created for a flowable medium that can flow through the interior of the inner pipe and the space between the inner pipe and the outer pipe. This creates two oppositely directed flow sections for this medium. The inner pipe and the outer pipe are each provided with a connection for the supply and discharge of the medium to be treated on the side of the pipes facing the earth's surface. Depending on which connection is connected to the supply line, the direction of flow through the reactor can be changed.
Da der Reaktor für exotherme Reaktionen vorgesehen ist, muß sichergestellt werden, daß die entstehende Wärme ausreichend schnell abgeführt wird, damit eine örtliche Überhitzung des Reaktors selbst vermieden wird. Ein wesentlicher Teil der entstehenden Wärme wird mit dem am Ausgang des Reaktors ausströmenden Effluent, das aus den Reaktionsprodukten gebildet wird, abgeführt. Da das am Eingang zugeführte Influent üblicherweise Umgebungstemperatur aufweist, findet durch die Rohrwand des Innenrohrs hindurch ein Wärmeübergang vom erhitztenSince the reactor is designed for exothermic reactions, it must be ensured that the heat generated is dissipated sufficiently quickly to avoid local overheating of the reactor itself. A significant part of the heat generated is dissipated with the effluent flowing out of the reactor outlet, which is formed from the reaction products. Since the influent supplied at the inlet is usually at ambient temperature, heat is transferred from the heated
Effiuent, das auf der Außenseite des Innenrohres strömt, zum kälteren Influent hin statt, so daß dieses bis in die Nähe der Reaktionstemperatur erwärmt wird.Effiuent, which flows on the outside of the inner tube, towards the colder influent, so that it is heated up to near the reaction temperature.
Je nach Art der stattfindenden Reaktion und der dabei freigesetzten Wärmemenge kann es sein, daß die Austragung von Wärme allein durch das Effluent unzureichend ist. Daher ist dieser bekannte Reaktor mit einem zusätzlichen Kühlsystem ausgerüstet, das durch einen indirekten Wärmeaustausch wirkt. Hierzu ist im Inneren des Innenrohres wiederum koaxial zu diesem verlaufend ein weiteres Doppelrohrsystem angeordnet, das im Prinzip in gleicher Weise aufgebaut ist, wie das aus dem Innenrohr und dem Außenrohr des Reaktors bestehende Doppelrohrsystem. Das bedeutet, daß wiederum ein am unteren Ende durch einen Boden verschlossenes Wärmetauscheraußenrohr vorgesehen ist, in dessen Innerem ein an seinem unteren Ende offenes Wärmetauscherinnenrohr angeordnet ist. Das Wärmetauscherinnenrohr endet wiederum unter ßelassung eines Durchtrittsspaltes in der Nähe des Bodens des Wärmetauscheraußenrohres. Auf diese Weise wird ein Durchströmen der beiden Wärmetauscherrohre von einem Wärmeträgermedium (vorzugsweise Wasser) möglich. Zweckmäßigerweise wird das frische Kühlmedium von oben nach unten durch das Wärmetauscherinnenrohr geführt und strömt dann von unten nach oben durch den Zwischenraum zwischen Wärmetauscherinnen- und außenrohr an die Erdoberfläche zurück. Auf seinem Rückweg findet durch die Wand des Wärmetauscheraußenrohres hindurch der indirekte Wärmeaustausch mit dem auf Prozeßtemperatur befindlichen zu behandelnden Prozeßmedium des Reaktors statt.Depending on the type of reaction taking place and the amount of heat released, it may be that the removal of heat by the effluent alone is insufficient. This known reactor is therefore equipped with an additional cooling system that works through indirect heat exchange. For this purpose, another double pipe system is arranged inside the inner pipe, running coaxially to it, which is in principle constructed in the same way as the double pipe system consisting of the inner pipe and the outer pipe of the reactor. This means that there is again an outer heat exchanger pipe closed at the lower end by a base, inside which there is an inner heat exchanger pipe that is open at its lower end. The inner heat exchanger pipe ends near the base of the outer heat exchanger pipe, leaving a passage gap. In this way, a heat transfer medium (preferably water) can flow through the two heat exchanger pipes. The fresh cooling medium is expediently led from top to bottom through the heat exchanger inner pipe and then flows from bottom to top through the space between the heat exchanger inner and outer pipe back to the earth's surface. On its way back, indirect heat exchange takes place through the wall of the heat exchanger outer pipe with the process medium to be treated in the reactor, which is at process temperature.
Um die chemische Reaktion (z.B. die Naßoxidation von Klärschlamm) ablaufen zu lassen, müssen die Reaktanten, also beispielsweise Klärschlamm auf der einen Seite und Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Medium (z.B. Luft) auf der anderen Seite in ausreichender Menge und unter geeigneten Bedingungen zusammengeführt werden. Für den Fall der Naßoxidation liegen die Werte für die Temperatur und den Druck zum Ablauf des Oxidationsvorgangs zweckmäßigerweise in der Nähe des kritischen Punktes von Wasser, d. h. entweder etwas unterhalb oder etwas oberhalb der kritischen Werte von Druck und Temperatur. Während des Oxidationsvorgangs muß dafür gesorgt werden, daß der Druck über dem Dampfdruck des Wassers und die Temperatur innerhalb festgelegter Grenzwerte gehalten werden, um eine Beschädigung des Reaktors zu vermeiden und andererseits die Aufrechterhaltung der Reaktion zu gewährleisten. Der zur Naßoxidation erforderliche Sauerstoff wird beiIn order to allow the chemical reaction (e.g. wet oxidation of sewage sludge) to take place, the reactants, i.e. sewage sludge on the one hand and oxygen or an oxygen-containing medium (e.g. air) on the other hand, must be brought together in sufficient quantities and under suitable conditions. In the case of wet oxidation, the values for the temperature and pressure for the oxidation process to take place are preferably close to the critical point of water, i.e. either slightly below or slightly above the critical values of pressure and temperature. During the oxidation process, it must be ensured that the pressure is kept above the vapor pressure of the water and the temperature is kept within specified limits in order to avoid damage to the reactor and to ensure that the reaction is maintained. The oxygen required for wet oxidation is
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dem bekannten Reaktor im Gleichstrom mit dem Influent (Klärschlamm) durch das Innenrohr des Reaktors eingeführt. Hierzu ragen in das Innenrohr von oben Lanzen hinein, durch die der Sauerstoff in unterschiedlichen Tiefen in das Influent abgegeben wird, so daß es sich in Bläschenform mit diesem vermischt. Eine dieser Sauerstoffianzen wird sogar bis hinunter in die sogenannte Reaktionszone geführt, in der die eigentliche chemische Reaktion, also im genannten Beispiel die Naßoxidation stattfindet. Diese Reaktionszone liegt am unteren Ende des Innenrohres und kann sich u. U. bis in den Anfangsbereich des Zwischenraumes zwischen Innenrohr und Außenrohr erstrecken. Bei einem Reaktor von z.B. 1200 m Tiefe beginnt die Reaktionszone beispielsweise bei etwa 700 m. Solche Vertikalschachtreaktoren, wie sie zur Naßoxidation von Klärschlämmen verwendet werden, haben den großen Vorteil, daß der erforderliche Druck in der Reaktionszone (z.B. 80 bis 150 bar) nicht durch eine entsprechend große Pumpenleistung bei der Zuführung der Reaktanten erzeugt werden muß, sondern im wesentlichen systembedingt als hydrostatischer Druck der Flüssigkeitssäule entsteht.the known reactor in parallel flow with the influent (sewage sludge) through the inner tube of the reactor. For this purpose, lances protrude from above into the inner tube, through which the oxygen is released into the influent at different depths, so that it mixes with it in the form of bubbles. One of these oxygen lances is even led down into the so-called reaction zone, in which the actual chemical reaction, i.e. wet oxidation in the example mentioned, takes place. This reaction zone is located at the lower end of the inner tube and can, under certain circumstances, extend into the beginning of the space between the inner tube and the outer tube. In a reactor with a depth of 1200 m, for example, the reaction zone begins at about 700 m. Such vertical shaft reactors, as used for the wet oxidation of sewage sludge, have the great advantage that the required pressure in the reaction zone (e.g. 80 to 150 bar) does not have to be generated by a correspondingly high pump output when feeding the reactants, but is essentially created as a hydrostatic pressure of the liquid column due to the system.
Während der vorstehend beschriebene Tiefschachtreaktor einen innerhalb des eigentlichen Reaktionsraums angeordneten Wärmetauscher aufweist, hat der aus der US 4 803 054 bekannte Tiefschachtreaktor einen außen liegenden Wärmetauscher für den indirekten Wärmetausch zwischen dem zu behandelnden Medium und dem Kühlmedium. Hierbei sind zwei parallel nebeneinander angeordnete Reaktäonsräume vorgesehen, die jeweils aus einem Paar ineinandergeführter Rohre bestehen, wie sie bei dem Reaktor gemäß US 4 744 909 verwendet werden. Die beiden Rohrpaare sind von einem gemeinsamen Kühlmantelrohr außen mit Abstand umgeben. Der zwischen den beiden Rohrpaaren innerhalb des Kühlmantelrohres bestehende Zwischenraum ist mit dem Kühlmedium gefüllt, das im Bereich des oberen Endes des Kühlmantelrohres abgezogen werden kann. Das frische Kühlmedium wird durch eine parallel zu den beiden Rohrleitungspaaren, die die Reaktionszone beinhalten, verlaufende Kühlmittelzuleitung eingespeist, die im Bereich des unteren Endes des Tiefschachtreaktors offen endet. Auf diese Weise kann das frische Kühlmittel in der Nähe der heißesten Stelle des Reaktors eingesetzt werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, den Kühlmittelfluß umzukehren, d.h. das frische Kühlmittel am oberen Ende des Kühimantelrohres einzuführen und am unteren Ende des Reaktors abzuziehen, um auf diese Weise ein möglichst heißes Kühlmittel zu gewinnen, dessen Wärme für andere Zwecke nutzbar ist.While the deep shaft reactor described above has a heat exchanger arranged within the actual reaction chamber, the deep shaft reactor known from US 4,803,054 has an external heat exchanger for indirect heat exchange between the medium to be treated and the cooling medium. Two reaction chambers arranged parallel to one another are provided, each consisting of a pair of pipes guided into one another, as used in the reactor according to US 4,744,909. The two pairs of pipes are surrounded by a common cooling jacket pipe at a distance from one another. The space between the two pairs of pipes within the cooling jacket pipe is filled with the cooling medium, which can be drawn off in the area of the upper end of the cooling jacket pipe. The fresh cooling medium is fed in through a coolant supply line running parallel to the two pairs of pipes containing the reaction zone, which ends open in the area of the lower end of the deep shaft reactor. In this way, the fresh coolant can be used near the hottest point in the reactor. In principle, it is also possible to reverse the coolant flow, i.e. to introduce the fresh coolant at the top end of the cooling jacket tube and to remove it at the bottom end of the reactor, in order to obtain the hottest possible coolant, the heat of which can be used for other purposes.
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Ein Tiefschachtreaktor wird üblicherweise so installiert, daß sein äußerstes Hüllrohr über einen Betonmantel mit dem umgebenden Erdreich verbunden wird. Da während des Betriebs des Tiefschachtreaktors, insbesondere beim An- und Abfahren des Reaktors, erhebliche Temperaturdifferenzen auftreten, kommt es auch im Bereich des äußersten Rohres zu starken thermisch bedingten Spannungen bzw. Längenänderungen. Wegen der nicht definierten Reibungsverhältnisse zwischen der äußersten Rohrwand und dem Betonmantel sind die hierdurch hervorgerufenen mechanischen Spannungen besonders kritisch.A deep shaft reactor is usually installed in such a way that its outermost cladding pipe is connected to the surrounding soil via a concrete casing. Since significant temperature differences occur during operation of the deep shaft reactor, especially when starting up and shutting down the reactor, strong thermally induced stresses or length changes also occur in the area of the outermost pipe. Due to the undefined friction conditions between the outermost pipe wall and the concrete casing, the mechanical stresses caused by this are particularly critical.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Tiefschachtreaktor dahingehend zu verbessern, daß Temperaturveränderungen während unterschiedlicher Betriebsphasen des Reaktors nicht zu unerwünscht großen mechanischen Beanspruchungen im Bereich der äußersten Rohrhülle und des Betonmantels führen.The object of the present invention is to improve a generic deep-shaft reactor in such a way that temperature changes during different operating phases of the reactor do not lead to undesirably large mechanical stresses in the area of the outermost pipe shell and the concrete casing.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß ein äußeres Schutzrohr vorgesehen ist, welches das mindestens eine Paar ineinandergeführter Rohre außen mit Abstand umgibt und seinerseits direkt von dem Betonmantel umgeben ist, und dieses Schutzrohr als Wärmeisolationsrohr ausgeführt ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 11,This object is achieved according to the invention in that an outer protective tube is provided which surrounds the at least one pair of pipes guided into one another at a distance and is in turn directly surrounded by the concrete casing, and this protective tube is designed as a heat insulation tube. Advantageous further developments of the invention arise from the subclaims 2 to 11,
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert: Es zeigen: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Tiefschachtreaktor mit direkter Kühlung undThe invention is explained in more detail below with reference to the figures: They show: Fig. 1 a deep shaft reactor according to the invention with direct cooling and
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Tiefschachtreaktor mit außen liegendemFig. 2 shows a deep shaft reactor according to the invention with external
indirektem Kühlsystem.indirect cooling system.
Der in Fig. 1 schematisch (die Länge ist im Verhältnis zum Durchmesser wesentlich zu kurz wiedergegeben) dargestellte Tiefschachtreaktor reicht vom Erdboden bis z.B. in eine Tiefe von 1200 bis 1500 m. Das Bohrloch, in dem der Reaktor untergebracht ist, hat einen Durchmesser, der typischerweise im Bereich von 500 bis 900 mm liegt. Kernstück des Reaktors ist ein Paar koaxial unter Belassung eines Hohlraums ineinandergeführter Rohre 1, 2. Da das Innenrohr 1 einen Abstand vom Außenrohr 2The deep shaft reactor shown schematically in Fig. 1 (the length is shown much too short in relation to the diameter) extends from the ground to a depth of e.g. 1200 to 1500 m. The borehole in which the reactor is housed has a diameter that is typically in the range of 500 to 900 mm. The core of the reactor is a pair of pipes 1, 2 that are guided coaxially into one another while leaving a hollow space. Since the inner pipe 1 is at a distance from the outer pipe 2
aufweist, ist der zwischen ihnen gebildete Hohlraum als Ringraum 3 ausgebildet. Das Außenrohr 2 ist an seinem unteren Ende mit einem Boden 4 nach außen hin dicht verschlossen. Das Innenrohr 1 endet in der Nähe dieses Bodens 4 nach unten offen. Am oberen Ende des Innenrohres 1 ist eine Zuleitung 5 angebracht, durch die ein in dem Reaktor zu behandelndes Influent eingeführt werden kann. Dieses Influent kann durch das Innenrohr nach unten strömen und tritt danach in den Ringraum 3 ein, kehrt also die Strömungsrichtung um und fließt wieder in Richtung der Erdoberfläche zurück, um schließlich am oberen Ende des Außenrohres 2 nach Durchführung der im Reaktor stattfindenden chemischen Reaktion durch eine Ableitung 6 ais Effluent, the cavity formed between them is designed as an annular space 3. The outer pipe 2 is sealed at its lower end with a bottom 4 to the outside. The inner pipe 1 ends near this bottom 4 and is open at the bottom. At the upper end of the inner pipe 1, a feed line 5 is attached, through which an influent to be treated in the reactor can be introduced. This influent can flow downwards through the inner pipe and then enters the annular space 3, thus reversing the flow direction and flowing back towards the earth's surface, finally being discharged at the upper end of the outer pipe 2 through a discharge line 6 as effluent after the chemical reaction taking place in the reactor has been carried out.
&iacgr;&ogr; abgezogen werden zu können. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Durchflußrichtung des zu behandelnden Mediums umzukehren, also das Influent durch die Leitung 6 einzuleiten und durch die Leitung 5 wieder abzuziehen. Charakteristisch für den Tiefschachtreaktor ist es, daß zwei einander entgegengesetzte Strömungsabschnitte bestehen, nämlich einerseits die Strömung durch den Innenraum des Innenrohres 1 und andererseits die Strömung durch den Ringraum 3 zwischen Innenrohr 1 und Außenrohr 2. Während des Durchströmens dieser beiden Strömungsabschnitte kann durch die Wand des Innenrohres 1 ein Wärmeaustausch zwischen den beiden Strömungsabschnitten vor sich gehen. Üblicherweise wird ein Reaktionsmittel (z.B. Luft oder Sauerstoff), das mit dem influent reagieren soll, durch eine separate Reaktionsmittelleitung 7 eingeleitet, die vor der Reaktionszone des Reaktors in diesem offen endet. Die Reaktionsmittelleitung 7 verläuft parallel zur Längsachse des Reaktors. Im vorliegenden Fall ist der Reaktor mit einem Kühlsystem ausgestattet, das eine direkte Kühlung vorsieht. Hierzu ist innerhalb des Innenrohres 1 parallel zur Reaktionsmittelleitung 7 eine Kühlmittelzuleitung 9 angeordnet, die ebenfalls parallel zur Längsachse des Reaktors verläuft und vorzugsweise bis in den Bereich der Reaktionszone hinunter reicht. Das eingeführte Kühlmittel kann dadurch unmittelbar am Ort der Wärmeentstehung in den Reaktor austreten und sich mit den Reaktanten vermischen, um eine ausreichende Kühlung zu bewirken. Das Kühlmittel (z.B. Wasser oder ein Teil des noch nicht behandelten und nicht vorgewärmten Influents oder ein Teil des abgezogenen und abgekühlten Effluents) wird zusammen mit dem Effluent durch die Ableitung 6 aus dem Reaktor abgezogen. Der erfindungsgemäße Tiefschachtreaktor weist ferner ein Schutzrohr 8 auf, das mit Abstand vom Außenrohr 2 angeordnet ist, so daß zwischen diesen beiden Rohren 2, 8 ein ringförmiger Spalt 12a besteht. Das Schutzrohr 8 ist seinerseits von außen mit einem Betonmantel 13 umgeben, der den Spalt zwischenγ to be able to be withdrawn. Of course, it is also possible to reverse the flow direction of the medium to be treated, i.e. to introduce the influent through line 6 and to withdraw it again through line 5. A characteristic of the deep shaft reactor is that there are two opposing flow sections, namely on the one hand the flow through the interior of the inner pipe 1 and on the other hand the flow through the annular space 3 between the inner pipe 1 and the outer pipe 2. While flowing through these two flow sections, a heat exchange between the two flow sections can take place through the wall of the inner pipe 1. Usually, a reactant (e.g. air or oxygen) that is to react with the influent is introduced through a separate reactant line 7, which ends openly in the reactor before the reaction zone. The reactant line 7 runs parallel to the longitudinal axis of the reactor. In the present case, the reactor is equipped with a cooling system that provides direct cooling. For this purpose, a coolant supply line 9 is arranged inside the inner tube 1 parallel to the reactant line 7, which also runs parallel to the longitudinal axis of the reactor and preferably extends down into the area of the reaction zone. The coolant introduced can thus exit into the reactor directly at the point where heat is generated and mix with the reactants in order to achieve sufficient cooling. The coolant (e.g. water or part of the influent that has not yet been treated and preheated or part of the withdrawn and cooled effluent) is withdrawn from the reactor together with the effluent through the discharge line 6. The deep shaft reactor according to the invention also has a protective tube 8 that is arranged at a distance from the outer tube 2, so that an annular gap 12a exists between these two tubes 2, 8. The protective tube 8 is in turn surrounded on the outside by a concrete casing 13, which fills the gap between
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dem Schutzrohr 8 und der innenoberfläche des Bohrlochs vollständig verschließt. Dadurch, daß dieses Schutzrohr 8 vorgesehen wird und nicht etwa das Außenrohr 2 unmittelbar mit dem Betonmantel 13 umhüllt wird, ist es möglich, im Bedarfsfall die Kernkomponenten des Reaktors, d.h. das Paar der beiden koaxial ineinandergeführten Rohre 1, 2 und der darin angeordneten Leitungen 7, 9 zu ziehen und ggf. zu inspizieren oder sogar zu reparieren.the protective pipe 8 and the inner surface of the borehole is completely closed. By providing this protective pipe 8 and not directly covering the outer pipe 2 with the concrete casing 13, it is possible, if necessary, to pull out the core components of the reactor, i.e. the pair of the two coaxially guided pipes 1, 2 and the lines 7, 9 arranged therein and, if necessary, to inspect or even repair them.
Um den durch die während der Reaktion freigesetzte Wärme hervorgerufenen thermischen Effekt auf das Schutzrohr möglichst klein zu halten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Schutzrohr 8 als Wärmeisolationsrohr auszuführen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß für die Herstellung des Schutzrohres 8 ein Material mit einem vergleichsweise niedrigen Wärmeleitwert verwendet wird. Vorzugsweise ist das Schutzrohr 8 als Doppelmantelrohr ausgebildet Besonders bevorzugt ist eine Lösung, bei der in dem Zwischenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohrmantel des Doppelmantelrohres eine Vakuumisolierung angeordnet ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß die Temperaturerhöhung des Schutzrohres 8 während des Reaktorbetriebs wesentlich niedriger bleibt als die Temperaturerhöhung des Außenrohres 2. Dadurch werden auch die durch thermische Dehnung hervorgerufenen mechanischen Spannungen entsprechend niedrig gehalten.In order to keep the thermal effect on the protective tube caused by the heat released during the reaction as small as possible, the invention provides for the protective tube 8 to be designed as a heat-insulating tube. This can be done, for example, by using a material with a comparatively low thermal conductivity to manufacture the protective tube 8. The protective tube 8 is preferably designed as a double-jacket tube. A solution in which vacuum insulation is arranged in the space between the inner and outer jacket of the double-jacket tube is particularly preferred. In this way, it can be ensured that the temperature increase of the protective tube 8 during reactor operation remains significantly lower than the temperature increase of the outer tube 2. This also keeps the mechanical stresses caused by thermal expansion correspondingly low.
Aus Fig. 1 ist weiterhin entnehmbar, daß das Schutzrohr 8 in seinem oberen Teil von zwei weiteren untereinander beabstandeten Rohren umgeben ist. Es handelt sich hierbei zum einen um das Ankerrohr 14, das dem Grundwasserschutz dient. Es reicht von der Erdoberfläche bis zu den Grundwasserhorizonten, die bei den jeweiligen örtlichen geologischen Verhältnissen anzutreffen sind. Zum anderen handelt es sich um das sogenannte Standrohr 15, das zur Aufnahme der Bohrkräfte und zur Sicherung des Bohrloches vor Einsturz dient und ca. 40 m in das Erdreich hineinreicht. Nach Abschluß der Bohrarbeiten bietet es einen zusätzlichen Schutz des oberflächennahen Grundwassers für den Fall, daß die in dem Reaktor zu behandelnden Medien aufgrund einer Beschädigung des Reaktors aus diesem unkontrolliert austreten sollten.From Fig. 1 it can also be seen that the upper part of the protective pipe 8 is surrounded by two further pipes spaced apart from one another. Firstly, this is the anchor pipe 14, which serves to protect the groundwater. It extends from the earth's surface to the groundwater horizons that are found in the respective local geological conditions. Secondly, there is the so-called standpipe 15, which serves to absorb the drilling forces and to secure the borehole against collapse and extends approximately 40 m into the ground. After the drilling work has been completed, it offers additional protection for the groundwater near the surface in the event that the media to be treated in the reactor should escape from the reactor in an uncontrolled manner due to damage to the reactor.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Funktionsgleiche Teile des Tiefschachtreaktors sind dabei mit denselbenAnother embodiment of the present invention is shown in Fig. 2. Functionally identical parts of the deep shaft reactor are provided with the same
Bezugszeichen versehen worden wie in Fig. 1, so daß hierauf nicht gesondert eingegangen werden muß. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht darin, daß in Fig. 2 kein direkter Wärmetausch zwischen dem Kühlmedium und den zu behandelnden Medien stattfindet, sondern ein indirekter Wärmeaustausch vorgesehen ist. Hierzu ist das Paar der koaxial ineinandergeführten Rohre 1, 2 von einem Kühlmantelrohr 10 mit Abstand umgeben. Ähnlich wie bei dem aus der US 4 803 054 bekannten Reaktor, könnten mehrere Paare von ineinandergeführten Rohren 1, 2 gemeinsam innerhalb dieses Kühlmantelrohres angeordnet sein. Am oberen Ende des Kühlmantelrohres 10 befindet sich ein Anschluß 16 für die Zu- oder Ableitung des Kühlmediums (vorzugsweise Wasser). Ferner ist parallel neben dem Außenrohr 2 des Reaktors eine Kühlmittelleitung 11 angeordnet, die je nach der gewünschten Strömungsrichtung des Kühlmittels der Ab- bzw. Zuleitung des Kühlmittels dient und vorzugsweise bis in die Nähe des unteren Endes des Außenrohres 2 reicht und unten offen ist. Das Kühlmantelrohr 10 ist in gleicher Weise wie das Außenrohr 2 des Reaktors unten durch einen Boden dicht verschlossen. Auf diese Weise kann die Strömung des Kühlmediums in der gleichen Weise wie die Strömung des im Reaktor zu behandelnden Mediums (innerhalb des Innenrohrs 1 und des Außenrohrs 2) geführt werden. Das bedeutet, wenn das Kühlmedium durch den Anschluß 16 in das Kühlmantelrohr 10 eingeführt wird, daß es sich während des Hinabströmens mit zunehmender Annäherung an die eigentliche Reaktionszone immer stärker erwärmt und dann bei Erreichen seiner Höchsttemperatur aus dem unteren Teil des Reaktors durch die Kühlmittelleitung aus dem Reaktor abgezogen und zur Nutzung der enthaltenen Wärme weiterverwendet werden kann. Zweckmäßigerweise ist die Kühlmittelleitung 11 ähnlich wie das Schutzrohr 8 als Wärmeisolationsrohr ausgeführt, um Wärmeverluste möglichst zu vermeiden. Zwischen dem Kühlmantelrohr 10 und dem Schutzrohr 8 besteht in entsprechender Weise wie zwischen dem Außenrohr 2 und dem Schutzrohr 8 in Fig. 1 auch bei der Ausführung der Fig. 2 ein ringförmiger Zwischenraum 12b.Reference symbols have been given to the same as in Fig. 1, so that this does not need to be discussed separately. The main difference between the two embodiments is that in Fig. 2 there is no direct heat exchange between the cooling medium and the media to be treated, but rather an indirect heat exchange is provided. For this purpose, the pair of coaxially interleaved pipes 1, 2 are surrounded by a cooling jacket pipe 10 at a distance. Similar to the reactor known from US 4,803,054, several pairs of interleaved pipes 1, 2 could be arranged together within this cooling jacket pipe. At the upper end of the cooling jacket pipe 10 there is a connection 16 for the supply or discharge of the cooling medium (preferably water). Furthermore, a coolant line 11 is arranged parallel to the outer tube 2 of the reactor, which serves to supply or discharge the coolant depending on the desired flow direction of the coolant and preferably extends to near the lower end of the outer tube 2 and is open at the bottom. The cooling jacket tube 10 is sealed at the bottom by a base in the same way as the outer tube 2 of the reactor. In this way, the flow of the cooling medium can be guided in the same way as the flow of the medium to be treated in the reactor (inside the inner tube 1 and the outer tube 2). This means that when the cooling medium is introduced into the cooling jacket tube 10 through the connection 16, it heats up more and more as it flows down as it approaches the actual reaction zone and then, when it reaches its maximum temperature, can be drawn out of the reactor from the lower part of the reactor through the coolant line and reused to utilize the heat it contains. The coolant line 11 is expediently designed as a heat insulation pipe, similar to the protective pipe 8, in order to avoid heat losses as much as possible. Between the cooling jacket pipe 10 and the protective pipe 8, there is an annular gap 12b in the design of Fig. 2, in a similar manner to that between the outer pipe 2 and the protective pipe 8 in Fig. 1.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, den Zwischenraum 12a bzw. 12b jeweils zu evakuieren, um die Erwärmung des Schutzrohres 8 noch stärker zu beschränken. Zweckmäßig ist es dabei, in den Zwischenraum 12a bzw. 12b ein Mittel zur Absorption von Wasserstoff einzubringen, weil für den Fall, daß ein Rosten der Rohre stattfinden sollte und dadurch Wasserstoff entsteht, dieser Wasserstoff nicht in den evakuierten Spalt permeiren sollte. Kostengünstiger, wenngleich inA preferred embodiment of the invention provides for the gap 12a or 12b to be evacuated in order to further limit the heating of the protective tube 8. It is expedient to introduce a means for absorbing hydrogen into the gap 12a or 12b, because in the event that the tubes rust and hydrogen is produced as a result, this hydrogen should not permeate into the evacuated gap. More cost-effective, although in
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isolationstechnischer Hinsicht weniger wrkungsvoll ist es, den ringförmigen Spalt 12a bzw. 12b mit trockener Luft oder Stickstoff zu füllen. Auch hierbei sind die Wärmeverluste relativ gering. Temperaturdifferenzen beim An- und Abfahren führen dazu, daß sich die Gasdichte in dem ringförmigen Zwischenraum 12a bzw. 12b entsprechend ändert. Wenn der Zwischenraum 12a bzw. 12b nach außen abgedichtet ist, führen daher unterschiedliche Betriebszustände zu entsprechenden Druckänderungen. Diese Druckanzeige kann auch zur Leckageüberwachung des Spaltes 12a bzw. 12b verwendet werden, indem entsprechende Druckanzeigegeräte an diesen Hohlraum angeschlossen werden. Aus praktischen Gründen sollte der Druck des Gases im Spalt gering gehalten werden, weil sonst die Abdichtung an der Oberfläche unnötig kompliziert wird. Geringe Drücke führen zu kleineren Wärmeverlusten, aber auf der anderen Seite zu erheblichen Druckdifferenzen zwischen dem Spalt und dem Kühlmantelrohr 10 sowie dem Schutzrohr 8. Dadurch wird die Verwendung höherfester Werkstoffe oder dickerwandiger Rohre notwendig.From an insulation point of view, it is less effective to fill the annular gap 12a or 12b with dry air or nitrogen. Here too, the heat losses are relatively low. Temperature differences during start-up and shut-down lead to the gas density in the annular gap 12a or 12b changing accordingly. If the gap 12a or 12b is sealed to the outside, different operating conditions lead to corresponding pressure changes. This pressure indicator can also be used to monitor leaks in the gap 12a or 12b by connecting appropriate pressure indicators to this cavity. For practical reasons, the pressure of the gas in the gap should be kept low, because otherwise the sealing on the surface becomes unnecessarily complicated. Low pressures lead to smaller heat losses, but on the other hand to significant pressure differences between the gap and the cooling jacket pipe 10 and the protective pipe 8. This makes the use of higher-strength materials or thicker-walled pipes necessary.
Eine inerte Atmosphäre im Spalt vermindert das Korrosionspotential entsprechend. Daher sollte eine Gasfüllung im Ringraum 12b bzw. 12a möglichst trocken sein. Stickstoff ist grundsätzlich wegen des geringeren Rostpotentials der Verwendung von Luft vorzuziehen.An inert atmosphere in the gap reduces the corrosion potential accordingly. Therefore, a gas filling in the annular space 12b or 12a should be as dry as possible. Nitrogen is generally preferable to the use of air due to the lower rust potential.
Eine weitere Möglichkeit zur Leckageüberwachung besteht in der Analyse des Gases im Spalt 12a bzw. 12b. Hierzu wird beispielsweise ein Rohr in den Spalt 12a bzw. 12b eingeführt, das etwa bis zum Reaktorboden reicht. Der Spalt 12a bzw. 12b wird mit einem Inertgas periodisch oder ständig gespült und das ausströmende Spülgas auf Fremdbestandteile hin analysiert.Another way to monitor leaks is to analyze the gas in the gap 12a or 12b. For this purpose, for example, a pipe is inserted into the gap 12a or 12b that reaches approximately to the bottom of the reactor. The gap 12a or 12b is periodically or continuously flushed with an inert gas and the escaping flushing gas is analyzed for foreign components.
Um die Verwendung vergleichsweise dünnwandiger Rohre zu ermöglichen, kann der Ringraum 12a bzw. 12b auch mit einer geeigneten Flüssigkeit, die die Wärmeleitung möglichst stark behindert, ausgefüllt werden, so daß dem hydrostatischen Druck des zu behandelnden Mediums (bei Ausführung gemäß Fig. 1) bzw. des Kühlmediums im Kühlmantelrohr 10 (bei Ausführung gemäß Fig. 2) ein entsprechender hydrostatischer Druck im Ringraum 12a bzw. 12b entgegenwirkt. Als Füllflüssigkeit eignet sich beispielsweise Wasser, insbesondere wenn dieses Wasser mit einem Rostschutzinhibitor versetzt wird. Grundsätzlich sind die Wärmeverluste bei Verwendung von Flüssigkeiten für die Spaltfüllung größer als bei Verwendung von Gasen. Vorteilhaft kann die Verwendung von Öl mit besonders geringerIn order to enable the use of comparatively thin-walled pipes, the annular space 12a or 12b can also be filled with a suitable liquid that hinders heat conduction as much as possible, so that the hydrostatic pressure of the medium to be treated (in the design according to Fig. 1) or the cooling medium in the cooling jacket pipe 10 (in the design according to Fig. 2) is counteracted by a corresponding hydrostatic pressure in the annular space 12a or 12b. Water, for example, is suitable as a filling liquid, especially if this water is mixed with a rust inhibitor. In principle, the heat losses are greater when liquids are used for gap filling than when gases are used. The use of oil with a particularly low
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Wärmeleitfähigkeit sein. Da Temperaturänderungen innerhalb der Flüssigkeitsfüllung zwangsläufig zu entsprechenden thermischen Volumenänderungen führen, empfiehlt es sich, den ringförmigen Spalt 12a bzw. 12b an ein Ausdehnungsgefäß mit ausreichendem Puffervolumen anzuschließen.Thermal conductivity. Since temperature changes within the liquid filling inevitably lead to corresponding thermal volume changes, it is recommended to connect the annular gap 12a or 12b to an expansion vessel with sufficient buffer volume.
Anstelle eines Ausdehnungsgefäßes kann auch vorgesehen sein, daß die Flüssigkeitsfüllung im Zwischenraum 12a bzw. 12b nur bis zu einem Mindestabstand vom Erdboden vorgenommen wird und darüber ein Gaspolster besteht, das bei Volumenvergrößerung der Flüssigkeitsfüllung entsprechend verdrängt bzw. komprimiert wird. Das Gaspolster stellt dabei also quasi ein integriertes Ausdehnungsgefäß dar.Instead of an expansion vessel, it can also be provided that the liquid filling in the space 12a or 12b is only carried out up to a minimum distance from the ground and that a gas cushion is formed above it, which is displaced or compressed accordingly when the volume of the liquid filling increases. The gas cushion thus represents an integrated expansion vessel.
Zur Unterdrückung eines Naturumlaufs des in den Spalt 12a bzw. 12b eingefüllten Gases oder der eingefüllten Flüssigkeit infolge eines bestehenden Temperaturgradienten, der sich zwangsläufig höhenabhängig einstellt, ist es zweckmäßig, in dem Zwischenraum 12a bzw. 12b Einbauten vorzusehen, die eine freie Strömung behindern. Beispielsweise können ringförmige Bleche hierzu verwendet werden. Auf diese Weise läßt sich der thermische Einfluß auf das Schutzrohr 8 weiter vermindern. Zur Erkennung von Leckagen am Kühlmantelrohr bzw. am Außenrohr 2 kann der Zwischenraum 12b bzw. 12a an ein entsprechendes Meßgerät ständig angeschlossen sein oder bei Bedarf angeschlossen werden. Ein solches Meßgerät könnte z.B. auf Veränderungen des pH-Wertes oder der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeitsfüllung reagieren.In order to suppress natural circulation of the gas or liquid filled into the gap 12a or 12b as a result of an existing temperature gradient, which inevitably occurs depending on the height, it is advisable to provide fittings in the gap 12a or 12b that prevent free flow. For example, ring-shaped metal sheets can be used for this purpose. In this way, the thermal influence on the protective tube 8 can be further reduced. In order to detect leaks on the cooling jacket tube or on the outer tube 2, the gap 12b or 12a can be permanently connected to an appropriate measuring device or can be connected as required. Such a measuring device could, for example, react to changes in the pH value or the electrical conductivity of the liquid filling.
Claims (11)
daß das Schutzrohr (8) als Wärmeisolationsrohr ausgeführt ist.Flow sections (interior of the inner pipe 1 and annular space 3 between the inner pipe 1 and the outer pipe 2) with indirect heat exchange between the flow sections (through the wall of the inner pipe 1) through the reactor, further comprising an outer protective pipe (8) which surrounds the at least one pair of pipes (1, 2) guided into one another at a distance from one another, and a concrete casing (13) placed directly around the protective pipe (8) and at least one reactant line (7) running inside the reactor, which ends openly in front of the reaction zone of the reactor and through which a reactant capable of reacting with the influent can be introduced, and a cooling system for removing heat from the reactor, characterized in that
that the protective tube (8) is designed as a heat insulation tube.
dadurch gekennzeichnet,2. Reactor according to claim 1,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,3. Reactor according to one of claims 1 to 2,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Zwischenraum (12a oder 12b) evakuiert ist.5. Reactor according to one of claims 3 to 4,
characterized,
that the intermediate space (12a or 12b) is evacuated.
dadurch gekennzeichnet,6. Reactor according to claim 5,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,7. Reactor according to one of claims 3 to 4,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,8. Reactor according to one of claims 3 to 4,
characterized,
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