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TECHNISCHER
BEREICH
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Die
Erfindung bezieht sich auf die Struktur von Düsen für Verfahrensbehälter mit
erhöhten
Temperaturen und insbesondere auf die Verwendung wärmeisolierender
Strukturen zur Verwendung in Düsen
dieser Behälter.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Verfahrensbehälter, die
bei erhöhten
Temperaturen betrieben werden und korrosive Fluide enthalten, werden
in mehreren Industriezweigen einschließlich Druckreaktions- und Ausdehnungsbehältern wie
etwa Autoklaven, Heizbehältern
und Entspannungsbehältern
in hydrometallurgischen Verfahren, die Metallwerte aus Erzen, Konzentraten
und Schlacke extrahieren, verwendet.
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Diese
Behälter
verwenden typisch einen konstruktiven Metallmantel, eine feuerfeste
Auskleidung und eine korrosionsbeständige Membranauskleidung zwischen
dem konstruktiven Mantel und der feuerfesten Auskleidung. Die Membran
schützt
den konstruktiven Mantel vor Korrosion durch Verfahrensfluide wie
etwa eine Säure
mit hoher Temperatur und die feuerfeste Auskleidung schützt die
Membran vor den erhöhten
Temperaturen in dem Behälter.
Die Konstruktion der feuerfesten Auskleidung soll die Temperatur
der korrosionsbeständigen
Membran auf eine Zieltemperatur begrenzen, um die Membran z. B.
durch Begrenzen ihrer Temperatur auf diese maximal zulässige Gebrauchstemperatur
zu schützen.
In einem typischen Beispiel kann die Membran Blei sein, während die
feuerfeste Auskleidung Isolierziegel sein können. Eine typische Membran
kann eine maximal zulässige
Gebrauchstemperatur in der Größenordnung
von etwa 80 °C
bis 120 °C
aufweisen.
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Dieses
Auskleidungssystem funktioniert für den Körper des Verfahrensbehälters gut,
während
an den Düsen,
die den Behälter
mit dem Verfahrensrohrleitungssystem verbinden, kein ausreichender
Platz sein kann, um eine ausreichende isolierende Dicke der feuerfesten
Auskleidung in der Düse
aufzunehmen, was dazu führen
kann, dass die Membran inakzeptabel hohen Temperaturen ausgesetzt
ist. Falls entdeckt wird, dass die Membrantemperaturen inakzeptabel
hoch sind, muss zusätzliche
Isolation in der Düse
nachgerüstet
werden.
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Ein
weiteres Problem bei der Isolation der korrosionsbeständigen Membran
gegenüber
erhöhten
Verfahrenstemperaturen ist, dass die Wärme die feuerfeste Auskleidung
durch Leitung über
die Abdeckung und den Düsenflansch
umgehen und so über den
Stahlmantel zu der Membran gehen kann.
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In
der Vergangenheit wurden Metallhülsen und
-einsätze
verwendet, die aus einer großen
Vielfalt von Werkstoffen einschließlich rostfreiem Stahl, rostfreien
Duplex- und Super-Duplex-Stählen
und Titan hergestellt waren. Obgleich diese Werkstoffe unter verschiedenen
Bedingungen beständig
gegen korrosiven Angriff sind, weisen sie keine ausreichenden Wärmeisoliereigenschaften
auf.
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Außerdem hat
es Fälle
gegeben, in denen zwischen eine Metallhülse und die feuerfeste Auskleidung
einer Düse
ein Polymerharz, typisch Furanharz, gegossen wurde, um einen Isolierwert
zu erzeugen. Allerdings weisen diese Polymere eine begrenzte Gebrauchstemperatur
auf, oberhalb derer sie zersetzt werden, wobei festgestellt worden
ist, dass diese Isolierenden Schichten die Hülse an der darunterliegenden
feuerfesten Schicht anhaften, was den Ersatz der Hülse schwierig
macht.
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US 4.552.727 offenbart eine
Kühlvorrichtung,
in der heiße,
korrosive Verbrennungsgase durch das Einleiten einer Abschreckflüssigkeit
abgekühlt
werden. Sie beschreibt einen Reaktionsbehälter mit einer dauerhaften
Düsenisolation.
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Dementsprechend
besteht der Bedarf an effektiveren Systemen zum Isolieren von Düsen von Verfahrensbehältern, die
korrosive Fluide enthalten, die bei erhöhten Temperaturen betrieben
werden. Insbesondere das Entwicklungsgebiet der Extraktion von Metallwerten über hydrometallurgische
Verfahren erfordert für
einige Erzkörper
höhere
Verfahrenstemperaturen, als sie zuvor verwendet worden sind. In
der Vergangenheit waren Verfahrenstemperaturen von etwa 150 °C typisch.
Um einen weiteren Bereich von Erzen zu verarbeiten, ist es für einige
momentan verwendete Verfahren nicht unüblich, dass sie bei beträchtlich
höheren
Temperaturen und Drücken
betrieben werden, wobei z. B. die Betriebstemperatur in dem Behälter bis
zu 300 C beträgt.
Somit sind verbesserte Isolierverfahren erforderlich, um die Membrantemperaturen
unter einer oberen Grenztemperatur (wie etwa der maximal zulässigen Gebrauchstemperatur)
zu halten, indem sie gegen höhere
Verfahrenstemperaturen isoliert werden.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die Schwierigkeiten des Standes der Technik, indem sie vorgeformte
Isolierhülsen
und -einsätze
für Düsen von
Verfahrensbehältern
schafft, die korrosive Fluide enthalten und bei erhöhten Temperaturen
betrieben werden.
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Die
Erfindung schafft einen vorgeformten ersetzbaren Polymerisoliereinsatz,
der die Innenfläche der
Düse definiert.
Der Einsatz ist beständig
gegenüber
korrosiven Verfahrensfluiden und erhöhten Temperaturen und wirkt
außerdem
so, dass er die Düse isoliert,
wodurch eine Beschädigung
an der Membranauskleidung der Düse
verhindert wird.
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In
einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Düse für einen
Verfahrensbehälter
für den
Betrieb bei einer erhöhten
Verfahrenstemperatur, wobei der Behälter einen äußeren Metallmantel, eine innere
isolierende Auskleidung und zwischen der isolierenden Auskleidung
und dem äußeren Mantel
eine Membran aufweist, wobei die Düse einen Innenraum aufweist,
der mit einem Innenraum des Behälters
in Verbindung steht, und umfasst: (a) einen Düsenaußenmantel, der gegenüber dem
Außenmantel
des Behälters
abgedichtet ist, wobei der Düsenaußenmantel
ein erstes und ein zweites offenes Ende und eine Seitenwand, die
eine zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Düsenaußenmantels
verlaufende Düsenachse
definiert, aufweist; (b) eine Düsenmembran,
die eine Innenfläche
des Düsenaußenmantels
auskleidet, wobei die Düsenmembran
gegenüber
der Membran des Behälters
abgedichtet ist; (c) eine Abdeckung, die an dem ersten Ende des
Düsenaußenmantels
vorgesehen ist; und (d) eine vorgeformte austauschbare Isolierhülse, die
einen wärmeisolierenden
Polymerwerkstoff mit einer maximal zulässigen Gebrauchstemperatur,
die höher
als eine Betriebstemperatur in der Düse ist, umfasst, wobei die
Isolierhülse
hohl ist und eine Seitenwand mit einer Innenfläche und mit einer Außenfläche aufweist, wobei
die Seitenwand der Düse
zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Düsenaußenmantels entlang der Düsenachse
verläuft;
wobei die Seitenwand der Isolierhülse eine ausreichende Dicke
und eine ausreichend niedrige Wärmeleitfähigkeit
aufweist, so dass die Außenfläche der
Seitenwand auf einer ausreichend niedrigen Temperatur bleibt, wenn
die Isolierhülse
während
des Betriebs des Behälters
durch die Verfahrenstemperatur erwärmt wird, so dass die über die
genannte Isolierhülse
zu der genannten Düsenmembran übertragene
Wärmeenergie
nicht ausreicht, um die Temperatur irgendeines Teils der Düsenmembran über eine
Zieltemperatur zu erhöhen.
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In
einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Düse für einen
Verfahrensbehälter
für den
Betrieb bei erhöhter
Verfahrenstemperatur, wobei der Behälter einen äußeren Metallmantel, eine innere
isolierende Auskleidung und zwischen der isolierenden Auskleidung
und dem äußeren Mantel
eine Membran aufweist, wobei die Düse einen Innenraum aufweist,
der mit einem Innenraum des Behälters
in Verbindung steht, und umfasst: (a) einen Düsenaußenmantel, der gegenüber dem
Außenmantel
des Behälters
abgedichtet ist, wobei der Düsenaußenmantel
ein erstes und ein zweites offenes Ende und eine Seitenwand, die
eine zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Düsenaußenmantels
verlaufende Düsenachse
definiert, aufweist; (b) eine Düsenmembran,
die eine Innenfläche
des Düsenaußenmantels
auskleidet, wobei die Düsenmembran
gegenüber
der Membran des Behälters
abgedichtet ist; (c) eine Abdeckung, die an dem ersten Ende des
Düsenaußenmantels
vorgesehen ist, wobei die Abdeckung eine erste Oberfläche, eine
zweite Oberfläche,
die in dem ersten Ende des Düsenaußenmantels
zugewandter Beziehung gehalten ist, und eine Innenfläche, die
zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche der Abdeckung verläuft, aufweist,
wobei die Innenfläche
eine Öffnung
in der Abdeckung definiert; und (d) ein hohles axiales Isolierelement,
das aus einem wärmeisolierenden
Werkstoff besteht, der eine maximal zulässige Gebrauchstemperatur aufweist,
die höher
als eine Betriebstemperatur in der Düse ist, wobei das axiale Isolierelement eine
Seitenwand umfasst, die ein erstes Ende, ein zweites Ende, eine
Innenfläche
und eine Außenfläche aufweist,
wobei die Innenfläche
einem Innenraum der Düse
zugewandt ist, während
die Außenfläche der
Innenfläche
der Abdeckung zugewandt ist; wobei die Seitenwand des axialen Isolierelements eine
ausreichende Dicke und eine ausreichend niedrige Wärmeleitfähigkeit
aufweist, so dass die Außenfläche der
Seitenwand des Isolierelements auf einer ausreichend niedrigen Temperatur
bleibt, wenn das axiale Isolierelement während des Betriebs des Behälters durch
die Verfahrenstemperatur erwärmt wird,
so dass die über
das Isolierelement zu der Düsenmembran übertragene
Wärmeenergie
nicht ausreicht, um die Temperatur irgendeines Teils der Düsenmembran über eine
Zieltemperatur zu erhöhen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben, in der:
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1 eine
Querschnittsansicht der Düse
eines Verfahrensbehälters
mit erhöhten
Temperaturen und hohem Druck ist, der eine Isolierhülse gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält;
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2 eine
Querschnittsansicht durch die Düse
eines Verfahrensbehälters
mit erhöhten
Temperaturen und hohem Druck ist, der eine Isolierhülse gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung enthält;
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3 eine
Nahansicht des Bereichs A in 2 ist; und
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4A bis 4F radiale
Querschnittsansichten durch eine bevorzugte Isolierhülse gemäß der Erfindung
mit Mitteln zum Ermöglichen
der Wärmeausdehnung
sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Anhand
der Zeichnung werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben.
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1 veranschaulicht
einen Abschnitt eines Verfahrensbehälters 10 mit erhöhten Temperaturen und
hohem Druck, der vorzugsweise einen Autoklav, einen Heizbehälter oder
einen Entspannungsbehälter
umfassen kann. Vorzugsweise wird der Behälter 10 in einem hydrometallurgischen
Verfahren wie etwa der Drucksäurelaugung
(PAL) oder einer Druckoxidationslaugung (POX) zur Extraktion von
Metallwerten aus Erz verwendet. Der Behälter 10 weist einen
Mantel 12 auf, der zwischen der feuerfesten Auskleidung 14 und
dem Außenmantel 16 mehrere Schichten
einschließlich
einer inneren feuerfesten Auskleidung 14, eines äußeren Metallmantels 16 und einer
Membran 18 enthält.
Obgleich dies in 1 nicht gezeigt ist, ist außerdem klar,
dass die feuerfeste Auskleidung 14 vorzugsweise aus Schichten
einzelner feuerfester Ziegel besteht, wobei die Fugen zwischen den
Ziegeln mit Mörtel
gefüllt
sind.
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Die
Membran 18 enthält
vorzugsweise einen flexiblen oder schmiedbaren Werkstoff, der typisch eine
Schicht aus Gummi, Vinylester, Furan, Phenolharz, Blei oder einem
anderen korrosionsbeständigen
Werkstoff umfasst. Die Membran 18 schützt den Außenmantel 16 vor Kontakt
mit dem korrosiven Verfahrensfluid im Kessel 10. Der äußere Metallmantel 16 enthält den Druck
in dem Behälter 10 und
ist typisch aus einem Metall wie etwa Kohlenstoffstahl hergestellt,
das anfällig
für korrosiven
Angriff ist.
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Der
Behälter 10 ist
mit einer Düse 20 versehen,
die den Innenraum des Behälters 10 mit
einem (nicht gezeigten) Verfahrensrohrleitungssystem verbindet und
durch die der Behälter 10 be-
oder entladen werden kann. Es ist klar, dass im Mantel des Behälters 10 vorzugsweise
mehrere Düsen
vorgesehen sind. Außerdem
ist klar, dass einige Düsen
den Verfahrensbehälter
nicht rechtwinklig treffen und dass außerdem, während einige Düsen nach
oben vorstehen, andere unter anderen Winkeln einschließlich zur Seite
oder nach unten vorstehen.
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Die
Düse 20 weist
einen Außenmantel 24 auf,
der von dem Außenmantel 16 des
Behälters 10 nach
außen
vorsteht. Der Düsenaußenmantel 24 weist
ein unteres Ende 26, das mit dem Außenmantel 16 des Behälters 10 abgedichtet
ist, ein oberes Ende 28, das mit einem radial nach außen verlaufenden Flansch 30 versehen
ist, und eine Seitenwand 32, die zwischen dem unteren und
dem oberen Ende 26, 28 des Düsenaußenmantels 24 verläuft, auf,
wobei die Düsenseitenwand 32 eine
Düsenachse 34 definiert.
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Das
untere offene Ende 26 des Düsenaußenmantels 24 ist
vorzugsweise durch Schweißen oder
dergleichen an dem Metallmantel 16 des Behälters 10 befestigt
und vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie der Metallmantel 16 gebildet.
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Vorzugsweise
weist die Düse 20 einen
kreisförmigen
Querschnitt auf, wobei die Seitenwand 32 des Düsenaußenmantels 24 vorzugsweise
zylindrisch ist und der Flansch 30 vorzugsweise ringförmig ist.
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Ferner
umfasst die Düse
eine Düsenmembran 36,
die eine Innenfläche 38 des
Düsenaußenmantels 24 auskleidet.
Die Düsenmembran
ist mit der Membran 18 des Behälters 10 so abgedichtet,
dass eine zusammenhängende
Membranschicht gebildet ist, die die Außenmäntel 16, 24 des
Behälters 10 und der
Düse 20 schützt. Bevorzugter
ist die Düsenmembran 36 einteilig
mit der Membran 18 gebildet und besteht aus dem gleichen
Werkstoff.
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Wie
in 1 gezeigt ist, schützt die Düsenmembran 36 alle
Oberflächen
des Düsenaußenmantels 24 vor
Kontakt mit dem Düseninnenraum
und kann vorzugsweise, wie in 1 gezeigt
ist, über eine
obere Oberfläche 40 des
Flanschs 30 verlaufen.
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Ferner
umfasst die Düse 20 eine
Abdeckung 42, die über
mehrere Stehbolzen 44, die durch Öffnungen in der Abdeckung 42 und
in dem Flansch 30 geleitet sind, mit dem Flansch 30 verschraubt
ist. Die Abdeckung 42 ist entweder aus einer korrosionsbeständigen Legierung
hergestellt oder weist eine Schutzplattierung auf, die auf sie auf
die Oberflächen,
die dem Verfahren ausgesetzt sind, aufgetragen ist. Die Plattierung
ist üblicherweise
metallisch und kann ein von dem für die Behältermembran verwendeten Werkstoff
verschiedener Werkstoff sein. Die Abdeckung 42 weist eine
Mittelöffnung 46 auf, durch
die Werkstoffe in den Behälter 10 geladen
oder aus ihm entladen werden können,
und kann vorzugsweise um ihren Umfang an dem Flansch des Verfahrensrohrleitungssystems
(nicht gezeigt) befestigt sein. Es ist klar, dass die Abdeckung 42 z.
B. dort, wo es erwünscht
ist, einen "Blind"-Flansch bereitzustellen,
um die Düse
vollständig
zu verschließen,
nicht notwendig eine Mittelöffnung
aufzuweisen braucht.
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Ferner
umfasst die Düse 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung eine vorgeformte austauschbare Isolierhülse 50.
Die Hülse 50 besteht
aus einem Polymerwerkstoff mit einer maximal zulässigen Gebrauchstemperatur,
die höher
als eine Betriebstemperatur in der Düse ist. Die austauschbare Isolierhülse 50 ist
hohl und weist eine Seitenwand 52 auf, die vorzugsweise
zylindrisch geformt ist. Die Seitenwand 52 verläuft entlang
der Düsenachse 34 zwischen dem
unteren und dem oberen Ende 26, 28 des Düsenaußenmantels 24 und,
wie in 1 gezeigt ist, vorzugsweise vollständig durch
den Mantel 12 des Behälters 10.
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Die
Seitenwand 52 der austauschbaren Isolierhülse 50 weist
eine Außenfläche 54 und
eine Innenfläche 56 auf.
Die Innenfläche 56 kann,
wie in 1 gezeigt ist, eine Innenfläche der Düse 20 definieren.
Die Innenfläche 26 der
austauschbaren Düse 50 kann
in direktem Kontakt mit dem Düseninnenraum
und mit den Verfahrensfluiden in dem Behälter 10 stehen, während die
Düse 20 alternativ
mit einem Fallrohr (nicht gezeigt) versehen sein kann, das durch
die austauschbare Isolierhülse 50 verläuft und eine
Innenfläche
der Düse 20 definiert.
Der Polymerwerkstoff, aus dem die Isolierhülse besteht, ist vorzugsweise
chemisch beständig
und insbesondere hochbeständig
gegen erhöhte
Temperatur und korrosive Verfahrensfluide, so dass die Hülse 50 über eine verlängerte Aussetzungszeitdauer
nicht korrodiert wird.
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Dementsprechend
weist die in der Düse 20 vorgesehene
austauschbare Isolierhülse 50 mehrere Funktionen
auf. Wie oben erwähnt
wurde, kann sie eine innere Schutzauskleidung der Düse 20 bilden, die
hochbeständig
gegen hohe Temperaturen und korrosiven Angriff ist. Darüber hinaus
weist die austauschbare Hülse 50 isolierende
Eigenschaften auf, die eine Beschädigung an der Düsenmembran 36 von
erhöhter
Temperatur verhindern, wobei die Düsenmembran 36 in der
Ausführungsform
aus 1 mit der Außenfläche 54 der
austauschbaren Isolierhülse 50 in
direktem Kontakt steht. Um sicherzustellen, dass die Düsenmembran 36 angemessen
geschützt
ist, weist die Seitenwand 52 der austauschbaren Isolierhülse 50 eine
ausreichende Dicke auf, während
der Polymerwerkstoff, aus dem die Hülse 50 besteht, eine
ausreichend niedrige Wärmeleitfähigkeit
aufweist, so dass die Außenfläche 54 der
Seitenwand 52 auf einer ausreichend niedrigen Temperatur bleibt,
damit die Düsenmembran 36 auf
einer Temperatur unter einer Zieltemperatur gehalten wird, die ihre
maximal zulässige
Gebrauchstemperatur sein kann, wenn die Innenfläche 56 der Seitenwand 52 der
Betriebstemperatur in der Düse 20 ausgesetzt
ist.
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Die
Erfinder haben festgestellt, dass ein geeigneter Polymerwerkstoff,
der eine hohe Beständigkeit
gegen Temperatur und korrosive Verfahrensfluide besitzt sowie eine
niedrige Wärmeleitfähigkeit
aufweist, die als Fluorpolymere bekannte Klasse von Verbindungen
sind. Das Fluorpolymer kann durch einen Faserwerkstoff wie etwa
Glasfasern verstärkt oder
nicht verstärkt
sein.
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Die
zur Verwendung in der austauschbaren Isolierhülse 50 am meisten
bevorzugten Fluorpolymere sind jene, die als Poly(tetrafluorethylen)-Fluorpolymerharze,
auch bekannt als PTFE, bekannt sind. Durch einen Hersteller wird
berichtet, dass PTFE in einem Temperaturbereich von 20 bis 260 °C eine durchschnittliche
Wärmeleitfähigkeit
von 1,7 ± 0,3 Watt
pro Meter·Kelvin
aufweist. Ferner schmilzt PTFE nicht bei den in dem Düseninnenraum
festgestellten Temperaturen, da PTFE-Harze bei Temperaturen von
wenigstens etwa 260 °C
nutzbar sind und erst zu einem Gel werden, wenn sie eine Temperatur von
etwa 327 °C
erreichen. Darüber
hinaus sind PTFE-Fluorpolymerharze selbst bei hoher Temperatur im
Wesentlichen reaktionsträge
gegen chemischen Angriff, insbesondere durch Säuren.
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Es
ist klar, dass PTFE-Fluorpolymerharze zur Verwendung in der vorliegenden
Erfindung für Anwendungen
mit erhöhten
Temperaturen, wo andere Polymere Temperaturen über ihrer maximalen Gebrauchstemperatur
ausgesetzt würden
oder keinen ausreichenden Isolierwert hätten, besonders bevorzugt sind.
Außer
ihrer Beständigkeit
gegen hohe Temperaturen und aggressive Umgebungen bietet die Verwendung
von PTFE wegen ihres niedrigen Reibungskoeffizienten den zusätzlichen
Nutzen, den Einsatz beim Demontieren der Düse während Wartungsaktivitäten leichter
in einem Stück
entfernbar zu machen. Außerdem
ist klar, dass es weitere Polymere gibt, die hohe Beständigkeit
gegen chemischen Angriff und niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen und bei niedrigeren
Betriebstemperaturen nutzbar sein können und dass unter anderen
Bedingungen andere Werkstoffe als Polymere verwendet werden können.
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Die
bevorzugte Struktur der austauschbaren Isolierhülse 50 wird nun ausführlicher
diskutiert.
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Die
austauschbare Isolierhülse 50 weist
ein oberes Ende 58 auf, das mit einem radial nach außen verlaufenden
Flansch 60 versehen ist, der vorzugsweise aus dem gleichen
Polymerwerkstoff wie die Seitenwand 52 gebildet ist. Vorzugsweise
ist der Flansch 60 ringförmig. Der Flansch 60 dient
dazu, die austauschbare Hülse 50 an
ihrer Stelle zu halten, wobei sie zwischen dem Flansch 30 des
Düsenaußenmantels 24 und
der Abdeckung 42 aufgenommen ist und vorzugsweise wenigstens
eine teilweise Dichtung zwischen dem Flansch 30 und der
Abdeckung 42 bildet. Außerdem dient der Flansch 60 dazu,
die Düsenmembran 36 weiter
zu isolieren, wobei er besonders den Abschnitt der Membran 36 schützt, der über die
obere Oberfläche 40 des
Flanschs 30 verläuft.
Darüber
hinaus erzeugt der Flansch 60 zwischen der Abdeckung 42 und
dem Flansch 30 des Düsenaußenmantels 24 eine
teilweise Wärmesperre, die
die Wärmemenge
verringert, die über
die Abdeckung 42 auf die Düsenmembran 36 übertragen
wird. Natürlich
wird einige Wärme über die
Stehbolzen 44 zwischen der Abdeckung 42 und dem
Flansch 30 übertragen.
Allerdings haben die Erfinder festgestellt, dass das System so konstruiert
werden kann, dass diese Wärmeübertragung
nicht ausreicht, um eine Beschädigung
an der Düsenmembran 36 zu
verursachen.
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In
der in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform besteht die Seitenwand 52 der
austauschbaren Hülse 50 aus
einer einzigen Werkstoffschicht. Allerdings ist klar, dass die Seitenwand
stattdessen zwei oder mehr verschachtelte Schichten umfassen kann.
Natürlich
variiert die Dicke der Seitenwand je nach dem geforderten Isolierwert.
Eine typische Isolierhülse
gemäß der Erfindung
hat eine Seitenwand, die etwa 0,5 bis 6 Zoll dick ist. Es ist klar, dass
die Wanddicke der austauschbaren Hülse 50 in 1 nicht
maßstäblich gezeigt
ist.
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Bei
der Verwendung von Polymerwerkstoffen wie etwa PTFE bei erhöhten Temperaturen
muss darauf geachtet werden, dass die Wärmeausdehnung des Polymerwerkstoffs
berücksichtigt
wird. Zum Beispiel kann sich eine PTFE-Hülse bei hohen Betriebstemperaturen
um soviel wie 20 Prozent ausdehnen. Es ist eine der Konstruktionsanforderungen, dass
sich der Einsatz, der beträchtliche
Spannung ausüben
kann, falls er während
der Ausdehnung beschränkt
ist, ausdehnen kann, ohne eine Spannung und Beschädigung an
den umgebenden Komponenten in der Düse zu verursachen. Wie in den 4A und 4B gezeigt
ist, kann dies z. B. dadurch erreicht werden, dass radial in die
Innenfläche,
in die Außenfläche oder
sowohl in die Innen- als auch in die Außenfläche (wie in 4F gezeigt)
der Seitenwand der Hülse
und teilweise durch sie verlaufende Nuten 200 oder 202 erzeugt
werden, die sich bei der Wärmeausdehnung
des PTFE zusammendrücken,
oder indem auf andere Weise Raum für die Ausdehnung gelassen wird.
Alternativ kann die gleiche Wirkung dadurch erreicht werden, dass,
wie in 4E gezeigt ist, Schlitze 203 vorgesehen
sind, die radial durch die gesamte Dicke der Seitenwand verlaufen,
oder dass an der Außenoberfläche der
Hülse,
wie in 4C gezeigt ist, radial nach
außen
verlaufende Rippen 204 vorgesehen sind. Es ist klar, dass
die Nuten, Schlitze und/oder Rippen axial entlang der Hülsenseitenwand entlang
der Düsenachse
verlaufen können
und vorzugsweise in einer Spirale entlang der Hülsenseitenwand verlaufen können oder
dass zwei Sätze
von Spiralnuten in einem Kreuzschraffurmuster laufen können. In
einer weiteren alternativen Ausführungsform
kann angrenzend an eine oder mehrere Oberflächen der Hülse oder in deren Nähe eine
Schicht aus einem kompressiblen Werkstoff vorgesehen sein. Zum Beispiel
kann die Außenfläche der
Hülse,
wie in 4D gezeigt ist, mit einer Schicht 206 aus
einem kompressiblen Werkstoff versehen sein. Es ist klar, dass außerdem angrenzend
an die Flansche der Hülsen
gemäß der Erfindung
eine Schicht aus einem kompressiblen Werkstoff vorgesehen sein kann.
Der kompressible Werkstoff kann vorzugsweise eine Schaumpolymermanschette
sein und kann vorzugsweise aus PTFE bestehen. Es kann vorsichtig
eine Toleranz für
die Dehnung der Hülse
hergestellt werden, ohne ihre Isolierwirksamkeit zu gefährden.
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Obgleich
die in 1 veranschaulichte Düse 20 keine feuerfeste
Auskleidung aufweist, ist klar, dass die Düse 20 zwischen der
Düsenmembran 36 und
der Außenfläche 54 der
austauschbaren Isolierhülse 50 vorzugsweise
mit einer Auskleidung aus feuerfesten Ziegeln versehen sein kann,
die ähnlich der
in den 2 und 3 gezeigten ist. In einer Nachrüstsituation,
in der festgestellt wird, dass die Membrantemperaturen inakzeptabel
hoch sind oder über
der Zieltemperatur liegen und dass es in der Düse keinen ausreichenden Raum,
um einen feuerfestem Werkstoff einzubauen, während der notwendige offene
Verfahrensinnendurchmesser erhalten wird, kann der Einbau der Isolierhülsen gemäß dieser Ausführungsform
der Erfindung die notwendige Lösung
zu dem Problem schaffen. Außerdem
ist klar, dass die feuerfeste Auskleidung der Düse oder des Behälters als
eine Alternative oder zusätzlich
zu dem Flansch 60 ausgespart sein kann, um die Isolierhülsen aufzunehmen
und so die Isolierhülse 50 an
ihrer Stelle halten zu helfen.
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Die 2 und 3 veranschaulichen
eine zweite bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in der mehrere austauschbare Polymerisolierelemente
vorgesehen sind, um eine Düsenmembran
vor Beschädigung
wegen Überhitzen durch
Wärmeleitung über die
Behälterdüsenabdeckung
zu isolieren.
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2 veranschaulicht
einen Abschnitt eines Verfahrensbehälters 100 mit erhöhten Temperaturen und
hohem Druck mit einem Mantel 102, der aus einer inneren
feuerfesten Auskleidung 104, aus einem äußeren Metallmantel 106 und
aus einer zwischen der feuerfesten Auskleidung 104 und
dem Außenmantel 106 aufgenommenen
Membran 108 besteht. Wie in der Ausführungsform aus 1 besteht
die Membran 108 aus einem schmiedbaren oder flexiblen Werkstoff,
der den äußeren Metallmantel 106 vor Kontakt
mit korrosiven Verfahrensfluiden in dem Behälter 100 schützt. Außerdem weist
die Düse
wie in der Ausführungsform
aus 1 einen Innenraum auf, der mit einem Innenraum
des Behälters 100 in Verbindung
steht.
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Der
Behälter 100 ist
mit wenigstens einer Düse
einschließlich
der in 2 veranschaulichten Düse 110 versehen. Wie
in der Ausführungsform
aus 1 verbindet die Düse 110 den Innenraum
des Behälters 100 mit
einem Verfahrensrohrleitungssystem (nicht gezeigt), durch das Werkstoffe
in den Behälter 100 beladen
oder aus ihm entladen werden.
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Die
Düse 110 umfasst
mehrere Schichten. Eine Außenschicht
der Düse 110 umfasst
einen Außenmantel 112,
der von dem Außenmantel 106 des Behälters 100 nach
außen
vorsteht. Der Düsenaußenmantel 112 weist
ein unteres Ende 114 auf, das vorzugsweise durch Schweißen mit
dem Außenmantel 106 des
Behälters 100 abgedichtet
ist. Außerdem weist
der Düsenaußenmantel 112 ein
oberes Ende 116 auf, das mit einem radial nach außen verlaufenden
Flansch 118 versehen ist, durch den der Düsenaußenmantel 112 an
einer Abdeckung 120 befestigt ist. Die Abdeckung 120 bedeckt
das obere Ende 116 des Düsenaußenmantels und ist durch mehrere Stehbolzen 132,
die durch Öffnungen
in der Abdeckung 120 und im Flansch 118 geleitet
sind, am Flansch 118 befestigt. Außerdem weist die Düsenaußenwand 112 eine
zwischen dem unteren und dem oberen Ende 114, 116 verlaufende
Seitenwand 122 auf, die eine Düsenachse 124 definiert.
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Die
in dem Düsenaußenmantel 112 befindliche
Düse 110 ist
mit einer Düsenmembran 126 versehen,
die eine Innenfläche 128 des
Düsenaußenmantels 112 auskleidet.
Die Düsenmembran 126 verläuft wie
in der bevorzugten Ausführungsform
aus 1 längs
der gesamten Oberfläche
des Düsenaußenmantels 112,
die ansonsten dem Verfahrensfluid ausgesetzt wäre, und ist vorzugsweise mit
der Membran 108 des Behältermantels 102 einteilig
gebildet, wobei sie vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff gebildet
sind.
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Wie
in 2 gezeigt ist, umfasst die Düse 110 vorzugsweise
außerdem
eine feuerfeste Schicht 130, die sich im Innenraum der
Düsenmembran
befindet. Die feuerfeste Auskleidung 130 der Düse 110 besteht
aus mehreren Ziegelschichten (nicht gezeigt), deren Fugen mit Mörtel abgedichtet
sind, wobei die feuerfeste Auskleidung 130 der Düse 110 lückenlos
mit der feuerfesten Auskleidung 104 des Behälters 100 ist.
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Wie
in der Detailansicht aus 3 gezeigt ist, weist die Abdeckung 120 eine
obere Oberfläche 134,
eine gegenüberliegende
untere Oberfläche 136 und
eine zwischen der oberen und der unteren Oberfläche 134, 136 verlaufende
Innenfläche 138 auf.
Wie in 3 gezeigt ist, verlaufen die obere und die untere
Oberfläche 134, 136 radial
nach außen,
wobei die untere Oberfläche 136 der
oberen Oberfläche
des Flanschs 118 des Düsenaußenmantels 112 zugewandt
ist. Die Innenfläche 138 der
Abdeckung 120 definiert eine Mittelöffnung der Abdeckung 120,
die vorzugsweise einen kreisförmigen
Querschnitt aufweist. Die obere Oberfläche 134 der Abdeckung 120 kann
vorzugsweise an einem oberen Element 140 befestigt sein,
das einen Flansch oder ein Abdeckelement zum Befestigen des Verfahrensrohrleitungssystems
(nicht gezeigt) oder eines Fallrohrs (nicht gezeigt) an der Düse 110 umfassen
kann.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung sind Polymerisolierelemente vorgesehen, um die
Wärmeübertragung
auf die Düsenmembran 126 zu
verringern. Die feuerfeste Schicht 130 der Düse 110 isoliert wirksam
die Abschnitte der Düsenmembran 126,
die zwischen dem unteren und dem oberen Ende 114, 116 des
Düsenaußenmantels 112 verlaufen.
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Dementsprechend
ist für
diesen Abschnitt der Düsenmembran 126 kein
zusätzlicher
Isolierwerkstoff erforderlich. Um die Düsenmembran 126 an
dem oberen Ende 116 der Düse 110 und insbesondere
in den nach oben und entlang des Flanschs 118 von der feuerfesten
Auskleidung 130 radial nach außen verlaufenden Abschnitten
der Düsenmembran 126 zu
isolieren, schafft die vorliegende Erfindung austauschbare Polymerisoliereinsätze, die
aus einer oder aus mehreren Einzelkomponenten bestehen können.
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In
der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform
umfasst der austauschbare Polymerisoliereinsatz ein erstes hohles
axiales Isolierelement 160 mit einem oberen Ende 162,
einem unteren Ende 164, einer Innenfläche 166 und einer
Außenfläche 168.
Die Innenfläche 166 des
axialen Isolierelements ist dem Innenraum der Düse 110 zugewandt, während die
Außenfläche 168 des
axialen Isolierelements der Innenfläche 138 der Abdeckung 120 zugewandt
und vorzugsweise mit der Innenfläche 138 der Abdeckung 120 in
Kontakt ist. Somit verringert das axiale Isolierelement die Wärmeübertragung
in die Abdeckung 120, die ansonsten die Temperatur der Düsenmembran 126 über die
Zieltemperatur erhöhen
könnte.
Vorzugsweise ist das obere Ende 162 des axialen Isolierelements 160 mit
einem radial nach außen
verlaufenden Flansch 170 versehen, der zwischen die Abdeckung 120 und
das obere Element 140 geklemmt ist oder auf der Abdeckung 120 liegt, um
das axiale Isolierelement 160 gegen Bewegung zu halten.
Außerdem
erzeugt der Flansch 170 eine teilweise Wärmesperre,
um die Wärmeübertragung von
dem oberen Element 140 auf die Abdeckung 120 zu
verringern.
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Außerdem ist
die Düsenmembran 126 durch ein
radiales Isolierelement 172 geschützt, das von dem axialen Isolierelement 160 entlang
der unteren Oberfläche 136 der
Abdeckung 120 radial nach außen verläuft.
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Vorzugsweise
umfasst das radiale Isolierelement einen Kreisring aus einem Polymerwerkstoff, der
die Wärmeübertragung
von der feuerfesten Auskleidung 130 zu der Abdeckung 120 und
zu der Düsenmembran 126 wirksam
verringert. Vorzugsweise grenzen das radiale Isolierelement 172 und
das axiale Isolierelement 160 in der Ecke der unteren Oberfläche 136 und
der Innenfläche 138 der
Abdeckung 120 aneinander an, wobei sie vorzugsweise einteilig mit
dem axialen Isolierelement 160 gebildet sein können. Um
die Isoliereigenschaften zu verbessern und eine Wärmeausdehnung
des Isolierelements 160 und anderer Komponenten zu ermöglichen,
während der
Kontakt aufrechterhalten wird, und um vorzugsweise eine Dichtung
bereitzustellen, können
zwischen der Abdeckung 120 und dem radialen Isolierelement 172 sowie
an anderen Oberflächen,
wo eine Toleranz für
die Ausdehnung des Einsatzes vorgesehen sein muss, vorzugsweise
eine oder mehrere Schichten einer Schaumpolymerdichtung (geschäumten Polymerdichtung) 174 vorgesehen
sein.
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Der
Polymerwerkstoff, aus dem die austauschbaren Isolierelemente und
die Schaumpolymerdichtung der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform
bestehen, ist vorzugsweise der gleiche wie der austauschbare Isolierwerkstoff
der oben beschriebenen Isolierhülse 50.
Die Dicken der Einsätze 160 und 172 sind
vorzugsweise so gewählt, dass
sie die Temperatur der Düsenmembran 126 unter
der Zieltemperatur halten und außerdem die Isolierelemente
mit den erforderlichen mechanischen Eigenschaften versehen, damit
sie bei der Gebrauchstemperatur an ihrer Stelle bleiben.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bestimmten bevorzugten
Ausführungsformen
beschrieben worden ist, soll sie darauf nicht beschränkt sein.
Eher soll die Erfindung alle Ausführungsformen enthalten, die
im Anwendungsbereich der folgenden Ansprüche liegen können.