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Die
Erfindung bezieht sich auf eine röhrenförmige Filterleitung mit möndchenförmigem Querschnitt
für einen
Radialflussreaktor, bestehend aus einer ersten, gewölbten Vorderwand,
die sich axial zur Leitung erstreckt und einen ersten Krümmungsradius
am Umfang des besagten Querschnitts beschreibt, einer zweiten, gewölbten Rückwand,
die gegenüber
der Vorderwand angeordnet ist, die einen zweiten Krümmungsradius
am Umfang des besagten Querschnitts beschreibt, welcher größer als
der erste Krümmungsradius
ist, und aus zwei dritten, gewölbten
Seitenwänden,
die besagte Vorderwand und Hinterwand verbinden und jeweils einen
dritten Krümmungsradius
am Umfang des besagten Querschnitts bilden, welcher kleiner ist
als der erste Krümmungsradius.
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Eine
solche Leitung ist schon aus den Patentschriften US-5366704 und
US-5015383 bekannt, die Radialflussreaktoren beschreiben. Diese
Reaktoren enthalten ein torisches Festkörperbett und sind so konzipiert,
dass ein in den Reaktor eingeleitetes flüssiges oder gasförmiges Medium
vor dem Austritt aus dem Reaktor dieses Festkörperbett in radialer Richtung
durchfließt.
Derartige Reaktoren werden häufig
bei petrochemischen Verfahren eingesetzt, in denen der Mediumfluss
verschiedene chemische Reaktionen durchläuft, während er das als Katalysator wirkende
Festkörperbett
passiert. Das torische Bett ist außen durch eine deutlich zylindrische
Ummantelung und innen durch eine zylindrische Mittenleitung begrenzt,
die entlang der Hauptachse der Ummantelung verläuft. Das zu filternde flüssige oder
gasförmige
Medium tritt über
ein Filterröhrenleitungssystem durch
die Ummantelung, welches sich parallel zur Hauptachse der Ummantelung
erstreckt und sich am Querumfang der Ummantelung jeweils mit der
Rückwand
gegen die zylindrische Fläche
der Ummantelung anlehnt. In der Fachliteratur werden solche röhrenförmigen Filterleitungen
mit möndchenförmigem Querschnitt "Muscheln" (scallops) genannt.
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In
der Patentschrift
US 5366704 wird
die röhrenförmige Filterleitung
aus Lochblech gefertigt, das durch Biegen und auch durch Falzen
in die entsprechende Form gebracht wird. Es werden insbesondere
die Seitenwände
der Leitung gefalzt, wobei diese aber keine Öffnungen für den Durchtritt des zu filternden
flüssigen
oder gasförmigen
Mediums erhalten können,
um ihre mechanische Festigkeit nicht zu beeinträchtigen. Deswegen gibt es in
der zylindrischen Ummantelung des Reaktors zwischen zwei nebeneinander
liegenden Leitungen Totzonen, die nicht vom Flüssigkeits- oder Gasfluss passiert
werden, in denen sich Festkörper
ansammeln, durch die aufgrund der Druckbeanspruchung, die sie im
Laufe der Zeit auf die Leitungswände
ausüben,
die Alterung der Filterleitungen und somit des Reaktors beschleunigt wird.
Insbesondere verkleben die sich in den Totzonen des Reaktors angesammelten
Festkörper
während
der Abkühlung
des Reaktors untereinander und werden dann extrem hart. Im Allgemeinen
führen
die thermischen Zyklen des Reaktors zu Differentialdehnungen, die
zusammen mit der Anwesenheit von Festkörpern sehr hohe Spannungen
an den Wänden der
Filterleitungen verursachen.
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Aus
der Patentschrift
FR 2794380 ist
ebenfalls eine Filterleitung bekannt, deren maschenartige Vorderwand
an aus Blech bestehende Rück-
und Seitenwände
geschweißt
ist. Auch in diesem Fall vergrößern die
aus Blech bestehenden Rück-
und Seitenwände
die Totzonen im Reaktor.
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In
der Patentschrift US-5015383 wird jede Filterleitung aus einem Zylinder
mit maschenartiger Oberfläche
gebildet, der in einem Gesenk druckverformt wurde, damit sein Querschnitt
eine möndchenförmige Gestalt
erhält,
was zu einer Verminderung der mechanischen Festigkeit der Leitung
durch die Ausbildung von Spannungskonzentrationsbereichen an den
Seitenwänden
der Filterleitung führt,
deren Krümmungsradius
sehr gering ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, diese Nachteile zu beseitigen, indem
eine röhrenförmige Filterleitung
für einen
Radialflussreaktor vorgeschlagen wird, die über die Zeit eine bessere mechanische
Festigkeit aufweist und mit deren Konstruktion eine Reduzierung
der inaktiven oder toten Zonen in den Reaktoren erreicht wird.
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Dazu
besteht der Gegenstand der Erfindung in einer röhrenförmigen Filterleitung mit möndchenförmigem Querschnitt
für einen
Radialflussreaktor, bestehend aus einer ersten, gewölbten Vorderwand, die
sich axial zur Leitung erstreckt und einen ersten Krümmungsradius
am Umfang des besagten Querschnitts beschreibt, aus einer zweiten,
gewölbten Rückwand,
die der Vorderwand gegenüber
liegt und einen zweiten Krümmungsradius
am Umfang des besagten Querschnitts beschreibt, der größer ist
als der erste Krümmungsradius,
und aus zwei dritten, gewölbten
Seitenwänden,
die besagte Vorder- und Rückwand
miteinander verbinden und jeweils einen dritten Krümmungsradius
am Umfang des besagten Querschnitts beschreiben, der kleiner als
der erste Krümmungsradius
ist, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, zweiten und die dritten
Wände gebildet werden
durch eine Vermaschung aus in besagter axialer Richtung am gesamten
Umfang des besagten Querschnitts angeordneten, parallelen, geraden Drähten, sowie
aus rechtwinklig zu besagten Drähten entlang
des Umfangs des besagten Querschnitts angeordneten Stützstäben, um
mit den Drähten
in diesen Leitungswänden
Längsöffnungen
mit deutlich konstanten Abmessungen zu bilden, wobei jeder Stützstab durch
Rundbiegen mit sich selbst verbunden wird, um besagte Krümmungsradien
zu bilden.
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Somit
ist die erfindungsgemäße, röhrenförmige Filterleitung
durchlöchert
und kann dank der Vermaschung aus den Drähten und den Stäben an ihrer
gesamten Fläche
filtern, wodurch die Ausbildung von Totzonen im Reaktor vermieden
wird; das Rundbiegen der Stäbe,
die damit mit sich selbst verbunden werden, verleiht jedoch der
Leitungswand eine mechanische Elastizität bei der Deformation, womit
sie über
die Zeit den durch den im Reaktor befindlichen Katalysator ausgeübten Druckbeanspruchungen
und den Deformationen der Reaktorummantelung während der Temperaturunterschiede
im Reaktor besser widerstehen kann.
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Gemäß einer
anderen, bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Filterleitung
ist der dritte Krümmungsradius
des besagten Querschnitts größer als
ein Sechstel des ersten Krümmungsradius.
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Nach
einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Filterleitung
sind die Stützstäbe im Innern
der Leitung angeordnet und mit den Drähten verschweißt. Die
mechanischen Eigenschaften der Stäbe und deren Anzahl in einer
Leitung müssen
an die Druckbeanspruchung angepasst werden, der die Leitung im Radialflussreaktor
ausgesetzt ist.
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Nach
einer weiteren besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Filterleitung
sind die besagten Drähte
regelmäßig in einem
deutlich konstanten Abstand zueinander am Umfang des besagten Querschnitts
angeordnet, so dass die Dichte des Flüssigkeits- oder Gasflusses
an der gesamten Leitungsfläche
homogen ist.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Fertigungsverfahren für eine röhrenförmige Filterleitung wie
oben beschrieben, dadurch gekennzeichnet, dass es in der Ausbildung
eines Zylinders besteht, gebildet aus Stützstäben, die sich parallel zueinander entlang
der Achse des Zylinders erstrecken und um den Querschnitt des Zylinders
herum angeordnet sind, und aus entlang des Umfangs des Zylinderquerschnitts
parallel angeordneten Drähten,
sowie im längsgerichteten
Durchtrennen des besagten Zylinders zwischen zwei aufeinander folgenden
Drähten am
Umfang des Zylinderquerschnitts, mit dem Ziel eine durchlöcherte Platte
zu erhalten, deren Oberfläche
durch Vermaschung der Stützstäbe mit den Drähten gebildet
wird, und dann im Rundbiegen der Platte rechtwinklig zu den Drähten, damit
besagte Stützstäbe mit sich
selbst verbunden werden und somit die röhrenförmige Filterleitung mit möndchenförmigem Querschnitt
bilden, sowie im Anschweißen der
beiden Enden eines jeden Stützstabs
an ein Anschlussblech.
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Nach
einer Variante des Fertigungsverfahrens der Leitung werden während der
Ausbildung des Zylinders die besagten Drähte an die Stützstäbe so angeschweißt, dass
sie einen variablen Abstand zueinander aufweisen, damit die Abstände zwischen den
Drähten
beim Rundbiegen der Platte am gesamten Umfang des Leitungsquerschnitts
deutlich konstant bleiben.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 ist
eine Gesamtansicht eines Radialflussreaktors als Teilschnitt;
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2 ist
eine Gesamtansicht einer röhrenförmigen Filterleitung
gemäß der Erfindung;
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3 ist
eine Ansicht eines Radialflussreaktors als Querschnitt;
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4 ist
eine Schnittansicht, in der der Raum zwischen den beiden aufeinander
folgenden, röhrenförmigen Filterleitungen
in einem Radialflussreaktor sichtbar wird;
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5 ist
eine Querschnittsansicht einer röhrenförmigen Filterleitung
gemäß der Erfindung;
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6 zeigt
schematisch die Vermaschung aus Drähten und Stützstäben, die eine Art Gitter bilden,
aus dem die erfindungsgemäße röhrenförmige Filterleitung
gefertigt wird.
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Wie
in 1 gezeigt, stellt sich ein Radialflussreaktor
RR von außen
in Form einer Flasche dar und bildet einen zylindrischen Behälter RC
entlang der Symmetrieachse AX. Dieser Behälter hat in seinem oberen Teil
eine erste Öffnung
PO und in seinem unteren Teil eine zweite Öffnung SO. Die Öffnungen PO
und SO sind für
den Eintritt und Austritt eines Mediums bestimmt, das durch den
Reaktor fließt.
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Im
Innenraum dieses zylindrischen Reaktors ist eine Vielzahl von internen,
röhrenförmigen Filterleitungen
CD nebeneinander in Längsrichtung
angeordnet. Diese Leitungen werden durch den Behälter RC gehalten und parallel
zur Achse AX gegen die Innenfläche
des Behälters
gedrückt,
um die im Querschnitt der 3 dargestellte,
deutlich zylindrische Ummantelung zu bilden. Die Leitungen CD haben hier
an ihrem oberen Ende eine direkte Verbindung zur ersten Öffnung PO
zur Aufnahme eines Mediumflusses. Dieses Medium diffundiert durch
die in 2 dargestellte, durchlöcherte Wand der Leitungen,
passiert dann ein Festkörperbett
LP, um sich dann radial in der Mitte des Reaktors wieder zu sammeln.
Das Medium wird dann durch einen Mittenzylinder CC entlang der Achse
AX aufgenommen, dessen Wand ebenfalls durchlöchert ist. Dieser Mittenzylinder
CC ist hier über
sein unteres Ende mit der zweiten Öffnung SO des Reaktors verbunden.
Somit durchläuft das
in der ersten Öffnung
PO eingeführte
Medium die Leitungen CD in radialer Richtung, passiert das Festkörperbett,
wird dann im Mittenzylinder CC gesammelt und verlässt den
Reaktor durch die zweite Öffnung
SO. Ein solcher Reaktor kann auch in umgekehrter Richtung funktionieren,
d.h. das Medium tritt durch die zweite Öffnung SO ein und an der ersten Öffnung PO
wieder aus.
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Die
erfindungsgemäße, in 5 im
Querschnitt dargestellte, röhrenförmige Filterleitung
CD enthält
eine gewölbte
Vorderwand, den Leitungsbauch VE bildend, der gegenüber der
Hauptachse AX des Reaktors liegt, eine gewölbte Rückwand, den Leitungsrücken DO
bildend, der sich gegen die Innenwand des Behälters RC anlehnt, wobei der
Bauch und der Rücken
durch zwei gewölbte
Seitenwände, die
beiden Leitungsflanken FL bildend, miteinander verbunden sind, wobei
diese gesamte Schnittdarstellung ein Ganzes mit einem möndchenförmigen Querschnitt
bildet, wie es in 5 zu sehen ist. Insbesondere
wird der Umfang des Leitungsquerschnitts durch vier Kreisbögen mit
jeweils einem Krümmungsradius
ausgebildet, wobei der Bauch gemäß den Anforderungen
des Filterprozesses einen ersten Krümmungsradius R1 beschreibt,
die Flanken jeweils einen zweiten Krümmungsradius R2, der kleiner
ist als der Radius R1, und der Rücken
einen dritten Krümmungsradius
R3, der dem Radius des zylindrischen Behälters RC entspricht und der
größer als
der Radius R1 ist. Im Allgemeinen ist der von den Flanken FL beschriebene
Krümmungsradius
sehr klein, weil er z.B. das Ergebnis eines Abkantprozesses wie
in der Patentschrift US-5015383 ist, wodurch ein Konzentrationsbereich
von mechanischen Spannungen ausgebildet wird, der die mechanische
Festigkeit der Leitung schwächt.
Bei der erfindungsgemäßen Leitung wird
der Krümmungsradius
R2 der Flanken ausreichend groß gewählt und
durch Rundbiegen erzeugt, wodurch die Leitung nicht geschwächt wird,
sondern im Gegenteil einen elastischen Bereich ausbildet, der wie
eine Feder wirkt. Durch die Wahl eines ausreichend großen Krümmungsradius
R2 können
somit die durch das Festkörperbett
LP im Leitungsbauch während
der thermischen Wechselzyklen des Reaktors erzeugten mechanischen
Spannungen besser absorbiert werden. Dabei hat man festgestellt,
dass die Lebensdauer der Leitung deutlich größer wird, wenn R2 größer als
ein Sechstel von R1 ist.
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Die
erfindungsgemäße Filterleitung
wird aus parallel an Stützstäbe geschweißten Drähten ausgebildet,
so dass am gesamten Umfang der Leitung eine durchlöcherte Wand
entsteht, um die toten Bereiche im Reaktor zu reduzieren. Insbesondere
besteht die Leitung aus geraden, parallel zueinander entlang der
Längsachse
der Leitung angeordneten Drähten
FR, wie in 2 zu sehen ist. Diese Drähte FR sind
auf dem gesamten Umfang des möndchenförmigen Querschnitts
der Leitung verteilt und an Stützstäbe FC angeschweißt, die
rechtwinklig zu den Drähten
FR entlang des Umfangs des Querschnitts der Leitung verlaufen, um
mit den Drähten
Längsöffnungen
zum Filtern zu bilden, die gleichermaßen im Bauch, im Rücken und
an den Leitungsflanken deutlich konstante Abmessungen aufweisen.
Diese Stützstäbe FC werden,
wie weiter oben dargelegt, durch Rundbiegen mit sich selbst verbunden,
um die Krümmungsradien
R1, R2 und R3 des Leitungsquerschnitts auszubilden. Sie werden also
in rechtwinklig zu den Drähten
FR verlaufenden Ebenen zu sich selbst hin gebogen. Die beiden Enden
eines jeden Stützstabs
FC werden durch Anschweißen
an ein Blech FE miteinander verbunden, das sich über die gesamte Länge der
Leitung erstreckt und mit dem die Leitung ein geschlossenes Profil
erhält.
Der Querschnitt der Drähte
FR kann vorteilhafterweise trapezförmig sein, wobei die Trapezspitze
zur Fließrichtung des
Flusses im Reaktor ausgerichtet ist.
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Somit
ist der Raum EC zwischen zwei aufeinander folgenden Leitungen im
in 4 dargestellten Reaktor nunmehr kein toter Raum
mehr, weil die Flanken FL durchlöchert
sind und damit das Medium in Richtung dieses Raumes diffundieren
kann, wodurch eine Verstopfung durch Ansammlung von festem Substrat
vermieden wird, was zur Erhöhung
der Lebensdauer des Reaktors beiträgt.
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Die
geraden Drähte
FR lassen das Medium passieren und verhindern aber den Durchtritt
von Festkörpern
durch die Leitungswand. Somit agieren die geraden Drähte als
Filter, während
die im Innern der Leitung angeordneten und zu sich selbst gebogenen
Stäbe eine
Stützfunktion
für die
geraden Drähte übernehmen.
Die erfindungsgemäßen geraden Drähte FR sind
am Umfang des Leitungsquerschnitts regelmäßig und trotz der unterschiedlichen
Krümmungsradien
dieses Abschnitts, in einem deutlich konstanten Abstand E0 zueinander
angeordnet, was an seiner gesamten Wand zu einer Vereinheitlichung der
Dichte des die Leitung durchfließenden Flusses beiträgt, wodurch
die Bildung von verfestigtem Substrat in allen Bereichen um die
Leitung herum noch weiter reduziert wird.
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Zur
Fertigung einer solchen Leitung wird zuerst ein Zylinder aus den
parallel zueinander entlang der Zylinderachse ausgerichteten und
um den Querschnitt des Zylinders angeordneten, geraden Stützstäben FC und
den parallel zueinander um die Stützstäbe FC entlang des Umfangs des
Zylinderquerschnitts gewundenen Drähte FR gebildet. Dann wird der
Zylinder längs
zwischen zwei aufeinander folgenden Stäben FC am Umfang des Zylinderquerschnitts aufgesägt, um eine
Platte oder ein Gitter GR zu erhalten, deren durchlöcherte Oberfläche durch
die Vermaschung zwischen Stützstäben und
Drähten
gebildet wird. Dann wird die Platte GR rechtwinklig zu den Drähten FR
so gebogen, dass besagte Stützstäbe FC sich
mit sich selbst verbinden und dabei eine röhrenförmige Leitung mit möndchenförmigem Querschnitt
bilden. Schließlich
werden die beiden Enden jedes Stützstabs
FC an das Anschlussblech FE geschweißt.
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6 zeigt
schematisch die Anordnung der Drähte
FR und der Stäbe
FC, die die Platte oder das Gitter GR bilden. Während der Fertigung des Zylinders
werden die unterschiedlichen Krümmungsradien
berücksichtigt,
indem die Drähte
FR mit unterschiedlichen Abständen
zwischen den Drähten
FR an die Stäbe
FC geschweißt
werden, so dass die Abstände
zwischen den Drähten
FR während
des Biegens der Platte GR am gesamten Umfang des Leitungsquerschnitts
deutlich konstant bleiben. Wie in 6 gezeigt,
sind in dem Bereich des Gitters GR, der dem Leitungsbauch entspricht,
die Drähte
FR in einem ersten Abstand E1 zueinander angeordnet. In den Bereichen
des Gitters GR, die den Leitungsflanken entsprechen, sind die Drähte FR in
einem zweiten Abstand E2 angeordnet. Im Bereich des Gitters, der
dem Leitungsrücken
DO entspricht, sind die Drähte
in einem dritten Abstand E3 angeordnet. Wie in 6 zu
sehen ist, sind die Abstände
E1, E2 und E3 zwischen den Drähten
kleiner, wenn diese Drähte Teil
einer Leitungswand mit einen geringen Krümmungsradius sind. Somit ist
nach dem Biegen rechtwinklig zu den Drähten FR der Abstand E0 zwischen zwei
aufeinander folgenden geraden Drähten
um die gesamte Leitung herum gleich groß. In der Praxis können die
Abstände
E1, E2 und E3 z. B. durch Berechung als Funktion eines vorgegebenen
Sollwertes für
E0 ermittelt werden.
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Jede
röhrenförmige Filterleitung
kann mit einem Filterboden, Elementen zur Befestigung an ihren beiden
Enden und zur Verbindung mit einer anderen benachbarten Filterleitung
im Reaktor ausgestattet sein.