DE69106379T2

DE69106379T2 - Dichtungsstopfer für druckbehälter.

Info

Publication number: DE69106379T2
Application number: DE69106379T
Authority: DE
Inventors: Edward Howard; Walter Simmons
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1990-09-12
Filing date: 1991-09-10
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2011-09-11
Also published as: DE69106379D1; EP0550522A1; IE913196A1; CA2091175A1; EP0550522B1; WO1992004112A1; JPH06500951A; HK141995A; BR9106824A; ATE116157T1

Description

ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung befaßt sich mit einem Behälter für Hochdruckbearbeitungen. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Druckbehälter, welcher einen Stopfen ohne ein Gewinde hat, und welcher als ein chemischer Reaktor für chemische Reaktionen eingesetzt werden kann, welche die Polymerisation von gasförmigen oder flüssigen Monomeren umfassen, und der für die Polymerverarbeitung bei hohen Drücken und erhöhten Temperaturen geeignet ist.

BESCHREIBUNG DES ZUGEORDNETEN STANDES DER TECHNIK

Verschiedene Ausführungsformen von Druckbehältern zur Durchführung von chemischen Reaktionen und einer Polymerverarbeitung sind bekannt. Typische Hochdruckbehälter setzen Schraubgewinde ein, um die Enden dicht zu verschließen. Diese endseitige Verschlußmethode umfaßt ein großes Gewinde, welches einen konischen Stopfen in eine passende konische Ausbildung des Druckbehälters drückt. Der Endstopfen steht unter Kompression, und die gesamte Belastung wird auf die Gewindegänge übertragen, welche den Behälter unter Spannung setzen. Ein "O"-Ring oder eine andere Bauart einer Dichtung verhindert ein Lecken des Behälters. Die Endstopfen der Druckbehälter der üblichen Art dürfen keine Preßpassung haben (einen so engen Kontakt, daß eine Deformation und Belastung erzeugt wird) oder die Stopfen lassen sich nur unter großen Schwierigkeiten abnehmen. Wenn das Behälterende sowohl unter Druckspannungsbelastung als auch unter Umfangsspannungsbelastung steht, ist der maximale Druck auf die kombinierte Belastungsbeanspruchungen beschränkt und diese dürfen nicht die Festigkeit des Behälters überschreiten.
Ein typisches Problem bei dieser Bauart eines Verschlusses ist in der Schwierigkeit des Öffnens und Schließens des Behälters zu sehen. Die Gewindegänge müssen sauber gehalten werden; jegliches Leckwerden der Dichtungen führt dazu, daß das Erzeugnis in den Gewindebereich eindringen kann, wodurch dieser verschmutzt wird, sich zusetzt und/oder eine Korrosion der Gewindegänge auftritt. Toleranzen sowohl am Dichtungsbereich als auch an den Gewindegängen müssen sehr eng eingehalten werden, um einen geeigneten Betrieb sicherzustellen. Die Kosten für die maschinelle Bearbeitung eines Druckbehälters mit derartigen Präzisionsgewindegängen sind daher hoch.
Wenn bei den üblichen Verschlüssen der Druck im Inneren des Behälters größer wird, wird auch der Durchmesser des Behälters größer. Der massive Stopfen steht unter Kompression und kann sich daher nicht mit dem Behälter expandieren, wodurch häufig Leckagen an den Dichtungsbereichen verursacht werden.
Ferner nutzen übliche Druckbehälter entweder elektrische Heizsysteme, welche streifenförmig um den Behälter gelegt sind, oder eine Heißwasser/Öl-Beheizung und -Kühlung. Das Erwärmen durch direkte Gasflammenbeaufschlagung auf die Außenseite des Behälters, bei der es sich um ein effizienteres Erwärmungsverfahren handelt, wurde bisher in der Annahme nicht eingesetzt, daß die induzierten Wärmebeanspruchungen in der Behälterwandung zu stark werden und daß die schnelle Erwärmung zu einem Leckwerden um die Gewindegänge führen könnte.
In US-A-3055537 ist ein Druckbehälter beschrieben, welcher einen konischen, zylindrischen Stopfen zum dichten Verschließen einer Öffnung in dem Druckbehälter hat. Der Stopfen wird an Ort und Stelle mit Hilfe von Schraubgewindegängen, einer bajonettartigen Verbindung oder eines Schraubflansches gehalten. Folglich ist die Druckbehälterwandung Umfangsspannungen und Längsbelastungen ausgesetzt.
Es besteht ein Bedürfnis nach einem Hochdruckbehälter, welcher schnell beispielsweise mittels einer direkten Gasflamme erwärmt werden kann, und bei dem die vorstehend angegebenen Schwierigkeiten behoben sind.
Die Erfindung stellt einen mit geringen Kosten verbundenen, leicht zusammensetzbaren und schnell betreibbaren Druckbehälter ohne Gewindeverbindung bereit, welcher bei Drücken von über 80.000 psi (552 MPa) und bei Temperaturen von bis zu etwa 500ºC betreibbar ist, und der schnell mit Hilfe mit einer extern einwirkenden direkten Gasflamme erwärmt werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der Druckbehälter nach der Erfindung weist folgendes auf:
(i) Ein Rohr, welches einen Innenraum hat, der über eine konische Öffnung an einem oder an beiden Enden des Rohres zugänglich ist, wobei die Rohrwandung eine derart ausreichende Dicke hat, daß sie dem gewünschten Druck und der Temperatur Stand halten kann;
(ii) einen beweglichen zylindrischen Stopfen, welcher in die konische Öffnung eingesetzt ist;
(iii) ein Ende des Stopfens konisch ausgebildet ist, um eine Preßpassung mit der konischen Öffnung zu bilden, wobei das Ende einen Hohlraum hat, welcher eine Stopfenwandung bildet, und die Stopfenwandung eine derartige Dicke hat, daß sie unter dem gewünschten Druck flexibel ist, und gegen die konische Öffnung angedrückt wird, wenn der Druck größer wird;
(iv) eine Krafterzeugungseinrichtung zum Bewegen des Stopfenendes in die Öffnungen und aus diesen heraus (beispielsweise einen Hydraulikzylinder), welche einen derart ausreichenden Axialdruck erzeugt, daß die Axialbelastung des Stopfens unter Druck aufgenommen werden kann;
(v) einen externen Rahmen, welcher der Kraft von der Krafterzeugungseinrichtung entgegenwirkt; und
(vi) eine Einrichtung, welche das Rohr während der Bewegung des Stopfenendes stationär hält (beispielsweise eine Abstreifplatte).
Der Druckbehälter kann durch direkte Flammenbeaufschlagung von Gasbrennern erwärmt werden, welche in der Nähe des Rohrs liegen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, welche einen Teil der Anmeldung bildet. Gleiche oder ähnliche Teile in den Figuren der Zeichnung sind mit denselben Bezugszeichen versehen. In der Zeichnung gilt:
Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht des Druckbehälters zur Verdeutlichung eines Endes eines Stopfens sowohl in der "eingesetzten" als in der "herausgefahrenen" Position.
Fig. 2 ist eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines nach der Erfindung eingesetzten Stopfens.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der Druckbehälter kann Drücken von größer als 80.000 psig (552 MPa) Stand halten. Alle Gewindegänge, welche bei üblichen Druckbehältern typischerweise vorhanden sind, sind bei dem vorliegenden Druckbehälter weggelassen, wodurch man den hiermit zusammenhängenden Vorteil erhält, daß auch Axialbelastungen eliminiert sind. Somit lassen sich die Rohrwandungen des Druckbehälters dünner und mit geringerer Festigkeit als ansonsten erforderlich auslegen. Eine geringfügige konische Ausbildung sowohl bei dem Stopfen als auch bei der Öffnung an dem Ende des Rohrs erzeugt eine Preßpassung, welche die Notwendigkeit einer maschinellen Präzisionsbearbeitung eliminiert. Bei dieser Auslegung des Behälters erhält man eine Selbstabdichtung; wenn der Druck größer wird, wird der Stopfen stärker gegen die dicke Wand des rohrförmigen Behälters gedrückt.
Vorzugsweise sind bei der Erfindung zwei Endstopfen vorgesehen, wodurch der Einsatz und die Reinigung erleichtert werden. Die Kosten zur Herstellung des Behälters nach der Erfindung werden dadurch herabgesetzt, daß maschinelle Präzisionsbearbeitungen vermieden werden. Standardisierte übliche Rohrmaterialien können zur Herstellung des Druckbehälters genutzt werden, wobei die Rohrmaterialien mit geringeren Gestehungskosten verbunden als die maschinelle Bearbeitung von massivem Metall zur Ausbildung der Behälter sind. Da die hohen Kosten für die Ausbildung des Gewindes an den beiden Enden bei der Erfindung vermieden werden, lassen sich die Vorteile eines doppelendigen Behälters auf billige Weise realisieren.
Das Abziehen und Einführen der Stopfen wird unter Einsatz eines Hydraulikzylinders erleichtert. Ein Vorteil des Einsatzes eines Hydraulikzylinders ist darin zu sehen, daß die Stopfen an Ort und Stelle gehalten werden, und daß der Hydraulikdruck des Hydraulikzylinders den maximalen Druck in dem Druckbehälter bestimmen kann. Ein Druckbegrenzungsventil kann in die Hydraulikzylinderschaltung eingesetzt werden, so daß dann, wenn der Behälterdruck zu groß werden sollte, der Stopfen aus dem Rohr herausbewegt wird, und dadurch eine Druckentlastung stattfindet und somit ein Bersten des Behälters verhindert wird.
Gegenbenenfalls kann bei dem Druckbehälter nach der Erfindung ein Schwenkrohr bzw. ein Drehrohr eingesetzt werden, welches von Hindernissen wegbewegt werden kann, um einen leichten Zugang zum Beschicken und Entladen zu haben. Wenn man ein Schwenkrohr und einen Hydraulikzylinder einsetzt, läßt sich das Beschicken oder das Entleeren innerhalb von 5 Minuten abschließen, während man bei üblichen Druckbehältern hierzu wenigstens 30 Minuten benötigt. Der Hydraulikzylinder kann den hohlen Stopfen ausgehend von der vollständig "eingeschobenen" Position in die "ausgefahrenen" Position sehr schnell bewegen, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit nur durch den Strom des Hydraulikfluids in den Hydraulikzylinder hinein und aus diesem heraus begrenzt ist. In typischer Weise läßt sich der Stopfen in das Rohr in einem Zeitraum von weniger als einer Minute einführen.
Der vorliegende Druckbehälter kann direkt durch die externe Einwirkung einer Gasflamme erwärmt werden. Die direkte Flamme stellt einen guten Wärmeübergang bereit und gestattet somit ein schnelles Erwärmen. Hierdurch wird die Zeit herabgesetzt, die zur Erzielung der hohen Temperaturen im Druckbehälter erforderlich ist. Da die Gasbrenner einige Zentimeter vom Behälter entfernt angeordnet sind, kann der Behälter schnell in einem Luft- oder Wasserstrom abgekühlt werden. Der Einsatz einer elektrischen Heizung macht Heizelemente erforderlich, welche in direktem Kontakt mit dem Behälter sind, wodurch der Behälter somit isoliert wird, und hierdurch eine wesentlich größer werdende Kühlzeit erforderlich ist. Mit heißem Wasser oder Öl sind ein schnelles Erwärmen und Kühlen möglich, aber der Behälter muß vollständig ummantelt werden, was teuer ist. Eine Erwärmung mittels einer direkten Gasflamme bringt alle Vorteile von ummantelten Heizsystemen mit sich, ohne daß man hierbei einen komplizierten Aufbau und die hohen Kosten hat. Auch werden die Temperaturbegrenzungen durch Heißwasser- oder Heißöl-Systeme überwunden.
Der Druckbehälter sollte aus Materialien hergestellt werden, welche nach Maßgabe der Drücke, Temperaturen und der chemischen Korrosivität ausgewählt sind, welche beim bestimmungsgemäßen Einsatz auftreten können. Bei korrosiven chemischen Umgebungen umfassen geeignete Materialien Hastaloy, Titan oder rostfreien Stahl. Diese Materialien können bei Drücken bis zu etwa 80.000 psig (552 MPa) und Temperaturen von bis zu 500 ºC eingesetzt werden. Für nichtkorrosive Umgebungen können weniger teure Materialien geeignet sein, welche Flußstahl für mittlere Drücke umfassen, die nicht größer als etwa 20.000 psig (138 MPa) sind, oder es können sogenannte hochfeste Stähle, beispielsweise 4142H oder 4340-Stähle genommen werden, wenn die Drücke größer als etwa 20.000 psig (138 MPa) sind.
Die Dicke und das Konstruktionsmaterial des Druckbehälters werden durch die zu erwartenden Drücke, Temperaturen und die Korrosivität bestimmt, welche bei den jeweiligen Gegebenheiten zu erwarten sind. Die maximale Belastung im Behälter sollte niedriger als die minimale Streckspannung des gewählten Materials sein. Wenn man beispielsweise einen 4140-Stahl abgeschreckt und getempert bei 950ºF (510ºC) einsetzt, beläuft sich die Streckspannung bei 400ºF (204ºC) auf 150.000 psig (1035 MPa). Dieses Material ist für die meisten Anwendungsfälle geeignet, bei denen die Korrosionserscheinungen nicht schwerwiegend sind. Ein Behälter, welcher eine 4 in. (10,2 cm) Bohrung oder einen Außendurchmesser von 10 in. (25,4 cm) hat, kann einem Innendruck von 100.000psig (690 MPa) bei 400ºF (204ºC) Stand halten.
Der Druck im Inneren des Behälters bei dem Einsatz von 4140- Stahl ist auf einen Wert begrenzt, welcher zu einer Belastung von 150.000 psig (1035 MPa) in der Behälterwandung führen würde. Die Belastung der Behälterwandung läßt sich einfach unter Bezugnahme auf Veröffentlichungen ermitteln, wie zum Beispiel Marks Handbook ISBN 0-07-004127-X, Abschnitt 5, Seiten 49 - 51, oder ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII.
Unter begrenzten Umständen können Innendrücke eingesetzt werden, welche bei den Belastungen zu einem Überschreiten der Streckspannung des Druckbehälters führen, da der Innnenstopfen ebenfalls eine Streckspannung bei dem Druckbehälter verursacht, so daß sich die Dichtung zwischen dem Stopfen und dem Druckbehälter aufrechterhalten läßt.
Figur 1 zeigt einen Druckbehälter nach der Erfindung, welcher dort insgesamt mit dem Bezugszeichen 8 versehen ist. Wie gezeigt, umfaßt der Druckbehälter 8 ein Rohr oder ein Rohrmaterial 10, welches einen Innenhohlraum und einen beweglichen, zylindrischen Stopfen 12 an einem Ende des Rohrs 10, vorzugsweise an beiden Enden, hat. Das Rohr 10 ist aus geeigneten Materialien hergestellt, vorzugsweise aus dickwandigen, normierten mechanischen Rohrmaterialien, und es umfaßt eine Öffnung 14 an einem, vorzugsweise an beiden Enden. Die Dicke des Rohrmaterials ist so ausreichend gewählt, daß es den gewünschten Betriebsdrücken und -temperaturen Stand halten kann. Die Öffnung 14 ist zur Selbstausrichtung des Stopfens 12 bezüglich des Rohrs 10 konisch ausgebildet. Eine große Führung 9 bei dieser konischen Ausbildung liegt unmittelbar angrenzend an die Öffnung 14, so daß man eine Verengung auf eine konische Ausbildung 11 auf 0,1º bis 5º erhält, um sicherzustellen, daß, wenn der Stopfen 12 eingesetzt ist, eine Metall zu Metall Preßpassung zwischen dem Stopfen 12 und dem Rohr 10 vorhanden ist.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht des beweglichen, nicht mit Gewinde versehenen, zylindrischen Stopfens 12, welcher als Dichtung an einem Ende des Rohrs 10 eingesetzt wird. Der Stopfen 12 hat einen Hohlraum 16 an einem Ende, wodurch die Stopfenwandung 15 gebildet wird. Die andere Stopfenwandung hat eine geringfügige konische Ausbildung 13 in der Nähe der Öffnung, welche zu der konischen Ausbildung des Innendurchmessers des Rohrs 10 paßt. Diese konischen Ausbildungen bilden eine Preßpassung zwischen dem Stopfen 12 und dem Rohr 10. Eine konische Ausbildung von 0,1º bis 5º stellt sicher, daß der Stopfen 12 in dem Rohr 10 selbsttätig festgelegt ist. Wenn die konische Ausbildung zu groß ist, besteht die Neigung, daß der Stopfen 12 sich von dem Rohr 10 lösen kann. Wenn der Druck im Inneren des Behälters 8 größer wird und das Rohr 10 im Durchmesser expandiert, expandiert sich der Stopfen 12 hiermit, wodurch eine enge Metall zu Metall-Dichtung unter allen Betriebsdrücken sichergestellt ist.
Es ist wichtig, daß die Stopfenwandung 15 so ausreichend dünn ist, daß, wenn sie in das dickwandige Rohr 10 gedrückt wird, sich ein Ausgleich für jegliches "Unrundsein" entweder des Rohrs 10 oder des Stopfens 12 schaffen läßt. Beide können einmal geringfügig "unrund" sein, was auf Mängel bei der maschinellen Bearbeitung zurückzuführen ist. Typischerweise liegen diese in einem Bereich von etwa 0,002 bis 0,004 inches (0,005 bis 0,01 cm). Somit kann in zweckmäßigerweise eine Preßpassung mit 0,005 inches (0,013 cm) zur Anwendung kommen. Jedoch ist dies nicht kritisch und eine Preßpassung in einem Bereich von 0,002 bis 0,02 inches (0,005 bis 0,05 cm) kann ebenfalls ohne Schwierigkeiten eingesetzt werden.
Die Wanddicke des Stopfens 12 wird allmählich in einem mittleren Abstand von dem Dichtungsbereich größer. Hierdurch wird sichergestellt, daß der Stopfen 12 nicht in einem Bereich in der Nähe des Endes des Behälters einer Streckspannung ausgesetzt wird oder ein plastisches Versagen in diesem Bereich auftreten kann, an dem keine Abstützung durch das Rohr 10 vorhanden ist. Es werden die Belastungen in dem Rohr 10 in der Nähe des Endes herabgesetzt, an dem Belastungskonzentrierungen ansonsten zum Versagen führen würde. Ein Hinterschneidungsbereich 17 in der Nähe des Dichtungsbereichs stellt sicher, daß der Dichtungsbereich vollständig unter Belastung steht.
"O"-Ring-Ausnehmungen 18 auf der Stopfenwandung 15 sind vorgesehen, um den Einsatz von "O"-Ringen zur Abdichtung von kleinen Unvollständigkeiten beim Metall von Stopfen 12 oder Rohr 10 bei niedrigen Drücken während der anfänglichen Druckbeaufschlagung zu ermöglichen. Geeignete "O"-Ringe können aus Teflon TFE oder FEP Fluorkohlenstoffharz, Kalrez Perfluorelastomer, Neopren oder natürlichem oder synthetischem Kautschuk in Abhängigkeit von den Drücken und Temperaturen hergestellt sein, welche beim bestimmungsgemäßen Einsatz auftreten.
Das Rohr 10 ist zwischen einem Stahltragrahmen (nicht gezeigt) hängend angeordnet. Der Stahltragrahmen ist so ausreichend widerstandsfähig, daß er die Axialbelastung auf die Stopfen 12 aufnehmen kann, welche durch den Innendruck erzeugt werden. Wenn die endseitigen Belastungen nicht auf das Ende des Rohrs übertragen werden, ist die einzige Belastung am Rohr die Umfangsspannung. Somit kann man dann bei der vorliegenden Auslegung höhere Drücke als bei üblichen Druckbehältern zulassen, bei denen Gewindegänge eingesetzt werden, um die endseitigen Belastungen aufzunehmen.
Figur 1 verdeutlicht ferner eine Einrichtung zur Erzeugung einer externen Kraft, wie einen Hydraulikzylinder 20, um eine Kraft aufzubringen, welche erforderlich ist, um die Endstopfen 12 einzusetzen, wobei die Kraft von den Innendrücken in dem Behälter zu überwinden ist. Der Hydraulikzylinder 20 muß eine so ausreichende Axialdruckkraft erzeugen, daß der Stopfen 12 in seiner Position gehalten ist, wenn die maximal möglichen Drücke in dem Rohr 10 auftreten. Auch muß er eine ausreichende Reaktionskraft aufbringen, um gegebenenfalls den Stopfen 12 aus dem Rohr 10 herauszunehmen. Typische Kräfte für einen Behälter 8, welcher eine 4 inch (10,2 cm) Bohrung hat, sind 50.000 lbs (222 kN) bei einem Atmosphärendruck zum Einführen und Herausziehen des Stopfens 12, und 1.000.000 lbs (4.450 kN) bei 80.000 psig (552 MPa),um den Stopfen 12 an Ort und Stelle entgegen dem Innendruck zuhalten. Eine Abstreifplatte 22 ist erforderlich, um das Rohr 10 stationär zu halten, wenn der Stopfen 12 herausgezogen wird.
Der gewünschte hohe Druck im Innenraum des Behälters kann mit Hilfe von üblichen Einrichtungen erhalten werden. Beispielsweise kann ein Fluid, wie Wasser, mit dem gewünschten Druck in den Hohlraum über eine geeignete Einlaßeinrichtung 21 eingebracht werden. Der Behälter kann gestürzt werden, um einen kontinuierlichen Betrieb dadurch zu ermöglichen, daß man eine Auslaßeinrichtung ähnlich der Einlaßeinrichtung 21 in dem Stopfen 12 am gegenüberliegenden Ende des Rohrs 10 vorsieht. Es sollte noch erwähnt werden, daß die Einlässe 21 nicht auf Einbringen und Abziehen eines druckerzeugenden Fluids beschränkt sind. Sie können auch zum Einleiten von Fluidreaktionsmitteln, Katalysatoren, Lösungsmittel usw. und zum Abziehen von Fluiderzeugnissen genutzt werden. Die Anzahl der Einlässe 21 ist nicht auf einen an jedem Ende beschränkt, und bei vielen bevorzugten Ausführungsformen ist eine Vielzahl von Einlässen vorhanden.
Für einen leichten Zugang beim Beschicken und Entleeren des Rohrs 10 kann das Rohr 10 drehbeweglich bzw. schwenkbeweglich (nicht gezeigt) angeordnet sein. Die Verschwenkung ermöglicht, daß ein Ende des Rohrs 10 von dem Tragrahmen, dem Hydraulikzylinder 20 und dem Stopfen 12 frei kommt.
Der Druckbehälter wird mit Hilfe von Leitungsgasbrennern 19 erwärmt, welche direkt eine Flamme entlang des Rohrs 10 auf dasselbe "linienförmig" richten. Die Wärmemenge kann dadurch gesteuert werden, daß der Gasdruck eingestellt wird und daß die Anzahl der Gasbrenner um den Umfang des Rohrs 10 variiert wird.
Der Druckbehälter 8 kann mittels Wasseraufsprühen gekühlt werden, oder Luft mit hoher Geschwindigkeit kann direkt auf den Behälter auftreffen.
Der Druckbehälter nach der Erfindung kann dadurch beschickt werden, daß der Stopfen 12 von einem Ende des Rohrs 10 vollständig abgenommen wird, und das andere Ende des Rohrs 10 verschlossen gehalten wird. Das offene Ende wird vertikal angehoben, bis das offene Ende von dem Hydraulikzylinder 20, dem Stopfen 12 und dem Tragrahmen frei kommt. Das Beschicken (und Entleeren) des Rohrs 10 läßt sich nun auf sehr vereinfachte Weise durchführen. Wenn die Beschickung erfolgt ist, wird das Rohr 10 in die Ausgangsposition abgesenkt, und der Endstopfen 12 wird vollständig eingesetzt.
Der Druckbehälter nach der Erfindung ist insbesondere als ein Reaktor zum Durchführen von chemischen Reaktionen einschließlich der Polymerisation von gasförmigen und flüssigen Monomeren, und zu Polymerverarbeitung geeignet, bei denen erhöhte Drücke und gegebenenfalls erhöhte Temperaturen benötigt werden. Beispiele von derartigen chemischen Reaktionen umfassen ohne jegliche Beschränkung folgendes: (i) Zubereitung von Polyethylen mit niedriger Dichte und Copolymeren aus Ethylen mit Comonorneren, wie Kohlenmonoxid, Vinylacetat, Acrylate, Methacrylate, Acrylsäure und dergleichen, wobei Ethylen in Anwesenheit von freien Radikalenkatalysatoren bei Drücken von größer als etwa 1.000 atm (100 MPa) und Temperaturen in einem Bereich von etwa 200ºC (co)polymerisiert wird; (ii) Ammoniaksynthese, bei der Stickstoff und Wasserstoff in Anwesenheit eines Festbett-Eisenoxidkatalysators und Unterstützung mit Aluminium oder Kaliumoxid bei Drücken von etwa 250 atm (25 MPa) und Temperaturen von etwa 350ºC bis 400ºC zur Reaktion gebracht werden, und (iii) die Zubereitung von Methanol aus Synthesegas, bei der geeignete Anteile von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff zu Methanol über einem Festbettkatalysator, wie Chromoxid-Zinkoxid oder aktiviertem Kupfer, bei Drücken von etwa 50 bis etwa 300 atm (5 bis 30 MPa) und Temperaturen von etwa 250ºC bis etwa 350ºC umgewandelt werden.
Ein Beispiel einer Polymerverarbeitung wird nachstehend angegeben, bei der Polyethylen mit einem ultra hohen Molekulargewicht einer Hochdruck- und Temperaturbehandlung in dem Druckbehälter nach der Erfindung ausgesetzt wird, um die Festigkeitseigenschaften zu modifizieren. Obgleich das Beispiel einen Chargenbetrieb verdeutlicht, können natürlich auch kontinuierliche Betriebsweisen sowie auch Chargenbetriebsweisen bei dem vorliegenden Druckbehälter verwirklicht werden. Ein Auslaß, welcher für einen kontinuierlichen Betrieb erforderlich ist, läßt sich auf einfache Weise beispielsweise durch Duplizieren des Einlasses 21 in dem Stopfen 12 am gegenüberliegenden Ende des Rohrs 10 vorsehen.

BEISPIEL

Bei diesem Beispiel wird Polyethylen (UHMWPE) mit ultrahohem Molekulargewicht dadurch modifiziert, daß es einem Druck von 60.000 psig (414 MPa) und einer Temperatur von 220ºC ausgesetzt wird, wozu ein Druckbehälter genommen wird, dessen Rohr 10 sieben feet (2,1 m) lang ist und einen Durchmesser von 4 inches (10,2 cm) hat. Der Stopfen war aus einem Ende des Rohrs in etwa 1 Minute herausgenommen, wobei eine Kraft von etwa 50.000 lbs (222 kN) erforderlich ist, um die Preßpassung zwischen dem Stopfen und der Rohrwandung zu überwinden.
Das Rohr wurde unter Freikommen von dem Hydraulikzylinder, dem Stopfen und dem Rahmen in etwa 10 Sekunden unter Einsatz eines elektrischen Kettenzugs verdreht.
Die Probe von UHMWPE wurde mittels Hand in das offene Ende des Rohrs eingeführt, und das Rohr wurde dann in die Position abgesenkt. Für diesen Vorgang benötigte man 30 Sekunden.
Der Stopfen war vollständig in das Rohr in etwa 1 Minute eingeführt, wozu ein Kraftaufwand von etwa 50.000 lbs (222 kN) erforderlich war. Die gesamte Beschickungszeit lag unter 3 Minuten.
Der Behälter wurde auf 220ºC in etwa einer Stunde unter Einsatz von fünf Gasbrennern erwärmt. Die Temperatur wurde bei 220ºC zwei Stunden lang aufrechterhalten, und der Druck wurde dann auf 60.000 psig (414 MPa) unter Einsatz von Hochdruck und luftbetriebenen Kolbenpumpen angehoben. Der Druck und die Temperatur wurden für weitere zwei Stunden aufrechterhalten, um die gewünschte UHMWPE Modifikation abzuschließen. Dann erfolgte eine Herabsetzung auf Umgebungsbedingungen. Der Stopfen wurde entnommen und die Probe wurde gemäß den voranstehend beschriebenen Vorgehensweisen wieder entnommen.
Der Fachmann, welcher die Vorteile der Lehre nach der Erfindung gemäß der voranstehenden Beschreibung kennt, kann natürlich zahlreiche Modifikationen vornehmen. Diese Modifikationen werden alle von dem Schutzumfang des mit den anliegenden Ansprüchen umrissenen Schutzgedankens erfaßt.

Claims

1. Druckbehälter (8) für Hochdruckverarbeitungsverfahren, welcher aufweist:

(i) ein Rohr (10), dessen Innenraum über eine konisch ausgebildete Öffnung (14) an dem Ende des Rohrs zugänglich ist, wobei die Rohrwandung eine derart ausreichende Dicke hat, daß sie dem gewünschten Druck Stand hält:

(ii) einen beweglichen, zylindrischen Stopfen (12), welcher in die konische Öffnung eingesetzt wird;

(iii) ein Ende des Stopfens konisch ausgebildet ist, um eine Preßpassung mit der konischen Öffnung zu bilden, wobei dieses Ende einen Hohlraum (16) hat, welcher eine Stopfenwandung (15) bildet, die Stopfenwandung eine derartige Dicke hat, daß sie unter dem gewünschten Druck flexibel ist, und daß sie gegen die konische Öffnung gedrückt wird, wenn der Druck größer wird;

(iv) eine Krafterzeugungseinrichtung (20) zum Bewegen des Stopfenendes in die Öffnungen und aus diesen heraus, welche eine ausreichende Axialdruckkraft hat, um die axiale Belastung des Stopfens unter Druck auszuhalten;

(v) einen externen Rahmen, welcher der Krafterzeugungseinrichtung entgegenwirkt; und

(vi) eine Einrichtung (22), welche das Rohr während der Bewegung das Stopfenendes stationär hält.

2. Druckbehälter nach Anspruch 1, bei dem das Rohr konische Öffnungen an beiden Enden und einen beweglichen, zylindrischen Stopfen für jede Öffnung hat.

3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Krafterzeugungseinrichtung ein Hydraulikzylinder ist.

4. Druckbehälter nach Anspruch 3, bei dem der Hydraulikzylinder ein Druckbegrenzungsventil enthält.

5. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher eine Heizeinrichtung (19) umfaßt, welche eine Flamme erzeugt, die direkt auf die äußere Oberfläche des Rohrs gerichtet wird.

6. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Stopfenende "O"-Ring-Ausnehmungen (18) an der konischen Fläche hat, welche die Preßpassung mit der Öffnung des Rohrs bildet.

7. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung, welche das Rohr stationär hält, eine Abstreifplatte (22) ist.

8. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem jeder bewegliche, zylindrische Stopfen eine Öffnung (21) enthält.