DE19521540A1 - Einrichtung und Verfahren zum Erhitzen und zum Steuern oder Beibehalten der Temperatur in einem Behälter für chemische Verfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung zum Erhitzen eines Behälters für chemische Verfahren, wie z. B. einem Reak­ tor, zum Steuern bzw. Regeln der Temperatur in einem Behälter für chemische Verfahren oder zum Beibehalten der Temperatur darin. Herkömmlicherweise können Reaktionsbehälter für chemi­ sche Verfahren, welche in thermischen, gewöhnlicherweise exo­ thermen, Verfahren verwendet werden, hitzebeständig verkleidet sein, und sie sind auf eine Betriebstemperatur erhitzt worden, indem vorerhitztes Brennstoffgas für eine ausreichende Zeit durch den Reaktor geleitet worden ist, um die hitzebeständige Verkleidung in dem Reaktor zu erhitzen. Bei diesem Verfahren ist die Wärmeübertragung ungenügend und nur ein kleiner Pro­ zentsatz der Wärmeenergie von dem vorerhitzten Gasstrom wird auf die Wandung des Behälters übertragen. Das elektrische Er­ hitzen der äußeren Schale ist ein weiteres Verfahren zum Er­ hitzen eines derartigen Reaktors. Dies kann erreicht werden durch Umgeben der Außenseite des Behälters mit einem elektri­ schen Mantel, welcher aus einer Reihe von Heizspulen mit hohem Widerstand besteht. Ein weiteres herkömmliches Verfahren zum Erhitzen eines chemischen Reaktors ist das Umgeben der Außen­ seite des Reaktors mit einer Reihe von Spulen in einem Heiz­ mantel, um heiße Fluide zu transportieren, wobei zum Zuführen der erforderlichen Wärme ebenso auf ineffiziente Wärmeübertra­ gungsmechanismen zurückgegriffen wird.

All die vorangehenden Verfahren weisen Nachteile auf, umfas­ send die schlechte Wärmeübertragung, sehr hohe Kosten, das Erfordernis Reaktoren vorzusehen, welche aus hochtemperaturbe­ ständigen Metallen hergestellt sind, und das Erfordernis, ein unverträgliches Heizgas aus dem Reaktor auszulassen, bevor die chemischen Reaktionsmittel eingeleitet werden. Das US-Patent Nr. 3,823,003 lehrt die Verwendung des elektrischen Heizens eines Vakuumofens unter Verwendung eines Wechselstroms, wel­ cher entlang der äußeren Stahlschale und dann durch eine Gra­ phitsteinverkleidung zurück in die Energiequelle fließt. Dies kann zum Überhitzen der Außenseite des Metallreaktors führen, wodurch eine gefährliche Situation herbeigeführt wird.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zum Erhitzen eines Reaktors vorzusehen, welche effizient, sicher und wirtschaftlich ist. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zum Er­ hitzen eines unter Druck stehenden Reaktors vorzusehen, und es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ein­ richtung vorzusehen, welche beim Erhitzen chemischer Reaktoren bestehende Sicherheitsbedenken ausräumt. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zum Erhitzen von Behältern für chemi­ sche Verfahren unter Verwendung der neuen Einrichtung der vor­ liegenden Erfindung vorzusehen.

In einer Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Erfin­ dung auf eine Einrichtung zum Erhitzen der hitzebeständigen Verkleidung eines chemischen Reaktors oder eines Behälters für chemische Reaktionsverfahren durch die Verwendung des Zufüh­ rens eines elektrischen Stroms zu der hitzebeständigen Ver­ kleidung selbst durch eine neue chemikalien- und hitzebestän­ dige Heizanordnung, welche die Behälterwandung durchsetzt. Die Heizanordnung umfaßt eine Zwischenverbindungseinrichtung. Die Zwischenverbindungseinrichtung kann in ein Gehäuse einge­ schlossen sein, welches sich in den chemischen Reaktor über einen American National Standards Institute (ANSI)-Behälter­ flansch öffnet, und die neue Heizanordnung ist an den Reaktor in dem ANSI-Standardflansch anpaßbar. Die äußere Verbindung außerhalb des ANSI-Standardflansches ist mit den isolierten elektrischen Kabeln durch einen elektrischen Standard-National Electrical Manufacturers Association (NEMA)-Stecker verbunden. Das Energiequellenkabel ist mit einem äußeren Zwischenverbin­ der verbunden, welcher bezüglich eines Lochs in dem Gehäuse isoliert ist und dieses in einer Art und Weise durchsetzt, welche ermöglicht, daß der Reaktor auf seinem Druck und seiner Temperatur gehalten wird. Der äußere Zwischenverbinder ist elastisch mit einem inneren Zwischenverbinder verbunden, wel­ cher wiederum an der hitzebeständigen Verkleidung angebracht ist. All diese Verbindungen sind derart eingerichtet, daß eine elektrische Leitfähigkeit sichergestellt ist, und daß die Re­ aktorschale oder die Behälterwandung und das Heizanordnungs­ gehäuse von elektrischem Kontakt isoliert sind. Um den Reaktor effektiv und effizient unter Verwendung einer elektrischen Gleichstom-Widerstandsheizung der hitzebeständigen Verkleidung zu erhitzen, wird eine Mehrzahl von Heizanordnungen an ver­ schiedenen zueinander beabstandeten Orten um den Reaktor herum verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Strom über geeignete Leiter durch die Flanschabdeckung vermittels eines äußeren Zwischenleiters übertragen, welcher sowohl druckisoliert als auch elektrisch von der Reaktorschale und dem ANSI-Standardflansch isoliert ist. In einer weiteren be­ vorzugten Ausführungsform werden von einer Gleichstromenergie­ quelle bis zu 2000 Ampere oder mehr eines Gleichstroms über die Heizanordnung der vorliegenden Erfindung in die hitzebe­ ständige Verkleidung des chemischen Reaktors geleitet. Während in einer bevorzugten Ausführungsform für eine spezielle Anwen­ dung 2000 Ampere Gleichstrom verwendet worden sind, ist die Energiemenge, welche verwendet werden kann, direkt abhängig von der zugeordneten Ausrüstung, z. B. Gleichrichtern und einer Schalttafel, der bei dem Gehäuse verwendeten Ausgestaltung, den Leitern und der weiteren verwendeten Ausrüstung und den Erfordernissen des Verfahrens.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der innere Zwischenverbinder an einem nicht-metallischen Übergangsverbin­ der angebracht, welcher an der hitzebeständigen Verkleidung des chemischen Reaktors angebracht ist. In einer weiteren be­ vorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der äußere Zwischenverbinder durch einen Kupferverbinder ange­ bracht, dann durch einen elektrisch isolierten äußeren Nickel- Zwischenverbinder, welcher dann mit einem elastischen Leiter verbunden ist, welcher eine lineare Ausdehnung sowohl in der vertikalen als auch der horizontalen Richtung der hitzebestän­ digen Verkleidung vorsieht, wenn der Reaktor auf die Betriebs­ temperatur erhitzt wird. Diese Flexibilität des elastischen Leiters ist erforderlich, damit der elastische Leiter sich bei jeglicher Expansion oder jedem linearen Wachsen der hitzebe­ ständigen Verkleidung des chemischen Reaktors während des Er­ hitzens oder des Betriebs bewegen kann.

Fig. 1 ist eine teilweise im Querschnitt gezeigte An­ sicht eines chemischen Reaktionsbehälters, bei welchem die Heizanordnung der Erfindung verwendet werden kann, welche die verschiedenen Orte der Heizanordnungen um den Reaktor herum in einer bevorzugten Ausführungsform zeigt.

Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht der Heizanordnung dieser Erfindung, welche als eine elektrisch isolierte, druckdichte, eine Wandung durchsetzende Anordnung dient, welche in dem Gehäuse und mit bezüglich der hitzebe­ ständigen Verkleidung des chemischen Reaktors gezeigt ist, in welchem die Heizanordnung der Erfindung verwendet wird.

Fig. 3 ist eine detaillierte schematische Querschnitts­ ansicht der in Fig. 2 gezeigten, den Gehäuseflansch durch­ dringenden, elektrisch isolierten Energiequellenverbindungs­ anordnung.

Die vorliegende Erfindung ist in den vorangehend beschriebenen Figuren gezeigt, welche die Merkmale einer elektrischen Heiz­ anordnung für einen hitzebeständig verkleideten chemischen Reaktor oder einen anderen Behälter zeigen, der ein Erhitzen für irgendwelche Zwecke erfordert. Eine derartige Heizanord­ nung ist in einem Gehäuse getragen, welches die Reaktor- oder Behälterschale durchsetzt, welche normalerweise aus Metall besteht. Das Gehäuse kann ebenso thermisch und elektrisch von der Metallbehälterwandung isoliert sein und kann druckdicht sein, wenn dies durch die Natur des chemischen Verfahrens oder die Behälterverwendung erforderlich ist. Vorzugsweise ist das Gehäuse ein zylindrischer Standardflansch, welcher in einem Rand endet, an welchem eine äußere Leitung, eine Ausrüstung oder ein Dichtungsflansch durch herkömmliche Bolzen oder ande­ re Mittel angebracht werden kann.

Innerhalb des Gehäuses sind die verschiedenen Verbindungsmit­ tel, durch welche ein elektrischer Strom von einer Energie­ quelle zu der leitfähigen hitzebeständigen Verkleidung des Reaktors oder Behälters geleitet wird, thermisch und elek­ trisch von dem Gehäuse und von der Metallreaktorschale iso­ liert. Dies wird durch das Vorsehen eines äußeren Zwischenver­ binders erreicht, welcher eine im allgemeinen zylindrische Form aufweist und mit dem Energiequellenverbinder verbunden ist, und durch Durchsetzen eines abdichtenden Blindflansches durch ein geeignetes Loch oder eine Öffnung, welche zentral in dem abdichtenden Flansch oder der Platte angeordnet ist. Vor­ zugsweise weist der äußere Zwischenverbinder ein erstes Ende auf, welches innerhalb des Gehäuses ist, und ein zweites Ende, welches sich über den Dichtungsflansch des Gehäuses hinaus erstreckt. Das erste Ende des äußeren Zwischenverbinders weist einen Kopf mit einer Schulter auf, welche an dem Blindflansch innerhalb des Gehäuses anliegt, und welche mit geeigneten Vor­ spannmitteln und Dichtungen eine thermische und elektrische Isolierung sowie eine Druckdichtung, wenn dies erforderlich ist, für das Gehäuse vorsieht. Zusätzlich ist eine Isolierhül­ se über dem Schaft des äußeren Zwischenverbinders vorgesehen und dient zum Isolieren des Rands der Öffnung der Dichtungs­ platte. Das Vorspannmittel, welches zum Vervollständigen der Reaktor- oder Behälterdruckdichtung für das Gehäuse verwendet werden kann, weist eine Kombination einer Anlageplatte und von Anlagebolzen auf, welche durch um die Fläche des Blindflan­ sches herum regelmäßig zueinander beabstandete Bolzen von dem Gehäuse nach außen gedrängt sind. Eine Halteplatte ist an dem sich nach außen erstreckenden Schaft des äußeren Zwischenver­ binders durch herkömmliche Mittel angebracht, wie z. B. eine Schraubverbindung unter Verwendung eines herkömmlichen Rohrge­ windes an dem Schaft und der Innenseite des zentralen Lochs in der Halteplatte. Das Herausdrehen der Anlagebolzen drängt die Anlageplatte dicht gegen die Halteplatte, welche durch die Gewindegänge an dem Schaft des äußeren Zwischenverbinders festgehalten ist, und übt einen Dichtungsdruck auf die Schul­ ter des Kopfes des ersten Endes des äußeren Zwischenverbinders aus, wodurch das Gehäuse unter Verwendung der Dichtung zwi­ schen der Schulter und dem Blindflansch druckdicht abgedichtet ist. Die elektrische Isolierung ist durch Anordnen eines Iso­ lierrings zwischen der Anlageplatte und der Halteplatte ver­ vollständigt.

Das erste Ende des äußeren Zwischenverbinders ist permanent an einem Ende eines elastischen Leiters angebracht. Es kann ein Typ eines elastischen Leiters verwendet werden, welcher selbsttragend ist, eine Ausdehnung in allen Richtungen zuläßt und einen Strom effizient leitet. Der elastische Leiter be­ steht primär aus Metall und vorzugsweise aus Kupfer, Nickel oder einem in gleicher Weise effizient leitenden Material. Verschiedene Typen von strukturellen Konfigurationen für der­ artige Leiter können verwendet werden, wie z. B. eine Spiral­ spule, eine Sinuswellenform, eine Balgenanordnung u. dgl. Nicht-selbsttragende Leiter können verwendet werden, wenn iso­ lierte Trageaufbauten verwendet werden. Das andere Ende des elastischen Leiters ist an einem inneren Zwischenverbinder angebracht, welcher zum Verbinden des elastischen Leiters mit einem Übergangsverbinder verwendet wird. Der innere Zwischen­ verbinder weist ein erstes Ende auf, welches im allgemeinen zylindrisch ist und Verbindungsmittel aufweist, herkömmlicher­ weise in der Form von Gewindemitteln, zum Anbringen des Über­ gangsverbinders, sowie ein zweites Ende in der Form einer fla­ chen kreisförmigen Platte, um einen Stecker zum Einführen in den Übergangsverbinder zu bilden. Der elastische Leiter ist an dem zweiten Ende des inneren Zwischenverbinders permanent an­ gebracht, z. B. durch einen Schraubverbinder, durch Schweißen oder durch eine J-förmige Ansatzverbindung (J-Lug).

Der Übergangsverbinder kann im allgemeinen von runder und zy­ lindrischer Form sein und weist ein erstes Ende auf, welches verjüngt ist und Verbindungsmittel zu einem leitenden, nicht­ metallischen hitzebeständigen Block aufweist, und ein zweites Ende, welches mit dem inneren Zwischenverbinder verbunden ist. Das zweite Ende kann eine Öffnung aufweisen, welche den inne­ ren Zwischenverbinder aufnimmt und kann an diesem durch die Verbindungsmittel angebracht sein, wie z. B. Gewindeverbinder, welche eine sichere und elektrisch kontaktierende Verbindung vorsehen. Vorzugsweise ist der Übergangsverbinder aus einem nicht-metallischen Material, und mehr bevorzugt besteht er aus einem Material, welches dem Material der leitfähigen hitzebe­ ständigen Verkleidung bezüglich der thermischen Expansion und den Isoliereigenschaften äquivalent ist. Ein bevorzugtes Mate­ rial ist ferner sehr gut elektrisch leitfähig und somit ist Graphit eines der bevorzugten Materialien für den Übergangs­ verbinder. Andere leitfähige hitzebeständige Materialien, wel­ che geeignet sind, umfassen Kohlenstoffstein, Siliciumcarbid und Aluminiumnitrid.

Der Übergangsverbinder wird so genannt, da er den Übergang von dem metallischen Leiter, welcher bis zu diesem Punkt in der Schaltung von der Energiequelle verwendet wird, zu der nicht­ metallischen leitfähigen hitzebeständigen Verkleidung bildet, welche den chemischen Reaktor oder Behälter auskleidet. Dieser Übergang ist aufgrund der verschiedenen thermischen und elek­ trischen Charakteristiken von metallischen und nicht-metalli­ schen Leitern sehr wichtig. Dementsprechend ist aus einem Be­ triebs-Gesichtspunkt die Verbindung zwischen dem inneren Zwi­ schenverbinder und dem Übergangsverbinder äußerst wichtig. In gleicher Weise ist die Verbindung zwischen dem Übergangsver­ binder und dem leitfähigen hitzebeständigen Block wichtig, da dies der Ort ist, wo das Widerstandsheizen beginnt. Das erste Ende des Übergangsverbinders, welcher verjüngt ist, kann ein breites Gewinde aufweisen, welches mit einer gleichen Gewinde­ größe in dem leitfähigen hitzebeständigen Block zusammenpaßt, in der gleichen Art und Weise wie ein Besenstielgewinde. Dies ist wichtig, da die nicht-metallische Natur des Übergangsver­ binders und des leitfähigen hitzebeständigen Blocks kein kom­ plexes oder präzises Bearbeiten oder Gewindeschneiden ermögli­ chen. Daher ermöglicht die vorliegende Erfindung jedes Verfah­ ren zum Verbinden des Übergangsverbinders mit dem leitfähigen hitzebeständigen, vorzugsweise aus Graphit bestehenden Block, welches eine effiziente und effektive thermische und elektri­ sche Leitfähigkeit unterstützt.

Der leitfähige Block wird dann an die Innenseite der Reaktor- oder Behälterwandung angelegt, gewöhnlicherweise durch her­ kömmliche Techniken eines Mörtel-Steinaufbaus in einer Ausge­ staltung mit einem gestapelten Feld oder einer Gitteranord­ nung, welche zum Abstrahlen von thermischer Energie von der Widerstandsheizung des durch die hitzebeständigen Blöcke ge­ leiteten elektrischen Stroms ausreicht. Vorzugsweise ist der zum Festhalten der hitzebeständigen Verkleidung verwendete Mörtel ein leitfähiger Mörtel, mehr bevorzugt ist er ein Sili­ katmörtel, und am meisten bevorzugt ein Graphit-Silikat-Mör­ tel. In der Praxis und zum Vorsehen, daß die Widerstandshei­ zung soviel wie möglich der Reaktorwandungsoberfläche abdeckt, wird eine obere Heizanordnung als eine Elektrode nahe der Oberseite des Reaktors verwendet, und eine untere Heizanord­ nung wird als eine zweite Elektrode verwendet, wobei der Strom durch die leitfähige hitzebeständige Verkleidung zwischen die­ sen hindurchfließt. Es kann in Betracht gezogen werden, daß mehr als eine Heizanordnung sowohl im oberen als auch im unte­ ren Reaktorbereich verwendet wird, so daß der zum Erhalten eines effektiven Widerstandsheizens erforderliche Strom und die Spannung nicht unnötig hoch oder unwirtschaftlich sind. Zum Beispiel können bis zu drei Heizanordnungen in einem Ring um den oberen Bereich des Reaktors und bis zu drei Heizanord­ nungen in zueinander beabstandeter Beziehung im unteren Be­ reich des Reaktors oder Behälters angeordnet werden. In jedem Falle können Bereiche oberhalb und unterhalb der Heizanordnun­ gen bestehen, welche nicht durch den Widerstand erhitzt werden und daher keine leitfähigen hitzebeständigen Blöcke erfordern. In derartigen nicht erhitzten Bereichen ist nur die struktu­ relle Integrität und die Beständigkeit bezüglich der Reak­ tionsumgebung erforderlich, um den hitzebeständigen Block festzuhalten. Typischerweise wird in derartigen nicht erhitz­ ten Bereichen ein isolierendes hitzebeständiges Material, wie z. B. Tonerdestein, verwendet.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die hitzebeständige Verkleidung einen zweiten Typ eines isolierenden hitzebestän­ digen Materials zwischen dem leitfähigen hitzebeständigen Ma­ terial und der Reaktor- oder Behälterwandung aufweisen, um die metallische Reaktor- oder Behälterwandung davon abzuhalten, daß sie elektrisch aufgeladen wird, und um thermische Verluste zur Umgebung hin zu vermeiden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung ist eine elektrische Heizanordnung zum Vorheizen oder zum Steuern der Temperatur der hitzebeständigen Verkleidung eines hitzebeständig ausgekleideten Behälters für chemische Verfah­ ren von der Umgebungstemperatur bis zu einer gewünschten oder Betriebstemperatur zum Betreiben eines chemischen Verfahrens vorgesehen, wobei die Anordnung in Kombination umfaßt:

• a) ein an wenigstens einer Wandung des Reaktors an­ gebrachtes und diese durchsetzendes Gehäuse mit einem distalen Ende und einem zu der Reaktorwandung proximalen Ende;
• b) wobei das distale Ende des Gehäuses ein äußeres Zwischenverbindungsmittel aufweist, welches das Gehäuse in isolierter und abgedichteter Art und Weise durchsetzt, und wobei das äußere Zwischenverbindungsmittel ein erstes Ende aufweist, welches mit einem elastischen Leiter ver­ bunden ist, sowie ein zweites Ende, welches mit einem Energiequellenverbinder verbunden ist;
• c) wobei der elastische Leiter an seinem anderen Ende mit dem zweiten Ende eines inneren Zwischenverbin­ dungsmittels verbunden ist, welches mit seinem ersten Ende elektrisch an einem Übergangsverbinder angebracht ist;
• d) wobei der Übergangsverbinder an seinem ersten Ende mit einem leitfähigen hitzebeständigen Block verbun­ den ist;
• e) wobei der leitfähige hitzebeständige Block von der Reaktorbehälterwandung elektrisch isoliert ist und zu dieser einen Abstand aufweist und in leitendem Kontakt mit einer Mehrzahl von in gleicher Weise leitfähigen hit­ zebeständigen Blöcken steht, wodurch dann, wenn eine wei­ tere Heizanordnung an einem beabstandeten leitfähigen hitzebeständigen Block angebracht ist, eine angelegte Spannung bewirkt, daß ein Strom zwischen den Heizanord­ nungen fließt und der leitfähige hitzebeständige Block zwischen diesen durch Widerstandsheizen erhitzt wird.

Vorzugsweise ist das Gehäuse von zylindrischer Struktur und mehr bevorzugt endet die zylindrische Struktur in einer Dich­ tungsplatte mit einer zentralen Öffnung. Am meisten bevorzugt ist die Dichtungsplatte ein Blindflansch.

Vorzugsweise ist das äußere Zwischenverbindungsmittel ein im allgemeinen zylindrischer Leiter mit einem offenen distalen Ende und einem proximalen Ende, welches einen Kopf und eine Schulter, die an der Öffnung der Dichtungsplatte anliegt, und einen sich durch die Öffnung erstreckenden Schaft aufweist. Mehr bevorzugt weist das äußere Zwischenverbindungsmittel ein distales Ende und ein proxiamales Ende auf, wobei das distale Ende eine Öffnung zur Aufnahme von einem Ende eines Energie­ quellenverbinders aufweist, und wobei das proximale Ende mit dem elastischen Leiter verbunden ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Kopf des äußeren Zwischenverbindungsmit­ tels permanent an dem elastischen Leiter festgelegt, z. B. durch Schweißen. Der elastische Leiter weist eine Struktur auf, welche aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Spiralspule, einer Sinuswellenform, geschichteten und Balgen­ konstruktionen besteht.

Die vorliegende Erfindung ist mit Bezug auf die beiliegenden Figuren dargestellt und ist dadurch leichter zu verstehen. Insbesondere ist, wie in Fig. 2 gezeigt, die im allgemeinen mit 10 bezeichnete Heizanordnung von einer Außenansicht in Fig. 1 gezeigt, wie sie in die Außenwandung 70 eines chemi­ schen Reaktors 78 oder Behälters installiert ist, welcher mit einem hitzebeständigen Material verkleidet ist. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, sind mehrere Heizanordnungen 10, entweder obere Heizanordnungen 80 oder untere Heizanordnungen 82, um den Re­ aktor 78 herum näherungsweise in einem oberen Ring und einem unteren Ring in zueinander ungefähr gleichmäßig beabstandeter Beziehung im oberen und im unteren Ring angeordnet. Jede der oberen Heizanordnungen 80 ist mit einer elektrischen Energie­ quelle (nicht gezeigt) für Gleichstrom verbunden, und jede der unteren Heizanordnungen 82 ist mit der anderen Seite der Gleichstromquelle verbunden, so daß mit der leitfähigen, hit­ zebeständigen Kohlenstoffsteinverkleidung 75 zwischen den obe­ ren und den unteren Heizanordnungen 80, 82 ein vollständiger elektrischer Kreislauf gebildet ist.

Beispielsweise ist für einen chemischen Reaktor 78 mit einer Länge von 9,14 bis 15,24 Meter (30 bis 50 Fuß) für die Reak­ tion, d. h., einem erhitzten Bereich, welcher dem Vorheizen un­ ter Verwendung der Heizanordnung 10 dieser Erfindung ausge­ setzt ist, ein Strom von bis zu 2000 Ampere und bei 10-15 Volt erforderlich, um den Reaktor durch Widerstandsheizen auf eine Temperatur nahe der Betriebstemperatur der chemischen Reak­ tion, z. B. auf bis zu 500°C, zu erhitzen. Die Zeit zum Vorhei­ zen des Reaktors auf diese Temperatur liegt bei dieser Strom­ stärke im Bereich von 24 bis 48 Stunden. Selbstverständlich können unter Verwendung höherer oder niedrigerer Stromstärken höhere oder niedrigere Temperaturen erhalten werden, was für den Fachmann selbstverständlich ist, wobei die Zeit zum Errei­ chen einer vorgegebenen Temperatur sich mit der Größe des ver­ wendeten Stroms ändern wird.

Wie in Fig. 2 detaillierter gezeigt, ist die allgemein bei 10 gezeigte Heizanordnung dieser Erfindung innerhalb eines Gehäu­ ses 62 aufgenommen, welches jede geometrische Form aufweisen kann, welches jedoch vorzugsweise ein zylindrisches Gehäuse ist, das in einem Flansch 64 endet. Das Heizanordnungsgehäuse ist vorzugsweise eine Standard-ANSI-Flanschöffnung, welche in praktischer Weise an eine Öffnung in der Reaktorbehälterwan­ dung 70 geschweißt werden kann. Herkömmliche Stützaufbauten, wie z. B. Verstärkungsringe oder Träger sind an der Verbindung der Behälterwandung 70 mit dem Heizanordnungsgehäuse 60 ange­ bracht, dies ist jedoch für das geeignete Funktionieren der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich. Ferner ist gewöhn­ licherweise eine isolierende Verkleidung 90, welche aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material besteht, in dem Gehäuse 62 angeordnet, um thermische Verluste zu verhindern, und um zu verhindern, daß der Reaktor 78 ein Teil des elektri­ schen Kreislaufs wird. Das Gehäuse 62 ist durch einen Blind­ flansch 50 abgedichtet, welcher ein zentral angeordnetes Loch 53 aufweist und durch geeignet beabstandete Schraubenlöcher 92 und Schrauben und Muttern (nicht gezeigt) festgehalten ist.

Wie in Fig. 3 deutlicher zu sehen, ermöglicht das zentrale Loch 53, daß das äußere Zwischenverbindungsmittel 30 sich durch den Blindflansch 50 hindurch erstreckt und mit einem geeigneten Energiequellenverbinder 38 verbunden ist, dessen anderes Ende mit einer Gleichstromquelle verbunden ist (oder einer Wechselstromquelle, wenn gewünscht). Das äußere Zwi­ schenverbindungsmittel 30 ist im allgemeinen ein zylindrischer metallischer Leiter, welcher ein erstes Ende 34 mit größerer Abmessung aufweist als das zentrale Loch 53 in dem Blind­ flansch 50, um einen Kopf und eine Schulter 32 zu bilden, die an dem Blindflansch 50 anliegt. Das äußere Zwischenverbin­ dungsmittel 30 weist ein zweites Ende 36 auf, welches ein of­ fenes Ende zur Aufnahme des Gewindeendes 40 des Energiequel­ lenverbinders 38 aufweist, um zu ermöglichen, daß der Energie­ quellenverbinder bis zu einer Anschlagschulter 42 in das äuße­ re Zwischenverbindungsmittel 30 geschraubt werden kann. Der verbleibende Schaft 44 des Energiequellenverbinders 38 kann dann an einem Energiequellenkabel (nicht gezeigt) durch her­ kömmliche Mittel angebracht werden. Das zweite Ende 36 des äußeren Zwischenverbindungsmittel und der Energiequellenver­ binder 38 sollten in ihren freiliegenden Abschnitten isoliert sein, um Stromstöße zu vermeiden.

Das äußere Zwischenverbindungsmittel ist an Ort und Stelle festgehalten und dichtet die Umgebung außerhalb des Reaktions­ behälters 78 unter Verwendung von Vorspannmitteln 51 ab. Um eine Abdichtung zwischen der Schulter 32 des äußeren Zwischen­ verbindungsmittels 30 und dem Blindflansch 50 zu erhalten, muß die Schulter 32 des äußeren Zwischenverbindungsmittels gegen den Blindflansch 50 in einer lösbaren Art und Weise gedrückt werden, so daß die Heizanordnung leicht gewechselt oder gewar­ tet werden kann, wenn der Reaktor außer Betrieb ist. Das Vor­ spannmittel 51 umfaßt eine Anlageplatte 54, welche ein zentra­ les Loch aufweist und über das zweite Ende 36 des äußeren Zwi­ schenverbindungsmittel 30 paßt. Diese ist gegen eine Halte­ platte 52 gedrückt, welche ebenso ein zentrales Loch aufweist und über das zweite Ende 36 des äußeren Zwischenverbindungs­ mittels 30 paßt, welche jedoch lösbar und einstellbar an dem zweiten Ende 36 des äußeren Zwischenverbindungsmittels 30 an­ gebracht ist, vorzugsweise durch Gewinde an der Außenseite des zweiten Endes und der Innenseite des zentralen Lochs der Hal­ teplatte 52. Somit kann unter Verwendung von Anlagebolzen 56, welche gleichmäßig um den Blindflansch 50 herum und unterhalb des äußeren Umfangsbereichs der Anlageplatte 54 angeordnet sind, die Anlageplatte 54 gegen die Halteplatte 52 gedrückt werden, und aufgrund des Anbringens an dem äußeren Verbin­ dungsmittel 30 wird die Schulter 32 gegen den Blindflansch 50 gedrückt und dichtet den Innenraum des Reaktors 78 zur Umge­ bung hin ab und ermöglicht einen Druckbetrieb des Reaktors 78. Eine zusätzliche Dichtungswirkung wird durch das Zwischenla­ gern einer isolierenden Dichtung 46 zwischen der Schulter 32 und dem Blindflansch 50 erhalten. In gleicher Weise kann eine thermische und eine elektrische Isolierung zwischen dem äuße­ ren Zwischenverbindungsmittel 30 und dem Blindflansch 50 ver­ mittels einer Isolierhülse 48 um das äußere Zwischenverbin­ dungsmittel 30 von der Schulter 32 bis zur angebrachten Halte­ platte 52 erhalten werden. In gleicher Weise ist eine Isolie­ rung 60 zwischen der Anlageplatte 54 und der Halteplatte 52 angeordnet, um eine elektrische Verbindung zwischen der elek­ trischen Energiequelle und der Reaktorschale 70 zu verhindern, und um zu verhindern, daß diese ein Teil des elektrischen Kreislaufes wird. Ferner kann die Halteplatte 52 mit einer Isolierung bedeckt sein, um Stromstöße zu vermeiden.

Wenn man sich wieder der Fig. 2 zuwendet, ist das erste Ende 34 des äußeren Zwischenverbindungsmittels 30 permanent an ei­ nem elastischen Leiter 24 festgelegt. Der elastische Leiter 24 ermöglicht eine unabhängige Bewegung der elektrischen Kompo­ nenten, ohne den elektrischen Kontakt zu unterbrechen. Wenn das hitzebeständige Material in dem Reaktor sich aufheizt, dehnt es sich aus und einige der elektrischen Komponenten müs­ sen sich mit dem hitzebeständigen Material bewegen, da anson­ sten der elektrische Kontakt unterbrochen wird, wenn das Vor­ heizen beginnt. Es ist herausgefunden worden, daß ein elasti­ scher Leiter, welcher einen nicht-getragenen oder selbsttra­ genden Aufbau aufweist, dieses Merkmal aufweist. Vorzugsweise ist der elastische Leiter ein metallischer Leiter und weist die strukturelle Form einer Spiralspule, einer sinusartigen Wellenform, einer Schichtplatte oder einer Balgenkonstruktion auf, obwohl andere Konfigurationen verwendet werden können und Teil dieser Erfindung sind. Mehr bevorzugt ist die sinusarti­ ge Wellenform und am meisten bevorzugt ist diejenige, welche aus einer Nickel 200 Legierung hergestellt ist, welche zu 99,96 Gew.-% aus Nickel besteht. Da dieses Material durch das Widerstandsheizen erhitzt wird, kann es sich ausdehnen und sich mit dem sich ausdehnenden hitzebeständigen Material in jeder Richtung bewegen.

An seinem anderen Ende ist der elastische Leiter 24 an dem inneren Zwischenverbindungsmittel 18 angebracht, welches zur Verbindung mit einem Übergangsverbinder 12 aus nicht-metalli­ schem Material verwendet wird. Das innere Zwischenverbindungs­ mittel 18 weist ein erstes Ende 20 auf, welches in dem Über­ gangsverbinder aufgenommen werden kann, und ein zweites Ende 22, welches ein flacher Kopf ist, und somit gleicht das innere Zwischenverbindungsmittel 18 einem Stecker, welcher lösbar mit dem Übergangsverbinder 12 verbunden ist, z. B. durch eine Schraubverbindung.

Der Übergangsverbinder 12 besteht aus einem nicht-metalli­ schen, leitfähigen Material, welches dem des leitfähigen hit­ zebeständigen Materials gleicht, und besteht vorzugsweise aus Graphit. Der Übergangsverbinder 12 weist ein verjüngtes erstes Ende 14 und eine Öffnung an seinem zweiten Ende 16 auf, welche zur Aufnahme des inneren Zwischenverbindungsmittels 18 geeig­ net ist. Das verjüngte erste Ende 14 kann lösbare Verbindungs­ mittel aufweisen, wie z. B. ein weitgestrecktes Gewinde, wel­ ches zum Einpassen in ein entsprechendes Gewinde in einer ver­ jüngten Öffnung eines leitfähigen Graphitblocks 74 geeignet ist, beispielsweise wie ein Besenstielgewinde.

Der Übergangsverbinder 12 ist primär durch den leitfähigen hitzebeständigen Block 74 an Ort und Stelle gehalten, es kann jedoch eine isolierende Dichtung 68 ebenso zum Tragen des Übergangsverbinders 12 und zum Isolieren des Gehäuses von thermischen Verlusten von dem Reaktor verwendet werden. Ein geeignetes Material ist eine Tonerde-Kieselerde-Keramikfaser, welche die Form von Scheiben aufweist, die ein zentrales Loch für den Übergangsverbinder 12 haben. Andere Keramikmaterialien können in gleicher Weise in dieser Erfindung verwendet werden. Bevorzugt ist das Kaowool^TM-Tonerde-Kieselerde-Keramikisolier­ material von Babcock & Wilcox, Inc. In der oberen Heizanord­ nung 80 müssen der Übergangsverbinder 12 und die zugeordneten Komponenten unter der Mittellinie des Gehäuses 62 um 2,54 cm (1 Zoll) versetzt sein, um die nach oben gerichtete Expansion von fast 5,08 cm (2 Zoll) des hitzebeständigen Steins in einer 12,19 Meter (40 Fuß) hohen Steinreaktionszone aufzunehmen. Das leitfähige hitzebeständige Material 75 ist vorzugsweise ein Kohlenstoffstein und mehr bevorzugt ein Graphitstein, welcher die gleiche Zusammensetzung wie der hitzebeständige Stein 74 aufweist. Ein leitfähiger Graphitmörtel 76, vorzugsweise ein Graphit-Kieselerde-Mörtel, welcher leitfähig ist, wie z. B. Vitrex C^TM-leitfähiger Graphit-Kieselerdemörtel, welcher durch Atlas Minerals and Chemicals Division, Electric Storage Batte­ ry Co. hergestellt wird, dient zum Halten des hitzebeständigen Steins an Ort und Stelle.

Zwischen dem leitfähigen hitzebeständigen Stein 75 und der Reaktorbehälterwandung 70 ist eine Schicht von nicht leitfähi­ gem und thermisch isolierendem hitzebeständigem Material 72 angeordnet. Ein geeignetes Material kann geschäumtes Glas oder Kieselerdesteine umfassen, welche dazu verwendet werden, den leitfähigen hitzebeständigen Stein 75 elektrisch und thermisch von der Reaktorwandung 70 zu isolieren. Ein bevorzugter ther­ misch isolierender hitzebeständiger Stein 72 ist die Foam­ glas®-Zellenglasisolierung, hergestellt durch Pittsburgh Cor­ ning Company of Pittsburgh, PA. Ein weiteres bevorzugtes ther­ misch isolierendes Material ist THERMO-SIL® FOAM 50, welches in isolierende Kieselerdeblöcke geschmolzen ist, hergestellt durch Ceradyne Thermo Materials of Scottdale, Georgia, und welches vorzugsweise nahe den Heizanordnungen 10 angeordnet ist. Verschiedene Typen von hitzebeständigem Material können aufgrund der heißeren lokalisierten Erhitzung nahe der Heiz­ anordnung verwendet werden, z. B. THERMO-SIL® FOAM 50 am Ein­ laß, welcher die Heizanordnungen 10 umgibt, und Foamglas® am Rest des Reaktors. Oberhalb und unterhalb des erhitzten Be­ reichs des leitfähigen hitzebeständigen Steins 50 ist es nicht erforderlich, einen leitfähigen Stein vorzusehen und ein nicht-leitender, isolierender hitzebeständiger Stein 88 kann verwendet werden, wobei hier ein Tonerdestein typisch ist.

Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ist ein Verfahren zum Vorheizen von chemischen Reaktionsbehältern vor dem Beginn des Betriebs einer exothermen Reaktion, so daß der Reaktor von Umgebungsbedingungen auf die Temperatur erhitzt werden kann, bei welcher die exotherme Reaktion gestartet werden kann, und welche während des Betriebs beibehalten wird. Vorzugsweise ist ein chemischer Reaktionsbehälter vorgesehen, welcher wenig­ stens zwei Heizanordnungen, wie sie vorangehend beschrieben worden sind, aufweist, welche für das Vorheizen des Reaktors mit ungefähr 2000 Ampere und 10-15 Volt auf eine EIN-Stellung geschaltet werden, und so gelassen werden, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Dann werden die Heizanordnungen abge­ schaltet, und es wird dem Reaktor- Zuführmaterial ermöglicht, durch den Zuführmaterialeinlaß einzutreten, und nach dem Be­ rühren der heißen Umgebung des Reaktors tritt die gewünschte Reaktion auf und die Erzeugnisse und Nebenerzeugnisse, wenn es welche gibt, können über den Roherzeugnisauslaß austreten. Typische Beispiele derartiger Verfahren werden in thermischen Chloriervorrichtungen durchgeführt, welche Methylchlorid, Me­ thylenchlorid, Trichlormethan, Perchlorethylen, Trichlorethy­ len und Chlorallyl erzeugen.

Nachdem die vorliegende Erfindung in darstellender Weise be­ schrieben worden ist, erkennt der Fachmann leicht Alternativen und Äquivalente der Komponenten, welche bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es ist daher vorgesehen, daß die Erfindung lediglich durch den Umfang der nachfolgenden Ansprü­ che beschränkt ist.

Zusammengefaßt betrifft die vorliegende Erfindung eine Ein­ richtung und ein Verfahren zum elektrischen Erhitzen eines hitzebeständig verkleideten Behälters für chemische Verfahren oder eines Reaktors, welche einen elektrischen Strom verwen­ den, und welche eine Heizanordnung verwenden, wobei die Heiz­ anordnung einen Nickelleiter mit Windungen verwendet, welcher sich als eine Funktion des Wachstums eines Steins bewegen kann, wodurch sowohl eine Isolation als auch ein Durchsetzen einer Kesselwandung vorgesehen ist.

Claims (19)

1. Elektrische Heizanordnung (10) zum Vorheizen oder zum Steuern der Temperatur einer hitzebeständigen Verkleidung eines hitzebeständig verkleideten Behälters (78) für che­ mische Verfahren von der Umgebungstemperatur bis zu einer gewünschten oder Betriebstemperatur zum Betreiben eines chemischen Verfahrens, wobei die Heizanordnung (10) in Kombination umfaßt:

• a) ein an wenigstens einer Wandung (70) des Reaktors (78) angebrachtes und diese durchsetzendes Gehäuse (62) mit einem distalen Ende und einem zu der Reaktorwandung (70) proximalen Ende;
• b) wobei das distale Ende des Gehäuses (62) ein äu­ ßeres Zwischenverbindungsmittel (30) aufweist, welches das Gehäuse (62) in isolierter und abgedichteter Art und Weise durchsetzt, und wobei das äußere Zwischenverbin­ dungsmittel (30) ein erstes Ende (34) aufweist, welches mit einem elastischen Leiter (24) verbunden ist, sowie ein zweites Ende (36), welches mit einem Energiequellen­ verbinder (38) verbunden ist;
• c) wobei der elastische Leiter (24) an seinem ande­ ren Ende (26) mit dem zweiten Ende (22) eines inneren Zwischenverbindungsmittels (18) verbunden ist, welches mit seinem ersten Ende (20) elektrisch an einem Über­ gangsverbinder (12) angebracht ist;
• d) wobei der Übergangsverbinder (12) an seinem er­ sten Ende (14) mit einem leitfähigen hitzebeständigen Block (74) verbunden ist;
• e) wobei der leitfähige hitzebeständige Block (74) von der Reaktorbehälterwandung elektrisch isoliert ist und zu dieser einen Abstand aufweist und in leitendem Kontakt mit einer Mehrzahl von in gleicher Weise leitfähigen hit­ zebeständigen Blöcken steht, wodurch dann, wenn eine wei­ tere Heizanordnung (10) an einem beabstandeten leitfähi­ gen hitzebeständigen Block angebracht ist, eine angelegte Spannung bewirkt, daß ein Strom zwischen den Heizanord­ nungen (10) fließt und der leitfähige hitzebeständige Block zwischen diesen durch Widerstandsheizen erhitzt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (62) eine zylindrische Struktur aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur in einer Dichtungsplatte (50) mit einer zentralen Öffnung endet.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsplatte (50) ein Blindflansch (50) ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Zwischenverbindungsmittel (30) ein im all­ gemeinen zylindrischer Leiter ist mit einem offenen di­ stalen Ende (36) und einem proximalen Ende (34), welches einen Kopf und eine Schulter (32) aufweist, die an der Öffnung der Dichtungsplatte (50) anliegt, sowie einem Schaft, welcher sich durch die Öffnung hindurcherstreckt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Zwischenverbindungsmittel (30) von dem Gehäuse (62) und der Dichtungsplatte (50) durch Isolier­ mittel (46, 53, 60) isoliert ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Zwischenverbindungsmittel (30) ein dista­ les Ende (36) und ein proximales Ende (34) aufweist, wo­ bei das distale Ende (36) eine Öffnung aufweist zur Auf­ nahme eines Endes (40) eines Energiequellenverbinders (38), und wobei das proximale Ende (34) mit dem elasti­ schen Leiter (24) verbunden ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf des äußeren Zwischenverbindungsmittels (30) permanent an dem elastischen Leiter (24) festgelegt ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf des äußeren Zwischenverbindungsmittels (30) an dem elastischen Leiter (24) festgeschweißt ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Leiter (24) eine Struktur aufweist, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Spi­ ralspule, einer sinusartigen Wellenform und einer Balgen­ konstruktion besteht.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Leiter (24) eine sinusartige Wellen­ formstruktur aufweist und aus Nickel 200 besteht.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Zwischenverbindungsmittel (18) die Form eines festen metallischen Steckers mit einem Schaft auf­ weist, welcher ein Verbindungsmittel und einen flachen Kopfabschnitt aufweist, der quer zur Hauptachse des Schafts angeordnet ist.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft des inneren Zwischenverbindungsmittels (18) ein Gewindeverbindungsmittel trägt.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsverbinder (12) eine zylindrische Form aufweist und ein Aufnahmeende (16) für das Verbindungs­ mittel des inneren Zwischenverbinders (18) aufweist und an dem dem Aufnahmemittel für den inneren Zwischenverbin­ der (18) entgegengesetzten Ende ein verjüngtes Anbringungsmittel (14) zur Anbringung an einem leitfähi­ gen hitzebeständigen Block (74) aufweist.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Anbringungsmittel komplementäre breite relativ weit beabstandete Gewindegänge an dem verjüngten Anbrin­ gungsmittel und dem leitfähigen hitzebeständigen Block (74) umfaßt.

16. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der leitfähige hitzebeständige Block (74), welcher an dem Übergangsverbinder (12) angebracht ist, aus einem leitfähigen Graphitmaterial besteht.

17. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der leitfähige hitzebeständige Block aus einem leit­ fähigen Graphitmaterial besteht.

18. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (62) eine zylindrische Struktur aufweist und in einer Dichtungsplatte (50) mit einer zentralen Öffnung endet, wobei das äußere Zwischenverbindungsmittel (30) ein im allgemeinen zylindrischer Leiter mit einem offenen distalen Ende (36) und einem proximalen Ende (34) ist, welches einen Kopf und eine Schulter (32) aufweist, die an der Öffnung der Dichtungsplatte (50) anliegt, und mit einem Schaft, welcher sich durch die Öffnung hindurch erstreckt und von dem Gehäuse (62) und der Dichtungsplat­ te (50) durch Isoliermittel (46, 53, 60) elektrisch iso­ liert ist, wobei der Kopf des äußeren Zwischenverbin­ dungsmittels (30) permanent an dem elastischen Leiter (24) festgelegt ist, welcher eine sinusartige Wellen­ struktur aufweist und aus Nickel 200 besteht, wobei das innere Zwischenverbindungsmittel (18) die Form eines fe­ sten metallischen Steckers mit einem Schaft aufweist, welcher ein Verbindungsmittel enthält und einen flachen Kopf, welcher quer zur Hauptachse des Schafts steht, wo­ bei der Übergangsverbinder (12) von zylindrischer Form ist und ein Aufnahmeende für das Verbindungsmittel des inneren Zwischenverbinders (18) aufweist und an dem dem Aufnahmemittel für den inneren Zwischenverbinder (18) entgegengesetzten Ende ein verjüngtes Anbringungsmittel zur Anbringung an einem hitzebeständigen Block (74) auf­ weist, wobei sowohl der Übergangsverbinder (12) als auch der hitzebeständige Block (74) aus leitfähigem Graphitma­ terial bestehen.

19. Verfahren zum Vorheizen eines hitzebeständig verkleideten chemischen Reaktionsbehälters (78), umfassend das Vorse­ hen des Behälters (78) mit wenigstens zwei Heizanordnun­ gen (10) nach Anspruch 1, das Verbinden der Anordnungen (10) mit entgegengesetzten Polen einer elektrischen Gleichstromenergiequelle, das Aktivieren der Energie für eine ausreichende Zeit, um der hitzebeständigen Verklei­ dung zu ermöglichen, daß sie die gewünschte Temperatur erreicht, und dann Deaktivieren der Energie und Anschal­ ten des Zuführmaterialstroms für den Reaktionsbehälter (78) zum Beginnen des Betriebs des Verfahrens in dem Be­ hälter (78).