DE2709699A1

DE2709699A1 - Autoklav zur durchfuehrung von stoffumsetzungen unter hohen temperaturen und hohen druecken

Info

Publication number: DE2709699A1
Application number: DE19772709699
Authority: DE
Inventors: Karl Ing Grad Zickgraf
Original assignee: Khd Pritchard Ges fur Pl GmbH
Current assignee: Khd Pritchard Ges fur Pl GmbH
Priority date: 1977-03-05
Filing date: 1977-03-05
Publication date: 1978-09-07
Also published as: DE2709699C2; ZA781268B; PL205054A1; GB1586913A; NL7802323A; IL54166A0; FR2392714A1; IT7848275A0; DD134053A5; DK97478A; US4201745A; BE864572A; BR7801296A

Description

Anlage zum Patentgesuch der H 77/17

KHD-Pritchard GmbH k Gr/Wr

vom 1. März 1977 " ^/

Autoklav zur Durchführung von Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und hohen Drücken

Die Erfindung betrifft einen Autoklaven zur Durchführung von Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und hohen Drücken, insbesondere unter pulsierenden Drücken, mit einem Aufbau aus mehreren Schichten.

Unter Autoklaven werden Druckbehälter verstanden, welche beispielsweise in der chemischen Industrie als wichtiges Betriebsmittel eingesetzt sind, um Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und hohen Drücken betriebssicher durchführen zu können.

Je nach Art der besonderen Beanspruchung, beispielsweise entsprechend den Eigenschaften von in einem Autoklaven eingesetzten Stoffen sowie entsprechend den verschiedenen Betriebsverhältnissen und Verwendungszwecken, ergibt sich für einen Autoklaven ein bestimmter Grundaufbau, gegebenenfalls mit einer speziellen Ausrüstung von Armaturen und/oder Meßgeräten sowie einer individuellen Art der Aufstellung und Betriebsweise.

An Autoklaven werden naturgemäß besondere Anforderungen hinsichtlich der Betriebssicherheit gestellt. Deshalb unterlie-

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gen solche Betriebseinrichtungen den bekannten allgemeinen Sicherheitsbestimmungen für Druckbehälter und bei Verwendung im Zusammenhang mit besonderen Technologien wie beispielsweise Kernreaktoren, darüberhinaus verschärften und speziellen Sicherheitsbestimmungen.

Dabei kann es notwendig sein, einen Autoklaven zum Schutz gegen gleichzeitig auftretende verschiedenartige Beanspruchungen, beispielsweise durch Hitze, Druck, Korrosion, Strahlung etc. aus mehreren spezifisch resistenten Schichten aufzubauen, um den Autoklavenkörper vor den gleichzeitig auftretenden unterschiedlichen Belastungen sicher zu schützen.

Beispielsweise ist aus der US-PS 3»494,829 ein Autoklav bekannt geworden, welcher in der Darstellung gemäß Fig. 1 einen äußeren Strahlenschutzmantel sowie eine innere als Hitzereflektor dienende Schicht aufweist. Der Erfindung liegt die spezielle Aufgabe zugrunde, einen Autoklaven zu schaffen, welcher sich für Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und Drücken eignet, wobei noch die Anwendung von pulsierenden Drücken sowie die Anwesenheit von Wasserstoffgas erschwerend ins Gewicht fällt. Ein solcher Autoklav wird beispielsweise als Reaktor für die Direktvergasung von Kohle mittels Wasserstoff bei pulsieren-

den Drücken zwischen O und 100 kp/cm und bei Temperaturen

von ca. 1.000° C eingesetzt.

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Dabei ergeben sich gleichzeitig drei kritische Beanspruchungen;

a) pulsierender Druck

b) hohe Temperatur

c) Aggressivität des Wasserstoffes.

Die hieraus resultierende besonders schwierige Aufgabe beim Bau eines Autoklaven wird mit der Erfindung gelöst durch einen inneren, gegenüber dem Medium abdichtenden Hohlkörper aus korrosions- und temperaturbeständigem Material, eine diesen inneren Hohlkörper umgebende mittlere Schicht aus wärmedämmendem sowie formbeständigem Material, sowie einen diese mittlere Schicht umschließenden, die vom inneren Hohlkörper über die mittlere Schicht nach außen übertragenen Kräfte auffangenden äußeren Mantel.

Auf diese Weise ist gewährleistet, daß jede Schicht aus einer den jeweiligen spezifischen Belastungen entsprechenden ganz speziellen Materialqualität besteht, wie beispielsweise der innere Hohlkörper aus einer korrosions- und hochhitzebeständigen Sikromalqualität. Dagegen werden andererseits an diesen inneren Hohlkörper nur geringe Anforderungen hinsichtlich seiner Festigkeit gestellt, weil er von der mittleren Schicht getragen wird, welche entsprechend ihrer besonderen Funktion der thermischen Isolierung aus wärmedämmendem sowie formbeständigem Material besteht und sich ihrerseits gegen

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den sie tragenden äußeren Mantel abstützt, dessen alleinige Funktion die Kompensation aller von innen nach außen wirkenden Kräfte ist, wobei dieser äußere Mantel seinerseits von Beanspruchungen zum Beispiel durch hohe Temperaturen und Korrosion durch die mittlere sowie innere Schicht fast vollständig entlastet ist.

Eine Ausgestaltung der Vorrichtung sieht dabei vor, daß der äußere Mantel eine Druckentlastungsbohrung aufweist. Auf diese Weise wird mit Sicherheit vermieden, daß gegebenenfalls durch Poren im Hohlkörper hindurchdiffundierendes Wasserstoffgas einen Druckaufbau zwischen dem inneren Hohlkörper und dem äußeren Mantel hervorrufen könnte.

Weiterhin ist in zweckmäßiger Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung vorgesehen, daß der innere Hohlkörper ein Wellrohr ist.

Die Gestaltung des inneren Hohlkörpers als Wellrohr ist für die Erfindung besonders wichtig, weil hierdurch eine vorzugsweise Kompensation der Längsdehnung infolge Temperatureinwirkung erreicht wird, ohne daß Spannungen im Materialgefüge oder gar örtliche Deformierungen des inneren Hohlkörpers eintreten.

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Entsprechend der speziellen Funktion jeder einzelnen Schicht muß jede dieser Schichten die durch Kräfte oder Wärme entstehenden Spannungen unabhängig von der ihr benachbarten Schicht mittels einer Relativbewegung, ausgleichen können. Zum anderen muß aber zwischen jeder dieser Schichten eine satte aber zwanglose Auflage gewährleistet sein, um radiale oder axiale Kräfte gleichmäßig zu übertragen. Aus diesem Grunde ist mit der Erfindung weiterhin vorgesehen, daß zwischen dem Wellrohr und der wärmedämmenden mittleren Schicht Formkörper eingelegt sind und zwar so, daß sie Relativbewegungen zwischen dem Wellrohr und der Mittelschicht zulassen. Infolgedessen wird hierfür eine verhältnismäßig lose Passung gewählt. Durch die Formkörper ist andererseits in zweckmäßiger Weise gewährleistet, daß die mittlere Schicht gegenüber dem Wellrohr eine glatte zylindrische Fläche aufweisen kann, was unter anderem aus fertigungstechnischen Gründen besonders vorteilhaft ist.

Dabei kann das Wellrohr eine rotationssymmetrische Anordnung der Wellenkontur aufweisen, es kann aber auch eine schraubenförmige Anordnung der Wellenkontur aufweisen. Diejenige Form, welche von beiden Möglichkeiten der einander annähernd gleichwertigen, das heißt funktionsäquivalenten Ausführungen gewählt wird, liegt im Ermessen des Fachmannes.

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Die schraubenförmige Anordnung kann beispielsweise den Vor teil aufweisen, daß der Einbau des Wellenrohres dadurch er leichtert wird, auch kann diese gegebenenfalls fertigungstechnische Vorteile bei der Herstellung des Wellrohres erbringen.

Hinsichtlich der Punktion des inneren Hohlkörpers beim erfindungsgemäßen Autoklaven sind Jedoch beide Ausführungen annähernd gleichwertig.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die wärmedämmende Hittelschicht Dehnungs- und Gleitfugen aufweist. Diese können sowohl in radialer als auch in axialer Richtung verlaufen und dienen der Unterstützung des Dehnungsverhaltens in unterschiedlichen Temperatur- und Schichtenzonen. Dabei war zu berücksichtigen, daß zum Beispiel die mittlere Schicht Temperaturgradienten von einigen 100° C innerhalb ihrer Wandung aufweist und zu kompensieren hat.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Wellrohr stirnseitig gegenüber dem äußeren Mantel durch eine Scheibe aus korrosions- und temperaturbeständigem Material reaktionsmediendicht abgeschlossen ist. Durch diese Ausführung wird mit Sicherheit verhindert, daß heißes Wasserstoffgas unter Druck zwischen die Schichten gelangt und dabei Zerstörungen verursacht.

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Weiterhin ist vorgesehen, daß die Scheibe rillenförmige oder wellenförmige Verformungen aufweist. Zweckmäßig ist hierbei die Scheibe in konzentrischen Rillen gewellt.

Diese Ausführung dient ebenfalls der gefahrlosen, wiederholten Kompensation von häufig eintretenden Wärmeausdehnungen im Materialgefüge der Scheibe und verhindert die Entstehung sowohl unzulässiger Spannungen als auch Deformationen im Material der Scheibe. Und schließlich ist vorgesehen, daß das Wellrohr mit der Scheibe verschweißt ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Erkenntnisse über die Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und Erläuterung eines in der Zeichnung dargestellten Autoklaven, welcher zur Direktvergasung von Kohle mittels Wasserstoff bei pulsierenden Drücken zwischen O und 100 kp/cm und Temperaturen um ca. 1.000° C Anwendung findet.

Fiff. 1 stellt den Autoklaven nach der Erfindung im Schnitt dar,

Fig. 2 stellt Einzelheiten des Autoklaven in vergrößertem Maßstab, ebenfalls im Schnitt dar.

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Fig. 1 zeigt den Autoklaven 1, welcher aus dem Hauptkörper mit den beiden Verschlußteilen 3 und 4 besteht. Diese sind mittels Flanschen 5 und 6 unter Einlage von Spezialdichtungen 7 lösbar miteinander verbunden.

Der Hauptkörper 2 weist den Innenraum 8 auf, welcher den eigentlichen Reaktionsraum des Autoklaven darstellt. Dieser Innenraum 8 wird begrenzt durch den als Wellrohr 9 ausgebildeten inneren Hohlkörper 10. Dabei besteht das Wellrohr 9, welches der Beanspruchung durch extreme Wärme und korrosive, gasförmige Medien ausgesetzt ist, beispielsweise aus einem verhältnismäßig dünnen Blechmantel aus hochhitzebeständigem und korrosionsresistentem Sicromal. Weil jedoch das Material des Wellrohres 9 bei extrem hohen Temperaturen nicht mehr in der Lage ist, den Festigkeitsanforderungen gegenüber dem Druck im Innenraum 8 des Autoklaven 1 zu entsprechen, ist das Wellrohr 9 mit einer umgebenden Schicht 11 hinterfüttert und dadurch von den Kräften durch den Innendruck entlastet. Die mittlere Schicht 11 besteht ihrerseits aus feuerfestem, druckbeständigem Material, beispielsweise feuerfesten Steinen oder feuerfestem Zement.

Diese mittlere Schicht hat demnach zwei Funktionen, nämlich erstens das Wellrohr zu stützen und die vom Wellrohr radial nach außen übertragenen Kräfte auf den Außenmantel 12 zu übertragen, und zweitens den Innenraum 8 des Reaktors nach außen hin zu isolieren.

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Der Außenmantel 12 hat die Funktion, die Kräfte aus dem Inneren des Autoklaven zu kompensieren. Demgemäß ist der Außenmantel 12 ein druckfester Behälter, beispielsweise aus Kesselstahl von entsprechender Wandstärke mit einer Festigkeit von 60 kp/mm . Der Außenmantel weist ferner eine Druckentlastungsbohrung 13 auf, welche verhindert, daß durch das Gefüge des Wellrohres 9 hindurchdiffundierendes Wasserstoffgas einen schädlichen Druckaufbau zwischen dem Wellrohr 9 und dem Außenmantel 12 herbeiführen kann.

Wenn die mittlere Schicht 11, wie im vorliegenden Beispiel, mit einer glatten zylindrischen Innenfläche 14 ausgestattet ist, dann erweist es sich als zweckmäßig, zwischen den durch die Wellen des Wellrohres 9 gebildeten Hohlräumen 13 und der zylindrischen Innenfläche 14 sogenannte Stützkörper 16 einzulagern, welche das Wellrohr stützen. Dabei ist die Passung so gewählt, daß das Wellrohr 9 mit den Formkörpern gegenüber der zylindrischen Innenfläche 14 der mittleren Schicht 11 eine Relativbewegung in axialer Richtung machen kann.

Wie aus der Darstellung gemäß Fig. 1 weiter hervorgeht, ist das Wellrohr 9 an seiner Stirnseite mit einer ebenfalls gewellten Abschlußscheibe 17 reaktionsmediendicht verbunden, indem beide an der Stelle 18 miteinander verschweißt sind.

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Die Abschlußscheibe 17 ihrerseits ist mit dem Außenmantel 12 an der Stelle 19 ebenfalls durch eine reaktionsmediendichte Schweißnaht verbunden.

Auf diese Weise ist ein hermetischer Verschluß des Innenraumes 8 gegenüber dem Außenmantel 12 gewährleistet. Bezüglich der mittleren Schicht 11 ist noch zu erwähnen, daß diese beispielsweise aus feuerfesten und druckfesten Formsteinen 20 bestehen kann, wie dies in der rechten Seite von Fig. 1 bildlich dargestellt ist. Aber auch jede bekannte Art von Feuerfest-Zement ist geeignet.

In logischer übertragung des Aufbaues vom Hauptkörper 2 auf die Verschlußteile 3 und 4 sind diese ebenfalls in der Weise aufgebaut, daß sie eine gasdichte, temperatur- und korrosionsbeständige innere Schicht 21 aufweisen, die ihrerseits mit einer feuerfesten wärmedämmenden und stützenden Schicht hinterfüttert ist, welche entsprechend der mittleren Schicht des Hauptkörpers 2 ihrerseits von einem Außenmantel 23 druckfest umschlossen ist. Zur Überwachung der Temperatur kann beispielsweise im Verschlußteil 3 ein Meßsondenkanal 24 angeordnet sein.

Im Falle der Verwendung des Autoklaven 1 als Versuchsreaktor ist dieser beispielsweise in weiterer Ausgestaltung in der mittleren Schicht 11 mit einer elektrischen Heizwicklung 25

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ausgestattet. Auch können, wie aus Fig. 1 hervorgeht, in der äußeren Zone der mittleren Schicht 11 zur Wärmeabfuhr Kühlmittelrohre 26 eingebettet sein. Fig. 2 zeigt im Detail einen vergrößerten Ausschnitt des Autoklaven 1. Man erkennt das Wellrohr 9» die mittlere Schicht 11 sowie den Außenmantel 12, welcher durch eine Schweißnaht 27 mit dem Flansch 28 verbunden ist.

Ferner ist die Abschlußscheibe 17 durch die Schweißnaht 19 mit dem Flansch 28 und durch die Schweißnaht 18 mit dem Wellrohr 9 reaktionsmediendicht verbunden. Die Abschlußscheibe 17 weist in dem Bereich des Wellrohres 9 eine Verformung durch konzentrische Rillen auf, wovon die einzelnen Rillen 29 deutlich zu erkennen sind. Weiterhin erkennt man die Formkörper 16, welche die Hohlräume 15 des Wellrohres 9 gegenüber der zylindrischen Innenfläche 14 der mittleren Schicht 11 ausfüllen. Die mittlere Schicht 11 besteht ihrerseits aus den feuerfesten Steinen 20, welche lose oder auch mit einem feuerfesten Bindemittel zwischen Wellrohr 9 und Außenmantel 12 eingefügt sind. Schließlich zeigt die Darstellung nach Fig. 2 noch die Spezialdichtung 7, zum Beispiel aus relativ weichem Chromnickelstahl, welche eine absolut dichtende Verbindung zwischen den Flanschen 5 bzw. 6 herstellt.

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Der Autoklav nach den Fig. 1 und 2 ist lediglich als Beispiel einer Ausführung der Erfindung zu verstehen. Ein solcher Autoklav läßt sich hinsichtlich seiner Lage, seiner räumlichen Ausgestaltung, seiner fertigungstechnischen Details, seiner Ausstattung mit Zusatzeinrichtungen und Geräten aller Art etc. in weiten Grenzen abändern und variieren. Solche Ausführungsvarianten fallen indessen unter die Erfindung, sofern sie einem der folgenden Patentansprüche genügen.

Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

,1· Autoklav zur Durchführung von Stoffumsetzungen unter hohen Temperaturen und hohen Drücken, insbesondere unter pulsierenden Drücken.mit einem Aufbau aus mehreren Schichten, gekennzeichnet durch einen inneren, gegenüber dem Medium abdichtenden Hohlkörper (10) aus korrosions- und temperaturbeständigem Material, eine diesen inneren Hohlkörper (10) umgebende mittlere Schicht (11) aus wärmedämmendem sowie formbeständigem Material sowie einen diese mittlere Schicht (11) umschließenden, die vom inneren Hohlkörper (10) über die mittlere Schicht (11) nach außen übertragenen Kräfte auffangenden Außenmantel (12).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (12) eine Druckentlastungsbohrung (13) aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Hohlkörper (10) ein Wellrohr (9) ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wellrohr (9) und der mittleren Schicht (11) Formkörper (16) eingelegt sind.

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ORIGINAL INSPECTED

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellrohr (9) eine rotationssymmetrische Anordnung der Wellenkontur aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellrohr (9) eine schraubenlinienförmige Anordnung der Wellenkontir aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper (16) mit einer Gleitbewegungen zwischen Wellrohr (9) und mittlerer Schicht (11) zulassenden relativ losen Passung eingelegt sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7_f dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht (11) Dehnungs- und Gleitfugen aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellrohr(9)stirnseitig gegenüber dem Außenmantel (12) durch eine Abschlußscheibe (17) aus korrosions- und temperaturbeständigem Material reaktionsmediendicht abgeschlossen ist.
10. Vorrichtung nach dem Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußscheibe (17) rillenförmige oder wellenförmige Verformungen (29) aufweist.

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11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußscheibe (17) konzentrische Rillen (29) aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellrohr (9) und der Außenmantel (12) mit der Abschlußscheibe (17) reaktionsmediendicht verschweißt ist.

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