DE8714113U1

DE8714113U1 - Druckbehälter

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Publication number: DE8714113U1
Application number: DE8714113U
Authority: DE
Original assignee: KASYCO UNTERNEHMENSBERATUNGSGESELLSCHAFT MBH 4300 ESSEN DE
Current assignee: KASYCO UNTERNEHMENSBERATUNGSGESELLSCHAFT MBH 4300 ESSEN DE
Priority date: 1986-11-13
Filing date: 1987-10-22
Publication date: 1988-01-07

Description

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Ünternehmensberatungsgesellschaft mbH, Essen
Druckbehälter

Die Erfindung betrifft die Herstellung Von insbesondere
großvolumigen Druckbehältern, bei denen der drucktragende
Mantel aus mehreren Teilen, die miteinander verbunden, sind,
besteht.

Es ist bereits ein Hersteiiverfähren für- Druckbehälter bekannt geworden, bei dem der Behälterdruckmantel in Schalen·^
bauweise gefertigt ist, d.h. aus normalerweise mehreren
Lagen relativ dünner Bleche, die zu zylindrischen Halbschalen gewalzt und miteinander innerhalb jeder Lage verschweißt werden, besteht. Dabei ist die Abmessung der
Bleche so gewählt, daß der Schweißspalt ein definiertes
Volumen einnimmt, so daß bei der Abkühlung der Schweißnaht,
die die jeweilige Lage schließt, eine Schrumpfvorspannung
auf die darunterliegende Lage erzeugt wird. Obwohl derartige
Mehrlagenbehälter das Material wegen der relativ gleichmäßigen Spannungsverteilung gut ausnützen, sind sie - nicht
zuletzt aber gerade deswegen - sehr teuer bzw. ihre An- | fertigung sehr aufwendig. Darüber hinaus ist das Volumen | der heute herstellbaren Druckbehälter wegen der damit i zusammenhängenden Abmessungen und Gewichte aus Fertigungs- | und Transportgründen beschränkt, obwohl die in ihnen ab- | laufenden, meist chemischen Prozesse, viel wirtschaftlicher | durchgeführt werden könnten, wenn die Behälter größer und ... |

damit billiger wären. |

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine wirtschaftlichere i Fertigungsmethode zum Bau von Druckbehältern anzugeben. Da

die heutigen Fertigungsgrenzen - insbesondere im Hochdruck- _; bereich - bei Behälter-Innendurchmessern von 3 bis 4 m

liegen, ist es ferner Aufgabe· der Erfindung, die Fertigung ^

von Druckbehältern - auch im Höchstdruckbereich - von |

wesentlich größeren Innendurchmessern, bei praktisch unbe- I

grenzter Höhe bzw. Länge, zu ermöglichen. |

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Die Aufgabe wird dadurch gelöst j daß der Druckbehälter aus einer Kombination, bestehend aus Radiälelementen zur Aufnahme der Radialkräfte und aus Äxialelementen zur Aufnahme der Äxialkräfte, besteht. Eine besonders bevorzugte Anordnung ist die, daß z.B. bei einem stehenden Druckbehälter d.er Druckmantel aus übereinander aufgeschichteten ebenen bzw. scheibenförmig flachen Ringen besteht, die durch vertikale *

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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden·' die Behälterboden oder Deckel bzw. Flanschen mit dem meistens zylindrischen Mantel durch die axial angeordneten Spannelemente verbunden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird - besonders bei gewölbten Böden - der Behälterboden aus möglichst eng anein-^ anderliegenden, sternförmig von der Behälterwand zur Achse hin verlaufenden, einzelnen Rippenelementen gebildet, die von einem zentral in der Achse angeordneten Kollektorring erfaßt und mit diesem verbunden werden. Dabei ist es im Sinne der Erfindung gleichgültig, ob die Rippenelemente mit dem Kollektorring z.B durch Schweißen, Verschrauben oder formschlüssig verbunden werden. Auch ist es für den erfinderischen Gedanken gleichgültig, ob die axial angeordneten Spannelemente innerhalb oder außerhalb der übereinander angeordneten Ringe verlaufen.

Die vorgenannte Art der Herstellung von Druckbehältern hat mehrere Vorteile. Zunächst ist ihre komplette Herstellung nicht auf das Herstellerwerk beschränkt, sondern kann auf der Baustelle erfolgen, da nur relativ leichte bzw. kleine Elemente transportiert und auf der Baustelle gehoben werden müssen. Das größte Element derartiger Behälter ist das radiale Ringelement, das zwar den Durchmesser des Behälters, aber nur eine geringe Dicke von z.B. 100 mm besitzt.

Dadurch entfallen die bisherigen Einschränkungen für den Bau großer Druckbehälter wie sie z.B. in den begrenzten Transport- Cder Hebemöglichkeiten von Gefäßen größer Abmessungen und Gewichte gegeben sind. Die Ringelemente lassen sich besonders materialsparend d.h. mit gleichmäßiger Materialbeanspruchung und damit optimaler Materiälausnutzung fertigen, wenn sie aus mehreren konzentrischen Ringen, die eiir-h aus verschiedenen Materialien bestehen können, zusammen-

gefügt werden, wobei im Innenring eine Druckvorspannung, nach außen hin eine Zugspannung erzeugt wird. Eine befriedigende Spannungsverteilung laßt sich aber normalerweise schon dadurch erreichen, daß die Rinc,e aus gebogenem Flachstahl hergestellt werden, wobei durch das Biegen die gewünschte Vorspannung erzeugt werden kann* Derartige Ringelemente lassen sich aber auch .leicht, und zwar mechanisch durch Autofrettage in ihrer Zugstreckgrenze durch innere Aufweitung bis hin zur plastischen Verformung und nachfolgender Entspannung verbessern.

Entsprechend der vorgeschlagenen Erfindung ist aber auch eine Kombination von Radial- und Axialelementen in der Weise denkbar, daß die Behälterwand - von innen nach außen hetraehtet - von axial dicht nebeneinander angeordneten Längsxippen gebildet wird, die durch ringförmige, die Längsrippen senkrecht in ihrem Verlauf umschließende, äußere Elemente verspannt werden.

ICn jedem Fall können Druckbehälter der vorgenannten Art aus vorgefertigten Einzelelementen auch auf der Baustelle ohne aufwendige, an das Herstellerwerk gebundene Schweiß-, Wickel-, Schrumpf- oder Wärmebehandlungsarbeiten montiert werden, was wegen der damit verbundenen Möglichkeit, Behälterdimensionen bisher nicht erreichter Größe zu realisieren, von erheblichem Vorteil ist. Auch verfügen Behälter der vorgenannten Art über eine hervorragende Elastizität, da sie sowohl in radialer wie auch in axialer Richtung gezielt vorgespannt werden können, wodurch sie besonders bei wechselnder Druckbeanspruchung ein ausgezeichnetes Betriebsverhalten zeigen.

Insbesondere für große Reaktordurchmesser sind die Rippenelemente der Deckel bzw. Bftdßn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung so gestaltet, daß sie entsprechend ihrer zur Behälterboderimitte hin abnehmenden Querschnittsbreite eine zunehmende Querschnittsdicke aufweisen, die nach Möglichkeit an jeder Stelle des Rippenelementes eine im wesentlichen gleich große Materialbeanspruchung ergibt. Weiterhin kann der Zusammenhalt der einzelnen Rippenelemente untereinander dadurch verstärkt werden, daß die Rippen an ihren Längsflanken miteinander verschweißt werden oder zw,i-10 sehen ihren inneren und äußeren Enden durch eine z.B. aus Schraubenbolzen bestehende Querverbindung miteinander verbunden sind.

Reaktionen, die unter erhöhten Temperaturen und unter erhöhtem Druck ablaufen, werden in Reaktorbehältern durchgeführt, deren Wände entweder Drück und Temperatur gleichzeitig widerstehen müssen (heiße Wand) oder aber nur dem Druck, nicht aber der Reaktionstemperatur ausgesetzt sind (kalte Wand). Im letzteren Fall befindet sich zwischen der Reaktionszone und der drucktragenden Behälterwand eine Isolationsschicht, die eine Temperaturbeanspruchung der Behälterwand verhindert. Dabei hat es sich im technischen Betrieb als zweckmäßig erwiesen, zwischen der Isolationsschicht und dem Reaktionsraum eine meistens metallische dünne Schicht (Innenhemd) zu installieren, die dafür sorgt, daß die Isolationsschicht nicht mit den reagierenden Stoffen in Berührung kommt, um Abrieb oder auch aufgrund von Temperatur- oder Druckschwankungen insbesondere im Überkopfbereich am oberen Abschluß des Reaktorbehälters mögliche Zerstörungen der Isolationsschicht zu verhindern. Durch diese Kammerung der Isolationsschicht wird eine gleichbleibende Isolationswirkung erzielt und erfolgt auch eine Fixierung der Isolationsschicht.

Bei dieser Art des dreischichtigen Reaktorwandaufbaues hat man bisher, insbesondere bei hohen Reaktionsdrücken, auch die Isolationsschicht selber unter Gasdruck gesetzt. Dies war notwendig, um die hohe Flächenpressung, der das Isels*-io !!material wegen des großen Innendruckes ausgesetzt und nicht gewachsen war zu verhindern. Aus diesem Grund wurde ein Druckausgleich zwischei den Reaktionsraum und der Isolationsschicht hergestellt, indem man ein Gas in die Isolationsschicht einpreßte oder aber zumin-

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dest ein Reaktionsmedium in gasförmigem Zustand durch die die Isolationsschicht schützende Auskleidung diffundieren und auf diese Weise einen Druck in der Isolationsschicht erzeugen ließ. In beiden Fällen muß, als notwendige zusätzliche konstruktive Maßnahme, einerseits ein Gaszufuhrsystern vorgesehen werden, um den Gegendruck in der Isolationsschicht aufrechtzuerhalten, und andererseits der drucktragende Mantel des Reaktorbehälters selber gasdicht ausgeführt sein, z.B. durch gasdichtes Verschweißen der Einzelelemente der Behälterwand und Behälterboden, oder statt f einer gasdichten Ausführung des Mantels selber ein weiteres gas- | dichtes Innenhemd zwischen der Isolationsschicht und dem druck- j

tragenden Behältermantül installiert werden. f

Aufgrund des etwa gleichhohen Druckes in der Isolations- |

schicht wie im Reaktor kann es jedoch zu erheblichen Schwierig- I keiten kommen, die insbesondere darin bestehen, daß bei einem plötzlichen Druckabfall im Reaktor das relativ dünne, die Isolationsschicht schützende Innenhemd den in der Isolationsschicht herrschenden überdruck nicht halten kann und infolgedessen Innen-⁵ hemd und Isolationsschicht in den Reaktor hinein implodieren. ' Ein einziger Druckabfall kann also zu einer Beschädigung bzw. Zerstörung des Reaktors führen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß durch den hohen Gasdruck in den Poren des Isolationsmaterials eine hohe Gasdichte herrscht und dadurch ein sehr starker Wärmetransport durch die Isolationsschicht hindurch zur Behälteraußenwand erfolgt. Der Wärmetransport einer unter Gasdruck stehenden Isolationsschicht kann je nach Druckhöhe um ein Vielfaches höher sein gegenüber einer unter Atmosphärendruck stehenden Isolationsschicht.

Die Technik der kalten Wand mit innenliegendem Schutzhemd und unter Druck stehender Isolationsschicht wurde insbesondere bei der bis 1945 in Deutschland durchgeführten großtechnischen Herstellung von Treibstoffen aus Teeren und Kohle angewandt. Sämtliche Reaktoren, die bei Drücken bis zu 700 bar und Temperaturen bis 500° C betrieben wurden, waren mit einer unter Öetriebsdruük Stehenden Isolationsschicht ausgeführt. Dabei | wurden Leiöhtschamöttesteine oder auch Zömentäsbest zur Herstel*- | lung der Isolationsschicht verwendet. 1

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um die mit der vorstehend geschilderten, bekannten Art des Reaktorwandsufbaues verbundenen Nachteile und Schwierigkeiten zu verhindern, besteht eine erfindungsgemäße Weiterbildung eines thermisch und druckmäßig hoch zu beaufschlagenden Reaktionsbehälters darin, daß der drucktragende Mantel des Behälters, der nicht selber gasdicht ausgeführt ist, gegenüber dem Reaktionsraum des Behälters durch ein dichtes und relativ dünnwandiges Schutzhemd abgetrennt ist und zwischen dem Mantel und dem Schutzhemd eine Isolationsschicht aus einem Werkstoff angebracht ist, dessen Druckfestigkeit wenigstens der durch den Behälterinnendruck auf das Schutzhemd ausgeübten Flächenpressung entspricht, und daß die Isolationsschicht unmittelbar auf die Innenseite des drucktragenden Mantels aufgebracht ist und durch den Mantel hindurch im Druckausgleich mit der Umgebuhg auf der Außenseite des Mantels steht. Je nach Art der im Inneren des Behälters ablaufenden Reaktionen kann das die Isolationsschicht bedeckende und schützende Innenhemd beispielsweise aus Edelstahl, Tantal, Weicheisen, Teflon usw. bestehen. Für die aus hochdruckfestem Material bestehende Isolationsschicht bieten sich heutige neuartige Werkstoffe aus z.B. Aluminiumoxydkeramik an, die eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit haben und die höchsten Temperaturen von weit über 500° C sowie Flächenpressungen von bis zu 800 kp/cm ausgesetzt werden können. Darüber hinaus verfügen diese meist aus mehreren Komponenten bestehenden, in den Reaktor eingebrachten Mischungen über ein sehr geringes Schwundmaß beim Aushärten.

Werkstoffe der vorgenannten Art werden beispielsweise unter dem Handelsnamen Cotronics vertrieben.

Dadurch, daß für die Wärmeisolation des Behältermantels ein« Isolationsschicht verwendet wird, die selber druckfest ist und weder unter Gasdruck gesetzt zu werden braucht noch unter Gasdruck steht und in deren Poren also kein überdruck herrscht, entstehen mehrere, zum Teil erhebliche Vorteile gegenüber der bisherigen Reaktorwandkonstruktion mit einer Isolationsschicht aus dem bisher bekannten und gebräuchlichen, druckmäßig nicht stark belastbaren und deswegen einen Gasinnendjiuck benötigenden Material. Der diiucktragende Außenmäntel des Reaktorbehältefs muß nicht mehr gasdicht sein, da er keinen Gasdruck zu halten hat, er darf sogar nicht gasdicht sein. Dies bedeutet erhebliche

Kosteneinsparungen bzw. konstruktive Freiheiten beim Bau des ; Druckisiantels. Darüber hinaus entfallen die bisher notwendigen

j zusätzlichen Einrichtungen, um einen Gasdruck in der Isolations-

! schicht aufrechtzuerhalten. Die Isolationsschicht steht vielmehr

J 5 unter dem in der Umgebung des Reaktionsbehälters herrschenden &igr; Außendruck bzw. Atmosphärendruck. Durch den niedrigen Druck in

der Isolationsschicht ist auch die Wärmeleitzahl der Isolation

! sehr gering, da der bei den bisher angewendeten Isolationsschich-

fceva in den unter Gasdruck stehenden Porenräumen sehr viel höhere Wärmetransport entfällt. Hierdurch wird in Verbindung mit heute vex-fügbaren, besseren Isolationsstoffen eine weitere Einsparung an. Isolationsmaterial und damit ein weiterer Kostenvorteil erzielt.,,

Das die druckfeste Isolationsschicht schützende Innenhemd ist insbesondere bei hohen Temperaturen und beim Reaktorbetrieb mit Wasserstoffgasen nicht gasdicht, sondern es diffundiert ein gev<isser Teil an Gasen durch das Innenhemd in die Isolation. Da

' die Isolation jedoch nicht selbst gasdicht ist und über den eben-

falls nicht gedienten, drucktragenden Behälteraußenmantel im Druckausgleich mit der Außenatmosphäre steht, kann sich in der Isolationsschicht kein Gasdruck ausbilden, der zu einer erhöhten Wärmeleitung und zu einer Implosionsgefahr führen würde. Die Diffusionsgase werden durch die Reaktorwand nach außen in die Atmosphäre abgeführt. Die Menge der Diffusionsgase ist in der Regel sehr gering, so daß auf eine Rückgewinnung verzichtet werden kann und die diffundierte Gasmenge auch kein Gefahrenpotenti; darstellt. Wie bereits erwähnt, muß der drucktragende Reaktorbehältermantel gasdurchlässig sein, wozu sich insbesondere der scheibenförmige Aufbau der Reaktorwand empfiehlt, bei dem die Ringe ohne Dichtung aufeinandergelegt sind und dem in die Isolation hineindiffundierenden Wasserstoff genügend Entweichungsmöglichkeiten bieten.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßi Dji'uckbehälters mit kugelförmigen Böden dargestellt, bei dem die j 35 die Raclialkfäfte aufnehmenden Ringelemente mit den in axialer

Richtung verlaufenden, außen angeordneten Zügelementen verspannt Sind und die die kugelförmigen Böden bildenden Rippenelemente in ! die Vorspannung einbegogen sind. Eis zeigen

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Figur 1 einen Längsschnitt durch den Druckbehälter, Figur 2 eine Draufsicht auf einen Behälterboden, Figur 3 ein einzelnes Rippenelement eines Bodens, Figur 4 einen Teil des drucktragenden Behältermantels mit innenseitiger Wärmeisolation im Längsschnitt, Figur 5 eine andere Ausführungsform eines Rippenelementes eines

Behälterbodens.

Der drucktragende Mantel des dargestellten Behälters besteht aus mehreren Ringelementen 1, die die radial auf den Mantel einwirkenden Kräfte aufnehmen, und mehreren axial &ngr; erlaufenden Spann bzw. Zugelementen ?, durch die die Ringelemente 1 axial verspannt sind und von denen die axial einwirkenden Kräfte aufgenommen werden. Jeder Behälterboden besteht aus mehreren Rippenelementen 3, die an der Mitte des Behälterbodens bzw. an der Längsachse des normalerweise zylindrischen Behältermantels durch einen Kollektor ring 4 miteinander verbunden sind und von diesem Kollektorring sternförmig zum drucktragenden Mantel verlaufen. An dem das äußer Ende bildenden Fuß 8 sind die Rippenelemente mittels der Zugelemente 2 mit dem Behältermantel verbunden. Da die Querschnittsbreite der Rippenelemente von dem Fuß 8 zum Kollektorring 4 hin abnimmt, ist das in Figur 5 dargestellte Rippenelement so ausgebildet, daß seine Dicke von der Querschnittshöhe b am Fuß 8 auf die Querschnittshche a an der mit dem Kollektorring 4 zu verbindenden Stirnfläche 9 zunimmt, und zwar in einem solchen Maße, daß an jeder Stelle der Längenausdehnung des Rippenelemerites nach Möglichkeit eine etwa gleich große Materialbeanspruchung gegeben ist. Zur Verstärkung des Zusammenhalts der einzelnen Rippenelemente untereinander können die Rippenelemente an ihren Längsflanken 10 miteinander verschweißt sein. Der in Figur 4 gezeigte drucktragende Behältermantel 1 ist gegenüber dem Behälterreaktior raum 5 durch ein dichtes und dünnwandiges Schutzhemd 6 abgetrennt Zwischen deir< Mantel 1 und dem Schutzliemd 6 ist eine Isolations** schicht 7 angebracht, die nicht selbem unter Gasdruck steht, sondern aus einem Werkstoff besteht», dessen Druckfestigkeit wenigstens der durch den Behälterinnendruck auf das Schutzhemtd 6 ausgeübten Flächenpressung entspricht« Die Isolationsschicht 7 ist auch nicht unter Zwischenschaltung eines zweiten gasdichten Inner hemdes, sondern unmittelbar auf die Innenseite des drucktragender

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Mantels 1 aufgebracht und steht weiterhin* damit in der Isolationsschicht kein Druckaufbau durch hineindiffundierende Gase entstehen kann, durch den Mantel 1 hindurch _t das heißt durch die Trennfugen zwischen den aufeirtandergesetzten Ringen, mit dem auf der Außenseite des Behältermantels herrschenden Umgebungsdruck im Druckausgleich.

Claims

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KASYCO Unternehmensberatungsgesellschaft mbH, Essen

Druckbehälter
Schutzamsprüche

1« Druckbehälter, insbesondere großvolumiger Druckbehälter, dessen drucktragender Mantel aus mehreren miteinander verbundenen Teilen besteht, "Sadurch gekennzeichnet, daß der drucktragende Mantel von einer Kombination aus mehreren* senkrecht zur Behälterachse angeordneten, die Radialkräfte aufnehmenden Ringelementen und mehreren in Richtung der Behälterachse verkaufenden, die Axialkräfte aufnehmenden Elementen gebildet ist wobei entweder die radialen Ringelemente die axial verlaufende] Elemente oder die axial verlaufenden Elemente die radialen Ringelemente verspannen.
2. Druckbehälter nach Anspruch I₇ dadurch gekennzeichnet, daß bei axialer Verspannung die den Druckbehälter an den Enden abschließenden Deckel bzw. Böden aus mehreren Rippenelementen "bestehen, die von der Mitte des Behälterbodens sternförmig zum drucktr«genden Mantel verlaufen.
3. Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Behälterboden bildenden Rippenelemente gemeinsam mit den senkrecht zur Behälterachse angeordneten Ringelementen verspannt sind.
4. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekannzeichnet, daß bei axialer Verspannung die axial verlaufenden Spannelemente innerhalb der senkrecht dazu angeordneten Ringelemente verlaufen.
5. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei axialer Verspannung die axial verlaufenden Spannelemente außerhalb der senkrecht dazu angeordneten Ringelemente verlaufen.
6. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei axialer Verspannung die senkrecht zur Behälterachse angeordneten Ringelemente je aus mindestens 2 konzentrisch angeordneten Ringen bestehen, wobei der äußere Ring eine Druckvorspannung au,f ,,den, inneren.Mng erzeugt.
7. Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sternförmig zur Behälterachse verlaufenden, den Behälterboden bildenden Rippenelemente durch einen Kollektorring verbunden sind.
8. Druckbehälter nach Anspruch 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet,. daß die Rippenelemente entsprechend ihrer zur Behälterbodenmitte hin abnehmenden Breite mit einer zunehmenden Dicke ih~es Querschnitts ausgebildet sind, die eine im wesentlichen gleich große Materialbeanspruchung an jeder Stelle des Rippenelementes ergibt.
9. Druckbehälter nach Anspruch 2, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenelemente zwischen ihren inneren und äußeren Enden durch Bolzenverbindungen oder durch Verschweißen an ihren Längsflanken miteinander verbunden sind.
10. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der drucktragende Mantel des Behälters gegenüber dem Reaktionsraum des Behälters durch ein dichtes und relativ dünnwandiges Schutzhemd abgetrennt ist und zwischen dem Mantel und dem Schutzhemd eine Isolationsschicht aus einem Werkstoff angebracht ist, dessen Druckfestigkeit wenigstens der durch den Behälterinnendruck auf das Schutzhemd ausgeübten Flächenpressung entspricht, und daß die Isolationsschicht unmittelbar auf die Innenseite des drucktragenden Mantels aufgebracht ist und durch den Mantel hindurch im Druckausgleich mit der Umgebung auf der Außenseite des Mantels steht.