DE3735767A1 - Druckbehaelter - Google Patents

Description

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 Herstellverfahren für Druckbehälter be­ kannt geworden, bei dem der Behälterdruckmantel in Schalen­ bauweise gefertigt ist, d.h. aus normalerweise mehreren Lagen relativ dünner Bleche, die zu zylindrischen Halb­ schalen gewalzt und miteinander innerhalb jeder Lage ver­ schweißt 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 gleich­ mäßigen 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 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 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 grenzter Höhe bzw. Länge, zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Druckbehälter aus einer Kombination, bestehend aus Radialelementen zur Aufnahme der Radialkräfte und aus Axialelementen zur Aufnahme der Axialkräfte, besteht. Eine besonders bevorzugte Anordnung ist die, daß z.B. bei einem stehenden Druckbehälter der Druckmantel aus übereinander aufgeschichteten ebenen bzw. scheibenförmig flachen Ringen besteht, die durch vertikale bzw. axial angeordnete Spannelemente zusammengehalten werden. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden die Behälterböden oder Deckel bzw. Flanschen mit dem meistens zylindrischen Mantel durch die axial angeordneten Spannele­ mente 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 erfinde­ rischen Gedanken gleichgültig, ob die axial angeordneten Spannelemente innerhalb oder außerhalb der übereinander ange­ ordneten 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- oder Hebemöglichkeiten von Gefäßen großer Ab­ messungen und Gewichte gegeben sind. Die Ringelemente lassen sich besonders materialsparend d.h. mit gleichmäßiger Materialbeanspruchung und damit optimaler Materialausnutzung fertigen, wenn sie aus mehreren konzentrischen Ringen, die auch aus verschiedenen Materialien bestehen können, zusammen­ gefügt werden, wobei im Innenring eine Druckvorspannung, nach außen hin eine Zugspannung erzeugt wird. Eine befriedigende Spannungsverteilung läßt sich aber normalerweise schon dadurch erreichen, daß die Ringe 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 be­ trachtet - von axial dicht nebeneinander angeordneten Längs­ rippen gebildet wird, die durch ringförmige, die Längsrippen senkrecht in ihrem Verlauf umschließende, äußere Elemente verspannt werden.

In 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. Böden gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung so gestaltet, daß sie entsprechend ihrer zur Behälterbodenmitte hin abnehmenden Querschnittsbreite eine zunehmende Querschnitts­ dicke aufweisen, die nach Möglichkeit an jeder Stelle des Rippen­ elementes eine im wesentlichen gleich große Materialbeanspruchung ergibt. Weiterhin kann der Zusammenhalt der einzelnen Rippen­ elemente untereinander dadurch verstärkt werden, daß die Rippen an ihren Längsflanken miteinander verschweißt werden oder zwi­ schen ihren inneren und äußeren Enden durch eine z.B. aus Schrau­ benbolzen bestehende Querverbindung miteinander verbunden sind.

Reaktionen, die unter erhöhten Temperaturen und unter erhöhtem Druck ablaufen, werden in Reaktorbehältern durchgeführt, deren Wände entweder Druck 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 drucktra­ genden Behälterwand eine Isolationsschicht, die eine Temperatur­ beanspruchung der Behälterwand verhindert. Dabei hat es sich im technischen Betrieb als zweckmäßig erwiesen, zwischen der Isola­ tionsschicht und dem Reaktionsraum eine meistens metallische dünne Schicht (Innenhemd) zu installieren, die dafür sorgt, daß die Isolationsschicht nicht mit den reagierenden Stoffen in Be­ rührung kommt, um Abrieb oder auch aufgrund von Temperatur- oder Druckschwankungen insbesondere im Überkopfbereich am oberen Ab­ schluß des Reaktorbehälters mögliche Zerstörungen der Isolations­ schicht zu verhindern. Durch diese Kammerung der Isolations­ schicht 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 not­ wendig, um die hohe Flächenpressung, der das Isolationsmaterial wegen des großen Innendruckes ausgesetzt und nicht gewachsen war, zu verhindern. Aus diesem Grund wurde ein Druckausgleich zwischen dem Reaktionsraum und der Isolationsschicht hergestellt, indem man ein Gas in die Isolationsschicht einpreßte oder aber zumin­ 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 Gaszuführsystem 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 Behälterböden, oder statt einer gasdichten Ausführung des Mantels selber ein weiteres gas­ dichtes Innenhemd zwischen der Isolationsschicht und dem druck­ tragenden Behältermantel installiert werden.

Aufgrund des etwa gleichhohen Druckes in der Isolations­ schicht wie im Reaktor kann es jedoch zu erheblichen Schwierig­ keiten kommen, die insbesondere darin bestehen, daß bei einem plötzlichen Druckabfall im Reaktor das relativ dünne, die Iso­ lationsschicht schützende Innenhemd den in der Isolationsschicht herrschenden Überdruck nicht halten kann und infolgedessen Innen­ 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 Isolations­ materials eine hohe Gasdichte herrscht und dadurch ein sehr star­ ker Wärmetransport durch die Isolationsschicht hindurch zur Be­ hälteraußenwand erfolgt. Der Wärmetransport einer unter Gasdruck stehenden Isolationsschicht kann je nach Druckhöhe um ein Viel­ faches höher sein gegenüber einer unter Atmosphärendruck stehen­ den 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 Tempe­ raturen bis 500°C betrieben wurden, waren mit einer unter Betriebsdruck stehenden Isolationsschicht ausgeführt. Dabei wurden Leichtschamottesteine oder auch Zementasbest zur Herstel­ lung der Isolationsschicht verwendet.

Um die mit der vorstehend geschilderten, bekannten Art des Reak­ torwandaufbaues verbundenen Nachteile und Schwierigkeiten zu verhindern, besteht eine erfindungsgemäße Weiterbildung eines thermisch und druckmäßig hoch zu beaufschlagenden Reaktions­ behälters darin, daß der drucktragende Mantel des Behälters, der nicht selber gasdicht ausgeführt ist, gegenüber dem Reaktions­ raum des Behälters durch ein dichtes und relativ dünnwandiges Schutzhemd abgetrennt ist und zwischen dem Mantel und dem Schutz­ hemd eine Isolationsschicht aus einem Werkstoff angebracht ist, dessen Druckfestigkeit wenigstens der durch den Behälterinnen­ druck auf das Schutzhemd ausgeübten Flächenpressung entspricht, und daß die Isolationsschicht unmittelbar auf die Innenseite des drucktragenden Mantels aufgebracht ist und durch den Mantel hin­ durch im Druckausgleich mit der Umgebung auf der Außenseite des Mantels steht. Je nach Art der im Inneren des Behälters ablau­ fenden Reaktionen kann das die Isolationsschicht bedeckende und schützende Innenhemd beispielsweise aus Edelstahl, Tantal, Weich­ eisen, Teflon usw. bestehen. Für die aus hochdruckfestem Material bestehende Isolationsschicht bieten sich heutige neuartige Werk­ stoffe 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/cm² aus­ gesetzt 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 eine Isolationsschicht verwendet wird, die selber druckfest ist und weder unter Gasdruck gesetzt zu werden braucht noch unter Gas­ druck steht und in deren Poren also kein Überdruck herrscht, ent­ stehen mehrere, zum Teil erhebliche Vorteile gegenüber der bis­ herigen Reaktorwandkonstruktion mit einer Isolationsschicht aus dem bisher bekannten und gebräuchlichen, druckmäßig nicht stark belastbaren und deswegen einen Gasinnendruck benötigenden Mate­ rial. Der drucktragende Außenmantel des Reaktorbehälters 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 Druckmantels. Darüber hinaus entfallen die bisher notwendigen zusätzlichen Einrichtungen, um einen Gasdruck in der Isolations­ schicht aufrechtzuerhalten. Die Isolationsschicht steht vielmehr unter dem in der Umgebung des Reaktionsbehälters herrschenden 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 ten in den unter Gasdruck stehenden Porenräumen sehr viel höhere Wärmetransport entfällt. Hierdurch wird in Verbindung mit heute verfügbaren, besseren Isolationsstoffen eine weitere Einsparung an Isolationsmaterial und damit ein weiterer Kostenvorteil er­ zielt.

Das die druckfeste Isolationsschicht schützende Innenhemd ist insbesondere bei hohen Temperaturen und beim Reaktorbetrieb mit Wasserstoffgasen nicht gasdicht, sondern es diffundiert ein gewisser Teil an Gasen durch das Innenhemd in die Isolation. Da die Isolation jedoch nicht selbst gasdicht ist und über den eben­ falls nicht gasdichten, 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 wer­ den kann und die diffundierte Gasmenge auch kein Gefahrenpotential darstellt. Wie bereits erwähnt, muß der drucktragende Reaktor­ behältermantel gasdurchlässig sein, wozu sich insbesondere der scheibenförmige Aufbau der Reaktorwand empfiehlt, bei dem die Ringe ohne Dichtung aufeinandergelegt sind und dem in die Iso­ lation hineindiffundierenden Wasserstoff genügend Entweichungs­ möglichkeiten bieten.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckbehälters mit kugelförmigen Böden dargestellt, bei dem die die Radialkräfte aufnehmenden Ringelemente mit den in axialer Richtung verlaufenden, außen angeordneten Zugelementen verspannt sind und die die kugelförmigen Böden bildenden Rippenelemente in die Verspannung einbezogen sind. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Druckbehälter,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Behälterboden,

Fig. 3 ein einzelnes Rippenelement eines Bodens,

Fig. 4 einen Teil des drucktragenden Behältermantels mit innen­ seitiger Wärmeisolation im Längsschnitt,

Fig. 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 ein­ wirkenden Kräfte aufnehmen, und mehreren axial verlaufenden Spann- bzw. Zugelementen 2, durch die die Ringelemente 1 axial verspannt sind und von denen die axial einwirkenden Kräfte aufgenommen wer­ den. 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 äußere Ende bildenden Fuß 8 sind die Rippenelemente mittels der Zugele­ mente 2 mit dem Behältermantel verbunden. Da die Querschnitts­ breite der Rippenelemente von dem Fuß 8 zum Kollektorring 4 hin abnimmt, ist das in Fig. 5 dargestellte Rippenelement so ausge­ bildet, daß seine Dicke von der Querschnittshöhe b am Fuß 8 auf die Querschnittshöhe a an der mit dem Kollektorring 4 zu verbin­ denden Stirnfläche 9 zunimmt, und zwar in einem solchen Maße, daß an jeder Stelle der Längenausdehnung des Rippenelementes nach Möglichkeit eine etwa gleich große Materialbeanspruchung gegeben ist. Zur Verstärkung des Zusammenhalts der einzelnen Rippenele­ mente untereinander können die Rippenelemente an ihren Längsflan­ ken 10 miteinander verschweißt sein. Der in Fig. 4 gezeigte drucktragende Behältermantel 1 ist gegenüber dem Behälterreaktions­ raum 5 durch ein dichtes und dünnwandiges Schutzhemd 6 abgetrennt. Zwischen dem Mantel 1 und dem Schutzhemd 6 ist eine Isolations­ schicht 7 angebracht, die nicht selber unter Gasdruck steht, son­ dern aus einem Werkstoff besteht, dessen Druckfestigkeit wenig­ stens der durch den Behälterinnendruck auf das Schutzhemd 6 aus­ geübten Flächenpressung entspricht. Die Isolationsschicht 7 ist auch nicht unter Zwischenschaltung eines zweiten gasdichten Innen­ hemdes, sondern unmittelbar auf die Innenseite des drucktragenden Mantels 1 aufgebracht und steht weiterhin, damit in der Isola­ tionsschicht kein Druckaufbau durch hineindiffundierende Gase entstehen kann, durch den Mantel 1 hindurch, das heißt durch die Trennfugen zwischen den aufeinandergesetzten Ringen, mit dem auf der Außenseite des Behältermantels herrschenden Umgebungsdruck im Druckausgleich.

Claims (10)

1. Druckbehälter, insbesondere großvolumiger Druckbehälter, dessen drucktragender Mantel aus mehreren miteinander ver­ bundenen Teilen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der druck­ tragende Mantel von einer Kombination aus mehreren senkrecht zur Behälterachse angeordneten, die Radialkräfte aufnehmenden Ringelementen und mehreren in Richtung der Behälterachse ver­ laufenden, die Axialkräfte aufnehmenden Elementen gebildet ist, wobei entweder die radialen Ringelemente die axial verlaufenden Elemente oder die axial verlaufenden Elemente die radialen Ringelemente verspannen.

2. Druckbehälter nach Anspruch 1 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 drucktragenden Mantel verlaufen.

3. Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Behälterböden 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 ver­ laufen.

5. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei axialer Verspannung die axial verlaufenden Spannelemente außerhalb der senkrecht dazu angeordneten Ringelemente ver­ laufen.

6. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei axialer Verspannung die senkrecht zur Behälterachse an­ geordneten Ringelemente je aus mindestens 2 konzentrisch an­ geordneten Ringen bestehen, wobei der äußere Ring eine Druck­ vorspannung auf den inneren Ring 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 Behälterboden­ mitte hin abnehmenden Breite mit einer zunehmenden Dicke ihres 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 Längs­ flanken miteinander verbunden sind.

10. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, 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.