RU2798072C2 - Device with a pressure-receiving casing and a frame system inside it - Google Patents
Device with a pressure-receiving casing and a frame system inside it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2798072C2 RU2798072C2 RU2021105679A RU2021105679A RU2798072C2 RU 2798072 C2 RU2798072 C2 RU 2798072C2 RU 2021105679 A RU2021105679 A RU 2021105679A RU 2021105679 A RU2021105679 A RU 2021105679A RU 2798072 C2 RU2798072 C2 RU 2798072C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- partitions
- bricks
- transverse
- baffles
- ceramic
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к устройству, состоящему из по меньшей мере одного воспринимающего давление кожуха и по меньшей мере одной находящейся внутри кожуха модульной каркасной системы из керамических волокнистых композиционных материалов, к модульной футеровке, которая помимо модульной каркасной системы содержит огнеупорные кирпичи, а также к применению указанного устройства для высокотемпературных реакторов, в частности, для высокотемпературных реакторов с электрообогревом.The invention relates to a device consisting of at least one pressure-receiving casing and at least one modular frame system made of ceramic fibrous composite materials located inside the casing, to a modular lining, which, in addition to the modular frame system, contains refractory bricks, as well as to the use of this device for high-temperature reactors, in particular, for high-temperature reactors with electric heating.
Сильно эндотермические реакции нередко являются начальными звеньями цепи создания добавленной стоимости в химической промышленности, например, при крекинге нефтяных фракций, риформинге природного газа или нефти, дегидрировании пропана, дегидроароматизации метана до бензола или пиролизе углеводородов. Для достижения технически и экономически приемлемых выходов температура подобных процессов должна составлять от 500 до 1700°С. Причиной этого главным образом является термодинамически обусловленный предел равновесного превращения.Highly endothermic reactions are often the initial links in the value chain in the chemical industry, for example, in the cracking of petroleum fractions, the reforming of natural gas or oil, the dehydrogenation of propane, the dehydroaromatization of methane to benzene, or the pyrolysis of hydrocarbons. To achieve technically and economically acceptable yields, the temperature of such processes should be from 500 to 1700°C. The reason for this is mainly the thermodynamically determined limit of the equilibrium transformation.
В связи с высокими температурами эндотермических реакций, реализуемых в химической промышленности с целью производства товарной продукции, необходимо обеспечивать эффективное термическое изолирование реактора от окружающей среды. Кроме того, некоторые реакции следует осуществлять в стойких к давлению реакционных зонах, для чего необходимо герметично изолировать реакционную камеру от окружающей среды, исключая входы в реакционную камеру и выходы из нее. Некоторые из указанных выше эндотермических реакций протекают в восстанавливающих условиях. Кроме того, эндотермические реакции требуют эффективного подведения тепла. В случае непосредственного электрического обогрева дополнительно необходимо электрически изолировать внутреннее пространство реактора, например, насыпной слой, относительно обечайки реактора.Due to the high temperatures of endothermic reactions implemented in the chemical industry in order to produce marketable products, it is necessary to ensure effective thermal isolation of the reactor from the environment. In addition, some reactions should be carried out in pressure-resistant reaction zones, for which it is necessary to hermetically isolate the reaction chamber from the environment, excluding entrances to and exits from the reaction chamber. Some of the above endothermic reactions proceed under reducing conditions. In addition, endothermic reactions require efficient heat input. In the case of direct electrical heating, it is additionally necessary to electrically isolate the interior of the reactor, for example, the bulk layer, relative to the reactor shell.
В немецком патенте DE 8714113 U1 описан модульный резервуар высокого давления, воспринимающий давление кожух которого состоит из уложенных друг на друга плоских металлических колец, при необходимости соединенных друг с другом вертикально расположенными крепежными элементами. Днище и/или крышка резервуара при необходимости могут быть образованы отдельными ребристыми элементами, плотно прилегающими друг к другу и звездообразно расположенными в направлении от стенок резервуара к его оси. На внутренних стенках резервуара может находиться плоский изолирующий слой из керамического материала, который может быть защищен также тонким металлическим слоем (так называемой внутренней рубашкой). Недостаток цитируемого уровня техники состоит в том, что керамический изолирующий слой прочно соединен с воспринимающим давление кожухом. Кроме того, металлическая внутренняя рубашка, отделяющая керамический слой от реакционного объема, проводит электрический ток и обладает более низкой термостойкостью, чем керамическая футеровка. В связи с этим цитируемое техническое решение не может быть применено к реакторам с электрически нагреваемой насадкой. Кроме того, в цитируемом документе отсутствует информация о том, каким образом следует выравнивать тепловое расширение элементов конструктивного узла, состоящего из воспринимающего давление кожуха, керамического изолирующего слоя и металлической внутренней рубашки.German patent DE 8714113 U1 describes a modular pressure vessel, the pressure-receiving casing of which consists of flat metal rings stacked on top of each other, if necessary connected to each other by vertically arranged fasteners. The bottom and/or the lid of the tank, if necessary, can be formed by separate ribbed elements, tightly adjacent to each other and arranged in a star-like manner in the direction from the walls of the tank to its axis. On the inner walls of the tank there may be a flat insulating layer of ceramic material, which may also be protected by a thin metal layer (so-called inner jacket). The disadvantage of the cited prior art is that the ceramic insulating layer is firmly connected to the pressure-receiving casing. In addition, the metal inner jacket separating the ceramic layer from the reaction volume conducts electric current and has a lower thermal stability than the ceramic lining. In this regard, the cited technical solution cannot be applied to reactors with electrically heated packing. In addition, the cited document lacks information on how to equalize the thermal expansion of the elements of a structural assembly consisting of a pressure-receiving casing, a ceramic insulating layer and a metal inner jacket.
В патенте США US 2982622 опубликовано техническое решение электрического обогрева при осуществлении эндотермических реакций. Для этого через реакционную камеру пропускают электропроводящие частицы в виде движущегося слоя. Электрический ток посредством электродов пропускают через насыпной слой частиц, который, таким образом, выполняет функцию резистивного нагревателя, обеспечивая непосредственное нагревание реакционной камеры. Благодаря противотоку газа и частиц внутри аппарата достигается эффективная тепловая интеграция, при которой в средней части реакционной камеры локализуется диапазон высоких температур, в то время как верхний и нижний края реактора остаются холодными. Данный принцип применим ко многим технически важным эндотермическим реакциям. Реализация электрического нагревания конкретизирована в заявке РСТ/ЕР2019/051466, в которой описано обогреваемое компактное устройство для осуществления эндотермических реакций, причем вертикально расположенные электроды расположены в электропроводящей насадке из твердого материала и присоединены по всей верхней, соответственно нижней крышке реактора, и причем токопроводящие соединительные элементы обладают большими площадями контакта с электродами.US Pat. No. 2,982,622 discloses an electrical heating solution for endothermic reactions. To do this, electrically conductive particles in the form of a moving layer are passed through the reaction chamber. Electric current is passed through the electrodes through the bulk layer of particles, which thus acts as a resistance heater, providing direct heating of the reaction chamber. Due to the counterflow of gas and particles inside the apparatus, effective thermal integration is achieved, in which a high temperature range is localized in the middle part of the reaction chamber, while the upper and lower edges of the reactor remain cold. This principle applies to many technically important endothermic reactions. The implementation of electrical heating is specified in the application PCT/EP2019/051466, which describes a heated compact device for carrying out endothermic reactions, wherein vertically located electrodes are located in an electrically conductive nozzle made of solid material and are attached throughout the top, respectively, the bottom cover of the reactor, and moreover, conductive connecting elements have large areas of contact with the electrodes.
Для осуществления высокотемпературных реакций в реакторах обычно используют футеровки, которые защищают воспринимающий давление металлический кожух от воздействия высоких температур, уменьшают теплопотери и/или защищают кожух от электрического тока. Подобные футеровки в некоторых случаях должны оказывать сопротивление воздействию очень высоких температур и давлений, химической коррозии, эрозии частицами, а также воздействию знакопеременных тепловых нагрузок. Последнее может быть обусловлено, например, осуществлением технологического процесса в периодическом режиме, а также введением холодных технологических материалов.To carry out high temperature reactions in reactors, linings are commonly used that protect the pressure-receiving metal jacket from high temperatures, reduce heat loss, and/or protect the jacket from electrical current. Such linings must, in some cases, resist very high temperatures and pressures, chemical corrosion, particle erosion, and alternating thermal loads. The latter may be due, for example, to the implementation of the process in batch mode, as well as the introduction of cold process materials.
Таким образом, требования к используемой для осуществления высокотемпературных химических реакций огнеупорной футеровке отличаются многообразием и в некоторых случаях противоречат друг другу. С одной стороны, подобная футеровка должна обладать высокой изолирующей способностью и низкой объемной плотностью, соответственно высокой пористостью, а, с другой стороны, необходимо, чтобы она обладала достаточно высокой механической прочностью и способностью к обработке. Кроме того, футеровка должна обладать высокой термостойкостью в самых разных атмосферных условиях.Thus, the requirements for the refractory lining used to carry out high-temperature chemical reactions are diverse and in some cases contradict each other. On the one hand, such a lining must have a high insulating capacity and low bulk density, respectively, high porosity, and, on the other hand, it is necessary that it has a sufficiently high mechanical strength and workability. In addition, the lining must have high thermal stability in a wide variety of atmospheric conditions.
Реакторы в конструктивном исполнении, позволяющем отказаться от использования теплоизолирующей футеровки, например, газогенераторы высокого давления фирмы Лурджи, имеют функционирующий под давлением кожух с двойными стенками и принудительным охлаждением водой. К преимуществам подобного технического решения относятся простота сборки и небольшой вес реактора, а также низкая тепловая нагрузка на кожух реактора. К его недостаткам относятся конструктивная сложность, сложность автоматического управления и недостаточная надежность системы охлаждения. Кроме того, данное техническое решение непригодно для реакторов с непосредственным электрическим обогревом, в которых через насыпной слой необходимо пропускать электрический ток. В этом случае между насыпным слоем и воспринимающим давление кожухом реактора происходило бы короткое замыкание.Reactors designed to avoid the use of heat-insulating linings, such as Lurgi's high-pressure gas generators, have a double-walled pressurized casing with forced water cooling. The advantages of such a technical solution include ease of assembly and low weight of the reactor, as well as low thermal load on the reactor shell. Its disadvantages include structural complexity, complexity of automatic control and insufficient reliability of the cooling system. In addition, this technical solution is unsuitable for reactors with direct electrical heating, in which it is necessary to pass an electric current through the bulk layer. In this case, a short circuit would occur between the bulk bed and the pressure-receiving jacket of the reactor.
Для футеровки обычно используют огнеупорные кирпичи. Подобные обожженные жаростойкие изделия очевидно характеризуются открытой пористостью, причем содержание открытых пор находится в примерном интервале от 13 до 20% об. В открытые поры могут проникать технологические материалы, например, шлаки, расплавы или газы, которые вследствие химических реакций способны разрушать кирпичи и/или полностью изменять теромомеханические свойства структуры. Переменные химические воздействия, а также переменные термические и термомеханические нагрузки обусловливают ускоренный износ и повреждения, например, откалывание от футеровки крупных кусков, толщина которых может составлять несколько миллиметров. Вследствие этого соответствующая футеровка имеет ограниченный срок службы и по достижении определенной степени износа подлежит трудоемкой и дорогостоящей замене.Refractory bricks are usually used for lining. Such fired refractory products are obviously characterized by open porosity, with the content of open pores being in the approximate range of 13 to 20% by volume. Technological materials can penetrate into open pores, for example, slags, melts or gases, which, due to chemical reactions, can destroy bricks and / or completely change the thermomechanical properties of the structure. Variable chemical influences, as well as variable thermal and thermomechanical loads, cause accelerated wear and damage, for example, chipping of large pieces from the lining, the thickness of which can be several millimeters. As a result, the corresponding lining has a limited service life and, once a certain degree of wear has been reached, must be replaced in a time-consuming and costly manner.
Другой недостаток подобных пористых материалов состоит в том, что при повышенных давлениях реакции (около 10 бар и выше) в кирпичах могут возникать конвекционные потоки, которые могут усиливать теплопередачу к стенкам кожуха, а, следовательно, снижать эффективность изоляции. К известным из уровне техники материалам огнеупорных кирпичей относятся Al2O3 (корунд), связанный фосфатом Al2O3, связанный цементом Al2O3, хромкорунд Al2O3-Cr2O3 («Aurex 75», «Aurex 90», «Radex-BCF»), MgO-Cr2O3, Cr2O3, Al2O3-Cr2O3-ZrO2 («Zichrom 60»), Cr2O3-ZrO2 («Zichrom 90»), AlPO4, CrPO4 («Aurex 95Р») [смотри диссертацию Gehre P. «Korrosions-und thermoschockbestandige Feuerfestmaterialien fur Flugstromvergasungsanlagen auf Al2O3-Basis-Werkstoffentwicklung und Korrosionsuntersuchungen», 2013, Технический университет горной академии, г. Фрейберг, глава 2.3.1]. Другими известными огнеупорными материалами являются карбид кремния и углерод предпочтительно в виде графита. Особенно стойкие к термическому удару огнеупорные кирпичи содержат 6% масс. ZrO2-Cr2O3-Al2O3.Another disadvantage of such porous materials is that at elevated reaction pressures (about 10 bar and above) convection currents can occur in the bricks, which can increase heat transfer to the casing walls and, consequently, reduce the effectiveness of the insulation. The refractory brick materials known from the prior art include Al 2 O 3 (corundum), phosphate-bonded Al 2 O 3 , cement-bonded Al 2 O 3 , chromium corundum Al 2 O 3 -Cr 2 O 3 (“Aurex 75”, “Aurex 90 ”, “Radex-BCF”), MgO-Cr 2 O 3 , Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 -Cr 2 O 3 -ZrO 2 ("Zichrom 60"), Cr 2 O 3 -ZrO 2 ("Zichrom 90"), AlPO 4 , CrPO 4 ("Aurex 95Р") [see dissertation Gehre P. "Korrosions-und thermoschockbestandige Feuerfestmaterialien fur Flugstromvergasungsanlagen auf Al 2 O 3 -Basis-Werkstoffentwicklung und Korrosionsuntersuchungen", 2013, Technical University of the Mining Academy, Freiberg, chapter 2.3.1]. Other known refractory materials are silicon carbide and carbon, preferably in the form of graphite. Particularly resistant to thermal shock refractory bricks contain 6% of the mass. ZrO 2 -Cr 2 O 3 -Al 2 O 3 .
Кроме того, в немецком патенте DE 102015202277 и международной заявке WO 89/5285 описаны огнеупорные кирпичи из вспененных керамических материалов. Недостаток конструкции футеровки, выполненной только из огнеупорных кирпичей, состоит в том, что для восприятия горизонтальных усилий, например, нагрузки, обусловленной насыпным слоем, подобная конструкция должна иметь опору. Наряду с этим футеровка, состоящая только из огнеупорных кирпичей, склонна к растрескиванию, обусловленному термическим расширением конструкции. В отсутствие опоры из футеровки могут вываливаться кирпичи. Следствием этого может быть структурное ослабление и разрушение футеровки и/или утрата ее изолирующего действия, что, в свою очередь, может обусловливать повреждение кожуха аппарата.In addition, German patent DE 102015202277 and international application WO 89/5285 describe refractory bricks made of foamed ceramic materials. The disadvantage of a lining design made only of refractory bricks is that in order to absorb horizontal forces, for example, loads due to a bulk layer, such a structure must be supported. Along with this, the lining, consisting only of refractory bricks, is prone to cracking due to thermal expansion of the structure. In the absence of support, bricks may fall out of the lining. The consequence of this may be structural weakening and failure of the lining and/or loss of its insulating effect, which in turn may cause damage to the casing of the apparatus.
О поиске термостойких опорных структур известно также из публикаций, касающихся процессов термообработки конструктивных элементов. В международных заявках WO 2011/18516 и WO 2004/111562 описаны планарные модульные опорные конструкции, состоящие из ребристых волокнистых керамических материалов, например, углепластика, армированного углеродными волокнами. Недостаток подобных опорных конструкций состоит в том, что они лишь подвижно смонтированы на несущей основе. Без прочного закрепления они не способны воспринимать горизонтальные усилия, например, нагрузку, обусловленную насыпным слоем. Кроме того, подобные опорные конструкции не выполняют функцию термически и электрически изолирующих слоев.The search for heat-resistant support structures is also known from publications concerning the processes of heat treatment of structural elements. International applications WO 2011/18516 and WO 2004/111562 describe planar modular support structures consisting of ribbed fibrous ceramic materials, such as carbon fiber reinforced plastics. The disadvantage of such support structures is that they are only movably mounted on a support base. Without strong anchoring, they are not able to absorb horizontal forces, such as the load caused by the bulk layer. In addition, such support structures do not function as thermally and electrically insulating layers.
В патенте США US 8211524 описана анкерная структура из керамических волокнистых композиционных материалов, которая соединяет металлическую основу с керамическим изолирующим слоем. Структура из керамического волокнистого композиционного материала внедрена в металлический слой, соответственно в керамический слой, и соединена с этими слоями с геометрическим замыканием. Недостаток подобной анкерной структуры состоит в том, что она жестко соединена как с керамическим, так и с металлическим слоем. Подобное жесткое соединение не может быть нарушено без разрушения структуры.US Pat. No. 8,211,524 describes a ceramic fiber composite anchor structure that connects a metal substrate to a ceramic insulating layer. The ceramic fiber composite structure is embedded in the metal layer or the ceramic layer and is positively connected to these layers. The disadvantage of such an anchor structure is that it is rigidly connected to both the ceramic and the metal layer. Such a rigid connection cannot be broken without destroying the structure.
В настоящее время футеровку в коммерческих целях выполняют, например, для доменных процессов, при частичном окислении углеводородов с целью получения синтез-газа и в металлургии (карбидная технология). Так, например, отдельные зоны доменной печи облицовывают следующим образом: (i) колошник - шамотом, содержащим от 39 до 42% масс. Al2O3 (обычный вариант), или шамотом высшей огнеупорности (более новым материалом), (ii) шахту - шамотом, содержащим от 39 до 42% масс. Al2O3 (обычный вариант), или корундом и SiC-Si3N4 (более новыми материалами), (iii) распар - шамотом с 62% масс. Al2O3, муллитом (обычный вариант) или SiSiC (более новым материалом), (iv) заплечики - шамотом, содержащим от 42 до 62% масс. Al2O3, муллитом, углеродом (обычный вариант) или SiC, хромкорундом (более новыми материалами), (v) горн - шамотом, содержащим от 42 до 62% масс. Al2O3, муллитом, углеродом (обычный вариант) или углеродом/графитом (c супермикропорами (новым материалом).At present, lining is carried out for commercial purposes, for example, for blast-furnace processes, in the partial oxidation of hydrocarbons in order to obtain synthesis gas and in metallurgy (carbide technology). So, for example, individual zones of a blast furnace are lined as follows: (i) top - fireclay containing from 39 to 42% of the mass. Al 2 O 3 (conventional), or chamotte of higher refractoriness (newer material), (ii) mine - chamotte containing from 39 to 42% of the mass. Al 2 O 3 (the usual version), or corundum and SiC-Si 3 N 4 (newer materials), (iii) steam - fireclay with 62% of the mass. Al 2 O 3 , mullite (common) or SiSiC (newer material), (iv) shoulders - fireclay containing from 42 to 62% of the mass. Al 2 O 3 , mullite, carbon (common) or SiC, chromium corundum (newer materials), (v) horn - chamotte containing from 42 to 62% of the mass. Al 2 O 3 , mullite, carbon (common) or carbon/graphite (with super micropores (new material).
Из уровня техники известны разные варианты конструктивного исполнения крепления футеровки («Огнеупорное конструирование», Deutsche Gesell-schaft Feuerfest- und Schornsteinbau e.V.):From the prior art, various variants of the design of the fastening of the lining are known (“Refractory Design”, Deutsche Gesell-schaft Feuerfest- und Schornsteinbau e.V.):
В промышленных аппаратах огнеупорные материалы обычно соединяют с опорной конструкцией, например, металлоконструкцией, посредством анкеров. Анкеры могут быть выполнены из керамических или металлических материалов. Керамические анкеры всегда соединяют с металлоконструкцией посредством металлического крепежного элемента. При этом качество крепежных (анкерных) камней должно соответствовать качеству материала горячей (внутренней) стороны. Выбор типа и материала определяется требованиями, предъявляемыми к конструкции детали, а также оказываемым на нее термическим и коррозионным воздействием.In industrial apparatuses, refractory materials are usually connected to a supporting structure, such as a metal structure, by means of anchors. Anchors can be made of ceramic or metal materials. Ceramic anchors are always connected to the metal structure by means of a metal fastener. At the same time, the quality of the fixing (anchor) stones must correspond to the quality of the material of the hot (inner) side. The choice of type and material is determined by the requirements for the design of the part, as well as the thermal and corrosive effects exerted on it.
Известно также, что кладку из огнеупорных кирпичей с определенными интервалами крепят к металлической стенке посредством специальных стальных анкеров. Для фиксирования кирпичной кладки и контроля термического расширения должны быть расположены с определенными интервалами металлические кронштейны из жаростойкой стали, которые подпирают кирпичи. Кирпичи, размеры которых примерно соответствуют размерам обожженного кирпича, обычным образом соединяют посредством строительного раствора.It is also known that refractory brickwork is fastened to a metal wall at certain intervals by means of special steel anchors. To fix the brickwork and control thermal expansion, heat-resistant steel metal brackets must be spaced at regular intervals to support the bricks. Bricks, the dimensions of which approximately correspond to those of fired bricks, are joined in the usual way by means of mortar.
Кроме того, известно о креплении каждого кирпича к подлежащей защите стенке обечайки посредством опоры в виде пластины. Одна сторона каждой пластины, например, опирается на приваренный к стенке обечайки штырь и фиксируется в направлении к стенке, в то время как другая сторона пластины посредством SiC-строительного раствора приклеивается к стенке. В другом варианте каждую пластину подвешивают на опоре в виде штыря, направленного от стенки обечайки вверх под углом к стенке. Кроме того, известны теплоизолирующие футеровки промышленных печей с огнеупорными блоками и стальными анкерами, причем на узких сторонах каждого кирпича выполнен проходящий по периметру паз, причем вершины стальных анкеров входят в зацеплении с пазом блока и причем блоки посредством отвержденного огнеупорного материала скреплены друг с другом по периметру с геометрическим замыканием.In addition, it is known to fasten each brick to the wall of the shell to be protected by means of a support in the form of a plate. One side of each plate, for example, rests on a pin welded to the shell wall and is fixed towards the wall, while the other side of the plate is glued to the wall with SiC mortar. In another variant, each plate is suspended on a support in the form of a pin directed upwards from the wall of the shell at an angle to the wall. In addition, heat-insulating linings of industrial furnaces with refractory blocks and steel anchors are known, and on the narrow sides of each brick a groove extending along the perimeter is made, and the tops of the steel anchors engage with the groove of the block and the blocks are fastened to each other along the perimeter by means of a hardened refractory material. with geometric closure.
Любые известные из уровня техники футеровки опираются на воспринимающий давление кожух реактора, чаще всего на металлические стенки. Преимуществом использования воспринимающих давление стенок в качестве опоры для футеровки является простота соответствующей конструкции.Any liners known in the art are supported by the pressure-receiving reactor shell, most commonly by metal walls. The advantage of using the pressure-receiving walls as a support for the lining is the simplicity of the corresponding design.
Слабыми местами футеровок являются соединения металлических анкеров с анкерными камнями. Вследствие разных коэффициентов расширения материалов в сочетании с температурными перепадами и механическими нагрузками может происходить ослабление этих соединений. В результате этого может иметь место нарушение крепления футеровки по значительной площади. Это, в свою очередь, может сопровождаться выпадением блоков из футеровки. Возникающие при этом просветы могут обусловливать косвенные повреждения. Так, например, ослабляется теплоизоляция между реакционной зоной и воспринимающими давление стенками реактора, что обусловливает перегрев последних. Кроме того, например, частицы из насыпного слоя реакционной зоны могут проникать в просветы, что может оказаться причиной короткого замыкания между насыпным слоем и воспринимающей давление стенкой реактора.The weak points of linings are the connections of metal anchors with anchor stones. Due to the different coefficients of expansion of the materials, in combination with temperature differences and mechanical stress, weakening of these connections can occur. As a result, there may be a violation of the fastening of the lining over a large area. This, in turn, may be accompanied by the loss of blocks from the lining. The resulting gaps can cause indirect damage. Thus, for example, the thermal insulation between the reaction zone and the pressure-receiving walls of the reactor is weakened, which leads to overheating of the latter. In addition, for example, particles from the bulk bed of the reaction zone can penetrate into the gaps, which can cause a short circuit between the bulk bed and the pressure-receiving wall of the reactor.
Проблемой, часто возникающей в случае систем с футеровкой, является склонность последней к повреждению при слишком быстром изменении температуры, поскольку футеровка и воспринимающие давление стенки реактора, например, обладают разными коэффициентами термического расширения и, кроме того, нагреваются с разной скоростью. Поскольку отдельные кирпичи вследствие их фиксирования обладают ограниченной свободой перемещения, свободное от механических напряжений деформирование или смещение кирпичей при скачкообразных изменениях температуры могут быть настолько затруднены, что кирпичи растрескиваются или нарушается их фиксация. Подобное явление может иметь место уже при однократном быстром локальном изменении температуры, например, в случае аварии.A problem often encountered with lined systems is that the lining tends to be damaged if the temperature changes too quickly, since the lining and pressure-bearing reactor walls, for example, have different coefficients of thermal expansion and, moreover, heat up at different rates. Since individual bricks, due to their fixation, have limited freedom of movement, deformation or displacement of bricks free from mechanical stress during abrupt changes in temperature can be so difficult that the bricks crack or their fixation is disturbed. A similar phenomenon can already occur with a single rapid local change in temperature, for example, in the event of an accident.
Согласно уровню техники разное тепловое расширение выравнивают благодаря использованию деформационных швов между кирпичами футеровки. Недостатком подобного технического решения является образование просветов в структуре футеровки, в которые из реакционной зоны могут проникать частицы и газы. Вследствие этого могут возникать неопределенные и нежелательное байпасные потоки. Для исключения подобной проблемы оборудование при пуске следует нагревать с чрезвычайно низкой скоростью, как правило, составляющей менее 3 К/мин. Однако обусловленные этим длительные периоды пуска могут оказывать ощутимое негативное влияние на эффективную производственную мощность высокотемпературных реакторов.According to the prior art, different thermal expansions are equalized by using expansion joints between the lining bricks. The disadvantage of this technical solution is the formation of gaps in the lining structure, into which particles and gases can penetrate from the reaction zone. As a consequence, undefined and unwanted bypass flows may occur. To avoid this problem, the equipment should be heated at an extremely low rate during start-up, typically less than 3 K/min. However, the resulting long start-up periods can have a tangible negative impact on the effective production capacity of high-temperature reactors.
Механическое соединение футеровки с воспринимающими давление стенками ограничивает приспособленность реактора к сборке, а также его доступность и пригодность для ремонта. Так, например, невозможно поднять кожух реактора над его днищем. Кроме того, отдельные поврежденные кирпичи могут быть подвергнуты ремонту или замене лишь после полной разборки футеровки.The mechanical connection of the lining to the pressure walls limits the suitability of the reactor for assembly, as well as its accessibility and suitability for repair. So, for example, it is impossible to raise the reactor casing above its bottom. In addition, individual damaged bricks can only be repaired or replaced after the lining has been completely dismantled.
Таким образом, в случае известных из уровня техники футеровок остаются нерешенными следующие проблемы:Thus, in the case of linings known from the prior art, the following problems remain unsolved:
Недостаточная эффективность электрической изоляции футеровки.Insufficient efficiency of electrical insulation of the lining.
Активное охлаждение кожуха реактора критично с точки зрения техники безопасности (низкая защищенность от неисправности, загрязнение содержимого реактора и нежелательные побочные реакции).Active cooling of the reactor vessel is critical from a safety point of view (poor fault immunity, contamination of the reactor contents and unwanted side reactions).
Колебания температуры и/или давления могут обусловливать разрушение футеровки и, как следствие, значительные нарушения структуры реактора.Fluctuations in temperature and/or pressure can cause the destruction of the lining and, as a consequence, significant structural damage to the reactor.
Большой вес футеровки затрудняет техническое обслуживание реактора.The heavy weight of the lining makes it difficult to maintain the reactor.
Монтаж и демонтаж, например, при возникновении неисправности, являются затруднительными и сложными.Mounting and dismantling, for example, in the event of a malfunction, are difficult and complex.
Пуск и останов происходят медленно и инерционно (например, при возникновении неисправности требуется охлаждение оборудования).Starting and stopping are slow and inertial (for example, when a fault occurs, equipment needs to be cooled down).
Итак, для реализуемых под давлением высокотемпературных реакций отсутствуют технические решения, позволяющие обеспечить оптимальную теплоизоляцию и низкую газопроницаемость футеровки в высокотемпературной области, а также возможность механического и электрохимического отделения футеровки от воспринимающего давление кожуха.So, for high-temperature reactions implemented under pressure, there are no technical solutions to ensure optimal thermal insulation and low gas permeability of the lining in the high-temperature region, as well as the possibility of mechanical and electrochemical separation of the lining from the pressure-receiving casing.
С учетом вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача предложить модульное самонесущее устройство, выполняющее функцию электрической и/или тепловой изоляции и механически отделенное от воспринимающего давление кожуха реактора. Другая задача настоящего изобретения состояла в том, чтобы предложить модульный самонесущий каркас для футеровки высокотемпературных реакторов, механически отделяющий футеровку от кожуха. Другая задача состояла в том, чтобы предложить футеровку, позволяющую технически просто обеспечить электрическую изоляцию находящейся во внутреннем пространстве реактора реакционной зоны от воспринимающего давление кожуха реактора. Другая задача состояла в том, чтобы предложить футеровку, выдерживающую давление реакции до 60 бар при одновременном надежном теплоизолирующем действии. Другая задача состояла в том, чтобы предложить футеровку, которая благодаря повышенной стойкости к химической коррозии характеризуется длительным сроком службы, высокой стойкостью к температурным циклам и повышенным сопротивление растрескиванию.In view of the foregoing, the object of the present invention was to provide a modular self-supporting device that performs the function of electrical and/or thermal insulation and is mechanically separated from the pressure-receiving reactor shell. Another object of the present invention was to provide a modular self-supporting framework for lining high temperature reactors, mechanically separating the lining from the shell. Another object was to propose a lining which makes it possible, in a technically simple manner, to electrically isolate the reaction zone located in the interior of the reactor from the pressure-receiving reactor shell. Another challenge was to provide a lining capable of withstanding reaction pressures of up to 60 bar while providing reliable thermal insulation. Another objective was to provide a lining which, due to its improved resistance to chemical corrosion, is characterized by a long service life, high resistance to temperature cycling and increased resistance to cracking.
Неожиданно удалось обнаружить устройство, в частности, реактор, состоящее из по меньшей мере одного воспринимающего давление кожуха и по меньшей мере одной расположенной внутри кожуха модульной каркасной системы из перегородок по меньшей мере двух разных типов, отличающееся тем, что несколько поперечных перегородок образуют по меньшей мере одну призму или цилиндр, причем несколько боковых перегородок выступают внутрь призмы или цилиндра, причем поперечные перегородки и боковые перегородки можно вставлять одна в другую и/или соединять друг с другом посредством одного или нескольких соединительных элементов и причем материал перегородок содержит керамические волокнистые композиционные материалы.Unexpectedly, it was possible to find a device, in particular a reactor, consisting of at least one pressure-receiving casing and at least one modular frame system of partitions of at least two different types located inside the casing, characterized in that several transverse partitions form at least one prism or cylinder, moreover, several side partitions protrude inside the prism or cylinder, and the transverse partitions and side partitions can be inserted into one another and/or connected to each other by means of one or more connecting elements, and the material of the partitions contains ceramic fibrous composite materials.
Кроме того, удалось обнаружить содержащую керамические волокнистые композиты самонесущую каркасную систему, которая включает огнеупорные кирпичи, содержащие вспененные керамические материалы, причем кирпичи опираются на предлагаемую в изобретении модульную каркасную систему.In addition, a self-supporting frame system containing ceramic fiber composites has been found, which includes refractory bricks containing foamed ceramic materials, the bricks being supported by the modular frame system according to the invention.
Находящаяся внутри кожуха модульная каркасная система ниже рассматривается более подробно.The modular frame system located inside the casing is discussed in more detail below.
Поперечные перегородки предпочтительно образуют однородную призму с многоугольником в качестве основания или однородный цилиндр с кругом в качестве основания.The transverse baffles preferably form a uniform prism with a polygon as a base or a uniform cylinder with a circle as a base.
Выемки в перегородках предпочтительно выполнены в виде прорезей или отверстий, предпочтительно в виде отверстий (смотри стандарт DIN 24041), например, продолговатых отверстий, предпочтительно многогранных продолговатых отверстий или продолговатых отверстий с округленными углами.The recesses in the partition walls are preferably in the form of slots or holes, preferably in the form of holes (see DIN 24041), for example oblong holes, preferably multi-faceted oblong holes or oblong holes with rounded corners.
В качестве соединительных элементов для соединения поперечных перегородок и боковых перегородок друг с другом предпочтительно можно использовать соединения с геометрическим замыканием и/или неразъемные соединения, например, комбинированные разъемные соединения и клеевые соединения, причем предпочтительным является соединение шипом и пазом, соединение пазом или шиповое соединение.As connecting elements for connecting the transverse partitions and the side partitions to each other, it is preferable to use form-fitting and/or permanent connections, for example, combined detachable connections and adhesive connections, with tenon and groove connection, groove connection or tenon connection being preferred.
В соответствии с настоящим изобретением под «каркасом» подразумеваются вертикальные перегородки, которые предпочтительно крестообразно соединены друг с другом и способны плоскостно (то есть в двух координатах) воспринимать боковые усилия, обусловленные возможным наличием футеровки. Посредством каркаса футеровка предпочтительно может быть разделена на сегменты, которые могут быть ограничены как в радиальном, так и в окружном направлении.In accordance with the present invention, "framework" refers to vertical baffles, which are preferably cross-connected to each other and are able to planarly (that is, in two coordinates) receive lateral forces due to the possible presence of a lining. By means of the frame, the lining can advantageously be divided into segments which can be delimited in both the radial and circumferential directions.
В соответствии с настоящим изобретением «самонесущим» называют каркас, который не нуждается в опоре, в частности, в боковой опоре на стенки, в том числе и при давлениях, достигающих 60 МПа. Внутри каркаса вследствие потерь напора и воздействия сил, обусловленных возможным наличием насыпных слоев (так называемым «эффектом силосной башни»), могут преобладать напряжения, составляющие около 0,5 МПа.In accordance with the present invention, "self-supporting" is a frame that does not need support, in particular, lateral support on the walls, including at pressures up to 60 MPa. Inside the frame, due to pressure losses and forces due to the possible presence of bulk layers (the so-called "silo effect"), stresses of about 0.5 MPa can prevail.
Под «воспринимающим давление кожухом устройства, соответственно воспринимающим давление кожухом реактора» подразумевается граничная зона резервуара, которая подвергается воздействию перепада давления между внутренним пространством резервуара и окружающей резервуар средой. Воспринимающий давление кожух реактора включает три основные части: нижнюю часть, верхнюю часть и боковые стенки реактора.By "pressure-receiving casing of the device or pressure-receiving casing of the reactor" is meant the boundary zone of the tank, which is subjected to a pressure difference between the inside of the tank and the environment surrounding the tank. The pressure-receiving reactor shell includes three main parts: the lower part, the upper part, and the side walls of the reactor.
Под «футеровкой» подразумевается защитная конструкция, состоящая из листов, кирпичей или формованных изделий, которые могут быть соединены друг с другом посредством строительного раствора или мастики, в том числе посредством герметизирующих или изолирующих промежуточных слоев; кроме того, под «футеровкой» подразумеваются любые наносимые слои и керамические встроенные детали, которые обладают максимальной устойчивостью к механическим, термическим и химическим воздействиям (стандарты DIN 28060 и DIN 28071). В 1986 года термин «обмуровка» был заменен термином «футеровка» (стандарт DIN 28071).By “lining” is meant a protective structure consisting of sheets, bricks or molded articles that can be bonded to each other by means of mortar or mastic, including sealing or insulating intermediate layers; in addition, "lining" refers to any applied layers and ceramic built-in parts that have maximum resistance to mechanical, thermal and chemical influences (standards DIN 28060 and DIN 28071). In 1986, the term "lining" was replaced by the term "lining" (DIN 28071 standard).
Термином «сегмент» обозначают модульные элементы каркаса в окружном направлении. Поперечные перегородки определяют разграничение сегментов в радиальном направлении. Боковые перегородки определяют положение сегментов в окружном направлении, причем просветы между соседними в окружном направлении поперечными перегородками, соответственно вставленными в эти просветы разделительными перегородками ограничивают сегмент в окружном направлении (смотри фиг. 2-4).The term "segment" refers to the modular frame elements in the circumferential direction. The transverse baffles define the delimitation of the segments in the radial direction. The side baffles determine the position of the segments in the circumferential direction, with the gaps between adjacent transverse baffles in the circumferential direction, respectively inserted into these gaps dividing baffles, limit the segment in the circumferential direction (see Fig. 2-4).
Под «гнездом» подразумевается область, которая включает две соседние в радиальном направлении поперечные перегородки в виде параллельных или концентрических дуг эллипса, предпочтительно параллельных или концентрических дуг окружности, и соответствующие боковые перегородки, а также при необходимости просвет между соседними в окружном направлении поперечными перегородками, соответственно предпочтительно вставленную в этот просвет разделительную перегородку (смотри фиг. 2-4).By "nest" is meant a region which includes two radially adjacent transverse baffles in the form of parallel or concentric arcs of an ellipse, preferably parallel or concentric arcs of a circle, and respective side baffles, and optionally also a gap between the transverse baffles adjacent in circumferential direction, respectively. preferably inserted into this gap dividing wall (see Fig. 2-4).
Определения «спереди» или «передняя сторона» используют при обозначении поверхности, обращенной к внутренней стороне реактора. Определения «позади», «наружный» или «обратная сторона» используют при обозначении поверхности, обращенной к наружной окружности реактора. Определения «верхний», «нижний» и «боковой» относятся к вертикально стоящему реактору. Определения «нижний», «средний» и «верхний» используют в геодезическом смысле.The terms "front" or "front side" are used when referring to the surface facing the inside of the reactor. The terms "behind", "outside" or "back side" are used when referring to the surface facing the outer circumference of the reactor. The definitions "top", "bottom" and "side" refer to a vertically standing reactor. The terms "lower", "middle" and "upper" are used in the geodetic sense.
Под «керамическими волокнистыми композиционными материалами» подразумеваются армированные волокнами керамические, в частности, оксидные керамические материалы, описанные, например, в публикации М. Шмюкера „Faserverstärkte oxidkeramische Werkstoffe", Materialwissenschaf-ten und Werkstofftechnik, 2007, 38, No. 9, 698-704. Керамический волокнистый композиционный материал содержит волокнистый каркас, ткань, холст, трикотажную ткань и/или плетеный материал из керамических волокон, а также наполняющую матрицу из спеченного керамического порошка.By "ceramic fibrous composite materials" is meant fibre-reinforced ceramic, in particular oxide ceramic materials, as described, for example, in M. Schmücker's publication "Faserverstärkte oxidkeramische Werkstoffe", Materialwissenschaf-ten und Werkstofftechnik, 2007, 38, No. 9, 698- 704. Ceramic fibrous composite material contains a fibrous frame, fabric, canvas, knitted fabric and/or woven material from ceramic fibers, as well as a filling matrix of sintered ceramic powder.
Таким образом, волокнистые композиционные материалы характеризуются наличием матрицы из керамических частиц, между которыми заделаны керамические волокна, в частности, непрерывные волокна длиной более 50 мм в виде паковок пряжи или в виде текстильного материала. Речь при этом идет об армированной волокнами керамике, композиционной керамике или волокнистой керамике. При этом матрица и волокна в принципе могут быть выполнены из любых известных керамических материалов, причем в качестве керамического материала рассматривается также углерод.Thus, fibrous composite materials are characterized by the presence of a matrix of ceramic particles, between which ceramic fibers are embedded, in particular continuous fibers with a length of more than 50 mm in the form of yarn packages or in the form of a textile material. These are fibre-reinforced ceramics, composite ceramics or fiber ceramics. In this case, the matrix and fibers can in principle be made of any known ceramic materials, carbon being also considered as a ceramic material.
Под «оксидной волокнистой композиционной керамикой, соответственно оксидным волокнистыми композиционными материалами» подразумевается матрица из оксидных керамических частиц, содержащая керамические, оксидные и/или неоксидные волокна.By "oxide fibrous composite ceramics or oxide fibrous composites" is meant a matrix of oxide ceramic particles containing ceramic, oxide and/or non-oxide fibres.
Предпочтительными оксидами волокон и/или матрицы являются оксиды элемента, выбранного из группы, включающей Be, Mg, Са, Sr, Ва, редкоземельные металлы, Th, U, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, B, Ai, Ga, Si, Ge, Sn, Li, Na, K, Rb, Cs, Re, Ru, Os, Ir, Pt, Rh, Pd, Cu, Ag, Au, Cd, In, Ti, Pb, P, As, Sb, Bi, S, Se, Те, а также смеси соответствующих оксидов.Preferred fiber and/or matrix oxides are oxides of an element selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Sr, Ba, rare earth metals, Th, U, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W , Mn, Fe, Co, Ni, Zn, B, Ai, Ga, Si, Ge, Sn, Li, Na, K, Rb, Cs, Re, Ru, Os, Ir, Pt, Rh, Pd, Cu, Ag , Au, Cd, In, Ti, Pb, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, as well as mixtures of the corresponding oxides.
Смеси предпочтительно пригодны в качестве материала как волокон, так и матрицы. Волокна и матрица в общем случае не должны состоять из одного и того же материала.Blends are preferably suitable as both fiber and matrix material. The fibers and the matrix generally do not have to be made of the same material.
В принципе пригодны и важны не только бинарные смеси, но и смеси, состоящие из трех или более оксидов. Смеси могут содержать одинаковые молярные количества отдельных компонентов, однако в предпочтительном варианте концентрации отдельных компонентов значительно отличаются друг от друга и могут составлять менее 1%, то есть могут соответствовать характерным для примесей содержаниям.In principle, not only binary mixtures are suitable and important, but also mixtures consisting of three or more oxides. The mixtures may contain the same molar amounts of the individual components, however, in the preferred embodiment, the concentrations of the individual components differ significantly from each other and may be less than 1%, that is, they may correspond to the contents characteristic of impurities.
Особенно предпочтительными являются бинарные и тройные смеси оксида алюминия, оксида циркония и оксида иттрия (например, усиленный оксидом циркония оксид алюминия); смеси карбида кремния и оксида алюминия; смеси оксида алюминия и оксида магния (MgO-шпинель); смеси оксида алюминия и оксида кремния (муллит); смесь силикатов алюминия с силикатами магния; тройная смесь оксида алюминия, оксида кремния и оксида магния (кордиерит); стеатит (силикат магния); усиленный оксидом циркония оксид алюминия; стабилизированный оксид циркония (ZrO2) (при этом в качестве стабилизаторов используют оксид магния (MgO), оксид кальция (СаО) и оксид иттрия (Y2O3), а в некоторых случаях также оксид церия (CeO2), оксид скандия (SCO3) или оксид иттербия (YbO3); титанат алюминия (стехиометрическая смесь оксида алюминия с оксидом титана); нитрид кремния и оксид алюминия (SIALON).Particularly preferred are binary and ternary mixtures of alumina, zirconium oxide and yttrium oxide (eg zirconia-reinforced alumina); mixtures of silicon carbide and aluminum oxide; mixtures of aluminum oxide and magnesium oxide (MgO-spinel); mixtures of aluminum oxide and silicon oxide (mullite); a mixture of aluminum silicates with magnesium silicates; a ternary mixture of aluminum oxide, silicon oxide and magnesium oxide (cordierite); steatite (magnesium silicate); zirconia-reinforced alumina; stabilized zirconium oxide (ZrO 2 ) (while magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO) and yttrium oxide (Y 2 O 3 ), and in some cases also cerium oxide (CeO 2 ), scandium oxide ( SCO 3 ) or ytterbium oxide (YbO 3 ), aluminum titanate (stoichiometric mixture of aluminum oxide with titanium oxide), silicon nitride and aluminum oxide (SIALON).
В качестве усиленного оксидом циркония оксида алюминия предпочтительно используют Al2O3, содержащий от 10 до 20% мол. ZrO2. Для стабилизации ZrO2 предпочтительно можно использовать от 10 до 20% мол., предпочтительно 16% мол. СаО, от 10 до 20% мол., предпочтительно 16% мол. MgO, от 5 до 10% мол., предпочтительно 8% мол. Y2O3 (полностью стабилизированный оксид циркония) или от 1 до 5% мол., предпочтительно 4% мол. Y2O3 (частично стабилизированный оксид циркония). Предпочтительной тройной смесью является, например, смесь, состоящая из 80% Al2O3, 18,4% ZrO2 и 1,6% Y2O3.As reinforced with zirconium oxide, alumina is preferably used Al 2 O 3 containing from 10 to 20 mol%. ZrO 2 . To stabilize ZrO 2 preferably you can use from 10 to 20 mol.%, preferably 16% mol. CaO, from 10 to 20% mol., preferably 16% mol. MgO, from 5 to 10% mol., preferably 8% mol. Y 2 O 3 (fully stabilized zirconium oxide) or from 1 to 5% mol., preferably 4% mol. Y 2 O 3 (partially stabilized zirconium oxide). A preferred ternary mixture is, for example, a mixture consisting of 80% Al 2 O 3 , 18.4% ZrO 2 and 1.6% Y 2 O 3 .
Наряду с указанными выше материалами (смесями и отдельными компонентами) в оксидной керамической матрице можно использовать также волокна из базальта, нитрида бора, карбида вольфрама, нитрида алюминия, диоксида титана, титаната бария, цирконата-титаната свинца и/или карбида бора.In addition to the materials mentioned above (mixtures and individual components), fibers of basalt, boron nitride, tungsten carbide, aluminum nitride, titanium dioxide, barium titanate, lead zirconate titanate and/or boron carbide can also be used in the oxide ceramic matrix.
В качестве волокон пригодны армирующие волокна, которые относятся к классам оксидных, карбидных и нитридных волокон (соответственно углеродные волокна и SiBCN-волокна). В частности, волокнами, содержащимися в керамическом композиционном материале, являются волокна из оксида алюминия, муллита, карбида кремния, оксида циркония и/или углерода. При этом муллит состоит из смешанных кристаллов оксида алюминия и оксида кремния. Предпочтительным является использование волокон из оксидной керамики (Al2O3, SiO2, муллита) или неоксидной керамики (С, SiC).Suitable fibers are reinforcing fibers which belong to the classes of oxide, carbide and nitride fibers (respectively carbon fibers and SiBCN fibers). In particular, the fibers contained in the ceramic composite material are fibers of alumina, mullite, silicon carbide, zirconium oxide and/or carbon. In this case, mullite consists of mixed crystals of aluminum oxide and silicon oxide. It is preferable to use oxide ceramic fibers (Al 2 O 3 , SiO 2 , mullite) or non-oxide ceramic fibers (C, SiC).
Предпочтительному использованию подлежат устойчивые к ползучести волокна, то есть волокна, которые в диапазоне ползучести (температурной области до 1400°С) отличаются отсутствием или минимальным возрастанием остаточной деформации (удлинения при ползучести) во времени. Согласно данным фирмы 3М волокна NEXTEL характеризуются следующими значениями предельной температуры для остаточного удлинения 1% после 1000 часов воздействия растягивающей нагрузки, составляющей 70 МПа: NEXTEL 440-875°С, NEXTEL 550, соответственно NEXTEL 610-1010С, NEXTEL 720-1120°С (смотри Nextel™ Ceramic Textiles Technical Notebook, 3М, 2004).Creep-resistant fibers are preferred, i.e. fibers which, in the creep range (temperature range up to 1400° C.), are characterized by the absence or minimal increase in permanent deformation (creep elongation) over time. According to 3M data, NEXTEL fibers are characterized by the following temperature limits for residual elongation of 1% after 1000 hours of exposure to a tensile load of 70 MPa: NEXTEL 440-875°C, NEXTEL 550, respectively NEXTEL 610-1010C, NEXTEL 720-1120°C ( see Nextel™ Ceramic Textiles Technical Notebook, 3M, 2004).
Диаметр волокон предпочтительно составляет от 1 до 50 мкм, предпочтительно от 5 до 20 мкм, особенно предпочтительно от 8 до 15 мкм. Волокна предпочтительно сплетают друг с другом в текстильные материалы (обычно с полотняным или сатиновым переплетением), вяжут в рукава или в виде жгута наматывают вокруг формы. Для изготовления комбинированной керамической системы жгуты волокон или волокнистую ткань пропитывают шликером, который содержит, например, компоненты будущей керамической матрицы, предпочтительно оксид алюминия или муллит (Schműcker, М. (2007), Faserverstärkte oxidkeramische Werkstoffe, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 38(9), 698-704). В результате заключительной термической обработки при температуре выше 700°С возникает высокопрочная композитная структура из керамических волокон и керамической матрицы, прочность которой при растяжении предпочтительно составляет более 50 МПа, предпочтительно более 70 МПа, предпочтительнее более 100 МПа, в частности, более 120 МПа.The fiber diameter is preferably 1 to 50 µm, preferably 5 to 20 µm, particularly preferably 8 to 15 µm. The fibers are preferably woven together into textile materials (usually plain or satin weave), knitted into sleeves, or wound around a mould. For the manufacture of a combined ceramic system, fiber bundles or fibrous fabric are impregnated with a slurry that contains, for example, components of the future ceramic matrix, preferably aluminum oxide or mullite (Schműcker, M. (2007), Faserverstärkte oxidkeramische Werkstoffe, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 38(9), 698-704). As a result of the final heat treatment at a temperature above 700°C, a high-strength composite structure of ceramic fibers and a ceramic matrix is obtained, the tensile strength of which is preferably more than 50 MPa, preferably more than 70 MPa, more preferably more than 100 MPa, in particular more than 120 MPa.
В предпочтительном варианте в качестве керамического волокнистого композиционного материала используют систему SiC/Al2O3, SiC/муллит, C/Al2O3, С/муллит, Al2O3/Al2O3, Al2O3/муллит, муллит/Al2O3 и/или муллит/муллит. При этом перед косой чертой указан материал волокон, а после косой черты материал матрицы. В качестве матрицы керамического волокнистого композиционного материала можно использовать также силоксаны, кремниевые прекурсоры и самые разные оксиды, в том числе также, например, оксид циркония. Керамический волокнистый композиционный материал предпочтительно содержит по меньшей мере 99% масс. оксида алюминия и/или муллита.Preferably, the system SiC/Al 2 O 3 , SiC/mullite, C/Al 2 O 3 , C/mullite, Al 2 O 3 /Al 2 O 3 , Al 2 O 3 /mullite, mullite/Al 2 O 3 and/or mullite/mullite. In this case, before the slash, the material of the fibers is indicated, and after the slash, the material of the matrix. Siloxanes, silicon precursors and a wide variety of oxides can also be used as the matrix of the ceramic fiber composite material, including also, for example, zirconium oxide. Ceramic fibrous composite material preferably contains at least 99% of the mass. alumina and/or mullite.
В соответствии с настоящим изобретением предпочтительному использованию подлежат волокнистые композиты на основе волокон из оксидной керамики, например, волокон 3М™ NEXTEL™ 312, NEXTEL™ 440, NEXTEL™ 550, NEXTEL™ 610, NEXTEL™720, или волокон MvM 1415N, MvM 1415N-2220, AvM 1415N, AvM 1415N-3000, FW12 и/или FW30 фирмы Walter E.C. Pritzkow Spezialkeramik. Особенно предпочтительным является использование волокон NEXTEL 610, NEXTEL 720, а также волокон AvM 1415N-3000 и/или FW30. Кроме того, предпочтительно можно использовать волокна японской фирмы Nitivy.In accordance with the present invention, fiber composites based on oxide ceramic fibers, for example, 3M™ NEXTEL™ 312, NEXTEL™ 440, NEXTEL™ 550, NEXTEL™ 610, NEXTEL™ 720 fibers, or MvM 1415N, MvM 1415N- 2220, AvM 1415N, AvM 1415N-3000, FW12 and/or FW30 from Walter E.C. Pritzkow Spezialkeramik. Particularly preferred is the use of NEXTEL 610, NEXTEL 720 fibers as well as AvM 1415N-3000 and/or FW30 fibers. In addition, fibers from the Japanese company Nitivy can preferably be used.
Степень наполнения матрицы волокнами (объемная доля волокон в структуре композиционного материала) предпочтительно составляет от 20 до 40%, в то время как общее содержание твердых веществ в структуре композиционного материала предпочтительно составляет от 50 до 80%. Волокнистые керамические композиционные материалы на основе оксидных керамических волокон отличаются химической стойкостью в окисляющей и восстанавливающей газовой атмосфере, то есть отсутствием изменения массы после выдержки в атмосфере воздуха при 1200°С в течение 15 часов (смотри Nextel™ Ceramic Textiles Technical Notebook, 3М, 2004) и термической стабильностью до 1300°С. Волокнистые керамические композиционные материалы характеризуются квазипластичным поведением при деформации. Следовательно, они характеризуются стойкостью к циклическому воздействию тепловых нагрузок и квазивязким поведением при разрушении. Таким образом, признаки отказа соответствующего элемента конструкции обнаруживаются, прежде чем происходит его разрушение.The degree of filling of the matrix with fibers (volume fraction of fibers in the structure of the composite material) is preferably from 20 to 40%, while the total solids content in the structure of the composite material is preferably from 50 to 80%. Fibrous ceramic composite materials based on oxide ceramic fibers are characterized by chemical resistance in an oxidizing and reducing gas atmosphere, that is, no change in mass after exposure to air at 1200 ° C for 15 hours (see Nextel™ Ceramic Textiles Technical Notebook, 3M, 2004) and thermal stability up to 1300°C. Fibrous ceramic composite materials are characterized by quasi-plastic behavior during deformation. Consequently, they are characterized by resistance to thermal cycling and quasi-ductile fracture behavior. Thus, signs of failure of the corresponding structural element are detected before its destruction occurs.
Пористость волокнистого композиционного материала предпочтительно составляет от 20 до 50%, а, следовательно, он не является газонепроницаемым согласно приведенному в стандарте DIN 623-2 определению. Температура долговременной эксплуатации волокнистого композиционного материала предпочтительно достигает 1500°С, предпочтительно 1400°С, особенно предпочтительно 1300°С. Прочность волокнистого композиционного материала предпочтительно составляет более 50 МПа, предпочтительно более 70 МПа, особенно предпочтительно более 100 МПа, в частности, более 120 МПа. Предельное удлинение волокнистого композиционного материала при упругой деформации предпочтительно составляет от 0,2 до 1%. Волокнистый композиционный материал предпочтительно характеризуется стойкостью к температурным колебаниям согласно стандарту DIN EN 993-11. Коэффициент температурного расширения волокнистого композиционного материала предпочтительно составляет от 4 до 8,5 млн-1/К. Теплопроводность волокнистого композиционного материала предпочтительно составляет от 0,5 до 5 Вт/(м⋅К).The fibrous composite preferably has a porosity of 20 to 50% and is therefore not gas-tight as defined in DIN 623-2. The long-term operating temperature of the fibrous composite preferably reaches 1500°C, preferably 1400°C, particularly preferably 1300°C. The strength of the fibrous composite material is preferably more than 50 MPa, preferably more than 70 MPa, particularly preferably more than 100 MPa, in particular more than 120 MPa. The limiting elongation of the fibrous composite material under elastic deformation is preferably from 0.2 to 1%. The fibrous composite material is preferably characterized by resistance to temperature fluctuations according to DIN EN 993-11. The thermal expansion coefficient of the fibrous composite is preferably 4 to 8.5 ppm /K. The thermal conductivity of the fibrous composite material is preferably 0.5 to 5 W/(m⋅K).
Керамический волокнистый композиционный материал предпочтительно можно изготавливать методом химической пропитки из паровой фазы или методом пиролиза, в частности, методом пропитки жидким полимером или посредством химической реакции (например, пропитки жидким силиконом).The ceramic fiber composite can preferably be produced by chemical vapor impregnation or pyrolysis, in particular by liquid polymer impregnation or by chemical reaction (eg liquid silicone impregnation).
Каркас в окружном направлении предпочтительно обладает модульной структурой (смотри фиг. 2-4). Каркас в вертикальном направлении предпочтительно обладает модульной структурой (смотри фиг.5 и 6). Модульные элементы, расположенные в окружном направлении, называют сегментами. Модульные элементы, расположенные в вертикальном направлении, называют слоями. Модульный каркас включает перегородки по меньшей мере двух разных типов, причем перегородки первого типа определяют разграничение сегментов, предпочтительно сегментов футеровки, в радиальном направлении. Эти перегородки называют поперечными перегородками. Перегородки второго типа определяют положение сегментов, предпочтительно сегментов футеровки, в окружном направлении. Эти перегородки называют боковыми перегородками.The frame in the circumferential direction preferably has a modular structure (see Fig. 2-4). The framework in the vertical direction preferably has a modular structure (see FIGS. 5 and 6). Modular elements located in the circumferential direction are called segments. Modular elements arranged in a vertical direction are called layers. The modular framework includes at least two different types of baffles, the first type of baffles defining the delimitation of the segments, preferably the lining segments, in the radial direction. These partitions are called transverse partitions. The second type of baffles define the position of the segments, preferably the lining segments, in the circumferential direction. These partitions are called side partitions.
Каркас предпочтительно может включать другие элементы в форме перегородок. Подобные элементы предпочтительно вставляют в просветы между двумя соседними в окружном направлении поперечными перегородками (смотри фиг. 5). Подобные элементы называют также разделительными перегородками. В другом варианте боковое замыкание сегментов предпочтительно может быть реализовано посредством дополнительных боковых перегородок.The frame may preferably include other elements in the form of partitions. Such elements are preferably inserted into the gaps between two circumferentially adjacent transverse baffles (see FIG. 5). Such elements are also called dividing partitions. In another embodiment, the lateral closure of the segments can preferably be realized by means of additional side partitions.
Другие элементы предпочтительно можно горизонтально вставлять между двумя расположенными друг над другом слоями поперечных перегородок (смотри фиг. 7). Подобные элементы называют плоскими перегородками. Плоские перегородки предпочтительно могут служить препятствием для образования обширных конвективных потоков в пористой структуре возможно имеющейся футеровки. Кроме того, плоские перегородки предпочтительно позволяют выполнять локально ограниченную замену кирпичей возможно имеющейся футеровки без необходимости демонтажа всего каркаса.Other elements can preferably be inserted horizontally between two layers of transverse baffles located one above the other (see Fig. 7). Such elements are called flat partitions. The flat baffles can preferably act as an obstacle to the formation of extensive convective currents in the porous structure of a possibly present lining. In addition, flat baffles preferably allow locally limited replacement of bricks of possibly existing lining without having to dismantle the entire carcass.
Поперечные перегородки предпочтительно обладают формой плоских или изогнутых прямоугольных листов или цилиндрических оболочек («цилиндром является тело, ограниченное цилиндрической поверхностью с замкнутой направляющей и двумя основаниями в виде параллельных плоскостей», Bronstein, с. 251, фиг. 2.49).Transverse partitions preferably have the form of flat or curved rectangular sheets or cylindrical shells (“a cylinder is a body bounded by a cylindrical surface with a closed guide and two bases in the form of parallel planes”, Bronstein, p. 251, Fig. 2.49).
Кроме того, поперечные перегородки могут обладать формой волнистых листов. Волны могут обладать синусоидальной или треугольной формой. Амплитуда волн предпочтительно составляет от 1 до 100 мм, предпочтительно от 2 до 50 мм, в частности, от 3 до 20 мм. Длина волн предпочтительно составляет от 2 до 500 мм, предпочтительно от 5 до 200 мм, в частности, от 10 до 100 мм.In addition, the transverse partitions may be in the form of corrugated sheets. Waves can be sinusoidal or triangular in shape. The wave amplitude is preferably 1 to 100 mm, preferably 2 to 50 mm, in particular 3 to 20 mm. The wavelength is preferably 2 to 500 mm, preferably 5 to 200 mm, in particular 10 to 100 mm.
Поперечные перегородки в горизонтальной проекции образуют один или несколько многоугольников, предпочтительно правильных многоугольников, или один или несколько концентрических эллипсов, предпочтительно один или несколько концентрических кругов. Волнистые поперечные перегородки в горизонтальной проекции имеют форму периодической функции или трохоиды. Боковые перегородки предпочтительно расположены звездоообразно (смотри фиг. 2-5).The transverse partitions in plan view form one or more polygons, preferably regular polygons, or one or more concentric ellipses, preferably one or more concentric circles. Wavy transverse partitions in horizontal projection have the form of a periodic function or trochoid. The side baffles are preferably arranged in a star-like arrangement (see FIGS. 2-5).
Призма с многоугольным основанием предпочтительно включает от 3 до 60, предпочтительно от 4 до 40, в частности, от 6 до 24 поперечных перегородок. Цилиндр с основанием в форме эллипса, в частности, в форме круга предпочтительно включает от 3 до 60, предпочтительно от 4 до 40, в частности, от 6 до 24 поперечных перегородок в форме эллипса, предпочтительно в форме дуги окружности. Диаметр цилиндра с основанием предпочтительно в форме эллипса, в частности, в форме круга, соответственно диагональ многоугольника, предпочтительно правильного многоугольника, предпочтительно составляет от 0,2 до 20 м, предпочтительно от 0,5 до 15 м, в частности, от 1 до 10 м.The polygonal base prism preferably comprises 3 to 60, preferably 4 to 40, in particular 6 to 24 transverse baffles. A cylinder with a base in the shape of an ellipse, in particular in the shape of a circle, preferably comprises from 3 to 60, preferably from 4 to 40, in particular from 6 to 24 transverse partitions in the shape of an ellipse, preferably in the shape of an arc of a circle. The diameter of a cylinder with a base preferably in the form of an ellipse, in particular in the form of a circle, respectively, the diagonal of a polygon, preferably a regular polygon, is preferably from 0.2 to 20 m, preferably from 0.5 to 15 m, in particular from 1 to 10 m.
Величина просвета между двумя соседними в окружном направлении поперечными перегородками предпочтительно составляет от 0 до 200 мм, предпочтительно от 1 до 100 мм, более предпочтительно от 2 до 50 мм, в частности, от 3 до 20 мм.The gap between two circumferentially adjacent transverse baffles is preferably 0 to 200 mm, preferably 1 to 100 mm, more preferably 2 to 50 mm, in particular 3 to 20 mm.
Края соседних в окружном направлении поперечных перегородок при необходимости можно соединять внахлестку (смотри фиг. 8). Величина нахлеста предпочтительно составляет от 200 до 20 мм. Соединения внахлестку предпочтительно заполнены стойкой при высоких температурах мастикой и/или соединены посредством заклепок, предпочтительно выполненных из керамических волокнистых композиционных материалов, например, композита ОСМС(композит с матрицей из оксидной керамики).The edges of circumferentially adjacent transverse baffles can be overlapped if necessary (see FIG. 8). The overlap is preferably 200 to 20 mm. The lap joints are preferably filled with a high temperature resistant mastic and/or connected with rivets, preferably made of ceramic fiber composites, for example OCMC (Oxide Ceramic Matrix Composite).
Высота поперечных перегородок в виде листов или цилиндрических оболочек предпочтительно составляет от 100 мм до 5 м, предпочтительно от 200 мм до 3 м, в частности, от 500 мм до 2 м. Длина поперечных перегородок предпочтительно составляет от 100 мм до 5 м, предпочтительно от 250 мм до 3 м, в частности, от 500 мм до 2 м. Толщина поперечных перегородок предпочтительно составляет от 0,2 до 20 мм, предпочтительно от 0,5 до 10 мм, в частности, от 1 до 5 мм.The height of the transverse baffles in the form of sheets or cylindrical shells is preferably from 100 mm to 5 m, preferably from 200 mm to 3 m, in particular from 500 mm to 2 m. The length of the transverse baffles is preferably from 100 mm to 5 m, preferably from 250 mm to 3 m, in particular 500 mm to 2 m. The thickness of the transverse partitions is preferably 0.2 to 20 mm, preferably 0.5 to 10 mm, in particular 1 to 5 mm.
Поперечные перегородки, которые в горизонтальной проекции образуют многоугольник, предпочтительно правильный многоугольник, или эллипс, предпочтительно круг, предпочтительно обладают одинаковой высотой, шириной и толщиной. Модульный каркас предпочтительно включает несколько слоев, сформированных в виде однородных призм или цилиндров из расположенных одна над другой поперечных перегородок, предпочтительно от 1 до 100, предпочтительно от 2 до 50, в частности, от 3 до 30 слоев (смотри фиг. 4 и 5).The transverse partitions, which in plan view form a polygon, preferably a regular polygon, or an ellipse, preferably a circle, preferably have the same height, width and thickness. The modular frame preferably includes several layers formed in the form of uniform prisms or cylinders of one above the other transverse partitions, preferably from 1 to 100, preferably from 2 to 50, in particular from 3 to 30 layers (see Fig. 4 and 5) .
Общая высота расположенных друг над другом элементов предпочтительно составляет от 100 мм до 50 м, предпочтительно от 200 мм до 20 м, в частности, от 500 мм до 10 м.The overall height of the stacked elements is preferably 100 mm to 50 m, preferably 200 mm to 20 m, in particular 500 mm to 10 m.
Высота поперечных перегородок всех расположенных друг над другом слоев в модульном каркасе предпочтительно идентична.The height of the transverse partitions of all layers arranged one above the other in a modular frame is preferably identical.
Предпочтительно можно использовать параллельные или концентрические поперечные перегородки в форме дуги эллипса, предпочтительно параллельные или концентрические поперечные перегородки в форме дуги окружности, которые на горизонтальной проекции расположены в виде находящихся один в другом многоугольников, предпочтительно правильных многоугольников, соответственно в виде находящихся один в другом эллипсов, предпочтительно кругов (смотри фиг. 2-5). Предпочтительно используют от 2 до 20, предпочтительно от 2 до 5 параллельных или концентрических поперечных перегородок в форме дуги эллипса, предпочтительно параллельных или концентрических поперечных перегородок в форме дуги окружности. Расстояние между соседними в радиальном направлении многоугольниками, предпочтительно правильными многоугольниками, или соседними в радиальном направлении эллипсами, предпочтительно кругами, соответственно образованными поперечными перегородками, предпочтительно составляет от 10 до 1000 мм, предпочтительно от 20 до 500 мм, особенно предпочтительно от 40 до 250 мм. Указанное расстояние предпочтительно идентично для всех соседних в радиальном направлении поперечных перегородок.Preferably, parallel or concentric transverse baffles in the form of an arc of an ellipse can be used, preferably parallel or concentric transverse baffles in the form of an arc of a circle, which are arranged in a horizontal projection in the form of polygons located one in the other, preferably regular polygons, respectively, in the form of ellipses located one in the other, preferably circles (see Fig. 2-5). Preferably, 2 to 20, preferably 2 to 5 parallel or concentric elliptical arc-shaped transverse baffles, preferably parallel or concentric circular arc-shaped transverse baffles are used. The distance between radially adjacent polygons, preferably regular polygons, or radially adjacent ellipses, preferably circles, respectively formed by transverse partitions, is preferably 10 to 1000 mm, preferably 20 to 500 mm, particularly preferably 40 to 250 mm. Said distance is preferably identical for all radially adjacent transverse baffles.
Боковые перегородки предпочтительно выполнены в виде плоских или волнистых прямоугольных листов.The side partitions are preferably made in the form of flat or corrugated rectangular sheets.
Волны могут обладать синусоидальной или треугольной формой. Амплитуда волн предпочтительно составляет от 1 до 100 мм, предпочтительно от 2 до 50 мм, в частности, от 3 до 20 мм. Длина волн предпочтительно составляет от 2 до 500 мм, предпочтительно от 5 до 200 мм, в частности, от 10 до 100 мм.Waves can be sinusoidal or triangular in shape. The amplitude of the waves is preferably 1 to 100 mm, preferably 2 to 50 mm, in particular 3 to 20 mm. The wavelength is preferably 2 to 500 mm, preferably 5 to 200 mm, in particular 10 to 100 mm.
Боковые перегородки предпочтительно расположены перпендикулярно поперечным перегородкам.The side baffles are preferably arranged perpendicular to the transverse baffles.
Высота боковых перегородок предпочтительно составляет от 100 мм до 5 м, предпочтительно от 200 мм до 3 м, в частности, от 500 мм до 2 м. Ширина боковых перегородок предпочтительно составляет от 50 мм до 2 м, предпочтительно от 100 мм до 1 м, в частности, от 200 мм до 500 мм. Толщина боковых перегородок предпочтительно составляет от 0,2 до 20 мм, предпочтительно от 0,5 до 10 мм, в частности, от 1 до 5 мм.The height of the side partitions is preferably 100 mm to 5 m, preferably 200 mm to 3 m, in particular 500 mm to 2 m. The width of the side partitions is preferably 50 mm to 2 m, preferably 100 mm to 1 m, in particular, from 200 mm to 500 mm. The thickness of the side partitions is preferably 0.2 to 20 mm, preferably 0.5 to 10 mm, in particular 1 to 5 mm.
В случае нескольких расположенных одна над другой боковых перегородок средние боковые перегородки обладают одинаковой высотой, шириной и толщиной (смотри фиг. 6).In the case of several side partitions arranged one above the other, the middle side partitions have the same height, width and thickness (see FIG. 6).
Высота боковых перегородок в средних слоях предпочтительно составляет от 90 до 110%, предпочтительно от 95 до 105%, особенно предпочтительно от 98% до 102% от высоты поперечных перегородок, в частности, идентична высоте поперечных перегородок. Высота боковых перегородок в самом нижнем слое и в самом верхнем слое может отличаться от высоты боковых перегородок в средних слоях. Высота боковых перегородок в самом нижнем слое предпочтительно больше или меньше высоты средних перегородок на величину, составляющую от 10 до 90%, предпочтительно от 20 до 75%, особенно предпочтительно от 30 до 60%. Высота боковых перегородок в самом верхнем слое предпочтительно больше или меньше высоты средних перегородок на величину, составляющую от 10 до 90%, предпочтительно от 20 до 75%, особенно предпочтительно от 30 до 60%. В случае если высота боковых перегородок в самом нижнем слое меньше высоты средних боковых перегородок, высота перегородок в самом верхнем слое предпочтительно в аналогичной пропорции превышает высоту средних боковых перегородок. В случае если высота боковых перегородок в самом нижнем слое превышает высоту средних боковых перегородок, высота перегородок в самом верхнем слое предпочтительно в аналогичной пропорции меньше высоты средних боковых перегородок.The height of the side baffles in the middle layers is preferably 90 to 110%, preferably 95 to 105%, particularly preferably 98% to 102% of the height of the transverse baffles, in particular identical to the height of the transverse baffles. The height of the side baffles in the lowermost layer and in the uppermost layer may differ from the height of the side baffles in the middle layers. The height of the side baffles in the lowest layer is preferably greater or less than the height of the middle baffles by 10 to 90%, preferably 20 to 75%, particularly preferably 30 to 60%. The height of the side baffles in the uppermost layer is preferably greater or less than the height of the middle baffles by 10 to 90%, preferably 20 to 75%, particularly preferably 30 to 60%. If the height of the side baffles in the lowermost layer is less than the height of the middle side baffles, the height of the baffles in the uppermost layer preferably exceeds the height of the middle side baffles in a similar proportion. If the height of the side baffles in the lowermost layer is greater than the height of the middle side baffles, the height of the baffles in the uppermost layer is preferably less than the height of the middle side baffles in a similar proportion.
В самом верхнем слое верхние края боковых перегородок предпочтительно расположены в одной плоскости с верхними краями поперечных перегородок, то есть вертикальное смещение вверх или вниз предпочтительно составляет менее 5%, предпочтительно менее 2% высоты перегородок.In the topmost layer, the top edges of the side baffles are preferably coplanar with the top edges of the transverse baffles, i.e. the vertical displacement up or down is preferably less than 5%, preferably less than 2% of the height of the baffles.
Ширина и толщина самых нижних и самых верхних боковых перегородок предпочтительно идентична ширине и толщине средних боковых перегородок.The width and thickness of the lowermost and uppermost side baffles is preferably identical to the width and thickness of the middle side baffles.
В качестве альтернативы верхние края боковых перегородок в каждом слое предпочтительно расположены в одной плоскости с верхними краями поперечных перегородок, то есть вертикальное смещение вверх или вниз предпочтительно составляет менее 5%, предпочтительно менее 2% высоты перегородок. При этом высота поперечных перегородок и боковых перегородок предпочтительно идентична в каждом слое. Подобная конфигурация особенно пригодна для введения плоских перегородок.Alternatively, the top edges of the side baffles in each layer are preferably coplanar with the top edges of the transverse baffles, i.e. the vertical displacement up or down is preferably less than 5%, preferably less than 2% of the height of the baffles. In this case, the height of the transverse baffles and the side baffles is preferably identical in each layer. Such a configuration is particularly suitable for the introduction of flat baffles.
В модульном каркасе разность между количеством расположенных одна над другой боковых перегородок и количеством расположенных одна над другой поперечных перегородок предпочтительно составляет менее двух, причем предпочтительным является идентичное количество соответствующих перегородок.In a modular frame, the difference between the number of side baffles located one above the other and the number of transverse baffles located one above the other is preferably less than two, with an identical number of corresponding baffles being preferred.
При необходимости используемые разделительные перегородки предпочтительно обладают формой прямоугольных листов.If necessary, the dividing walls used are preferably in the form of rectangular sheets.
Разделительные перегородки предпочтительно расположены в призме, предпочтительно однородной призме, соответственно в цилиндре, предпочтительно в круговом цилиндре, между соседними в окружном направлении поперечными перегородками (смотри фиг. 4 и 5). Разделительные перегородки предпочтительно вставляют в просветы, которые образуются в призме, предпочтительно однородной призме, соответственно в цилиндре, предпочтительно в круговом цилиндре между соседними в окружном направлении поперечными перегородками.The partition walls are preferably arranged in a prism, preferably a homogeneous prism, or in a cylinder, preferably in a circular cylinder, between circumferentially adjacent transverse partitions (see FIGS. 4 and 5). The partition walls are preferably inserted into gaps which are formed in a prism, preferably a homogeneous prism, or in a cylinder, preferably in a circular cylinder, between circumferentially adjacent transverse partitions.
Высота разделительных перегородок предпочтительно составляет от 100 мм до 5 м, предпочтительно от 200 мм до 3 м, в частности, от 500 мм до 2 м. Длина разделительных перегородок предпочтительно составляет от 50 мм до 2 м, предпочтительно от 100 мм до 1 м, в частности, от 200 до 500 мм. Толщина разделительных перегородок предпочтительно составляет от 0,2 до 20 мм, предпочтительно от 0,5 до 10 мм, в частности, от 1 до 5 мм.The height of the partition walls is preferably 100 mm to 5 m, preferably 200 mm to 3 m, in particular 500 mm to 2 m. The length of the partition walls is preferably 50 mm to 2 m, preferably 100 mm to 1 m, in particular from 200 to 500 mm. The thickness of the partition walls is preferably 0.2 to 20 mm, preferably 0.5 to 10 mm, in particular 1 to 5 mm.
Отношение длины разделительных перегородок к длине боковых перегородок предпочтительно составляет от 0,9 до 1,25. Отношение высоты разделительных перегородок к высоте боковых перегородок предпочтительно составляет от 0,5 до 50, предпочтительно от 0,75 до 10, особенно предпочтительно от 0,9 до 5. В самом верхнем слое верхние края разделительных перегородок предпочтительно расположены в одной плоскости с верхними краями поперечных перегородок, то есть вертикальное смещение вверх или вниз предпочтительно составляет менее 5%, предпочтительно менее 2% высоты перегородок. В самом верхнем слое верхние края разделительных перегородок предпочтительно расположены в одной плоскости с верхними краями боковых перегородок, то есть вертикальное смещение вверх или вниз предпочтительно составляет менее 5%, предпочтительно менее 2% высоты перегородок.The ratio of the length of the partition walls to the length of the side walls is preferably 0.9 to 1.25. The ratio of the height of the partition walls to the height of the side partitions is preferably 0.5 to 50, preferably 0.75 to 10, particularly preferably 0.9 to 5. of the transverse baffles, i.e. the vertical displacement up or down is preferably less than 5%, preferably less than 2% of the height of the baffles. In the uppermost layer, the upper edges of the partition walls are preferably located in the same plane as the upper edges of the side walls, i.e. the vertical displacement up or down is preferably less than 5%, preferably less than 2% of the height of the partitions.
При необходимости используемые плоские перегородки в зависимости от формы поперечных перегородок предпочтительно выполнены в виде трапециевидных листов (в случае прямоугольных поперечных перегородок) или в виде листов, имеющих форму кольцевых сегментов (в случае поперечных перегородок в виде дуг окружности).If necessary, the flat partitions used, depending on the shape of the transverse partitions, are preferably made in the form of trapezoidal sheets (in the case of rectangular transverse partitions) or in the form of sheets having the form of annular segments (in the case of transverse partitions in the form of circular arcs).
Плоские перегородки предпочтительно горизонтально вставляют между двумя расположенными друг над другом слоями поперечных перегородок (смотри фиг. 7). Плоские перегородки предпочтительно снабжены выемками предпочтительно в виде прорезей или отверстий, в частности, в виде прорезей, что позволяет вставлять плоские перегородки в боковые перегородки. Плоские перегородки предпочтительно прилегают к верхним краям поперечных перегородок.The flat baffles are preferably inserted horizontally between two layers of transverse baffles located one above the other (see FIG. 7). The flat baffles are preferably provided with recesses, preferably in the form of slots or openings, in particular in the form of slots, which allow the flat baffles to be inserted into the side baffles. The flat baffles preferably bear against the upper edges of the transverse baffles.
Длина основания трапециевидных плоских перегородок предпочтительно составляет от 100 мм до 5 м, предпочтительно от 200 мм до 3 м, в частности, от 500 мм до 2 м. Высота трапециевидных плоских перегородок предпочтительно составляет от 50 мм до 2 м, предпочтительно от 100 мм до 1 м, в частности, от 200 до 500 мм. Внутренний угол равнобедренной трапеции (то есть угол между ее основанием и боковыми сторонами) предпочтительно составляет от 30° до 88°, предпочтительно от 45°до 86°, в частности, от 60° до 84°. Например, в случае 60 сегментов внутренний угол предпочтительно составляет 87°, в случае 40 сегментов предпочтительно составляет 85,5° и в случае 24 сегментов предпочтительно составляет 82,5°. Толщина трапециевидных плоских перегородок предпочтительно составляет от 0,2 до 20 мм, предпочтительно от 0,5 до 10 мм, в частности, от 1 до 5 мм.The base length of the trapezoidal flat baffles is preferably 100 mm to 5 m, preferably 200 mm to 3 m, in particular 500 mm to 2 m. The height of the trapezoidal flat baffles is preferably 50 mm to 2 m, preferably 100 mm to 1 m, in particular from 200 to 500 mm. The internal angle of an isosceles trapezoid (ie the angle between its base and sides) is preferably 30° to 88°, preferably 45° to 86°, in particular 60° to 84°. For example, in the case of 60 segments, the internal angle is preferably 87°, in the case of 40 segments, it is preferably 85.5°, and in the case of 24 segments, it is preferably 82.5°. The thickness of the trapezoidal flat baffles is preferably 0.2 to 20 mm, preferably 0.5 to 10 mm, in particular 1 to 5 mm.
Наружный радиус плоских перегородок в виде кольцевых сегментов предпочтительно составляет от 0,1 до 10 м, предпочтительно от 0,25 до 7,5 м, в частности, от 0,5 до 5 м. Ширина плоских перегородок в виде кольцевых сегментов предпочтительно составляет от 50 мм до 2 м, предпочтительно от 100 мм до 1 м, в частности, от 200 до 500 мм. Угол сектора плоской перегородки в виде кольцевого сегмента составляет от 6° до 120°, предпочтительно от 9° до 90°, особенно предпочтительно от 15° до 60°. Толщина плоских перегородок в виде кольцевых сегментов предпочтительно составляет от 0,2 до 20 мм, предпочтительно от 0,5 до 10 мм, в частности, от 1 до 5 мм.The outer radius of the flat baffles in the form of annular segments is preferably from 0.1 to 10 m, preferably from 0.25 to 7.5 m, in particular from 0.5 to 5 m. 50 mm to 2 m, preferably from 100 mm to 1 m, in particular from 200 to 500 mm. The sector angle of the flat partition in the form of an annular segment is from 6° to 120°, preferably from 9° to 90°, particularly preferably from 15° to 60°. The thickness of the flat baffles in the form of annular segments is preferably 0.2 to 20 mm, preferably 0.5 to 10 mm, in particular 1 to 5 mm.
Плоские перегородки и разделительные перегородки предпочтительно могут быть также скомбинированы, образуя один конструктивный элемент (смотри фиг. 11).Flat baffles and baffles can preferably also be combined to form one structural element (see Fig. 11).
Каркас состоит из перегородок, которые посредством выемок, предпочтительно прорезей или отверстий, в частности, прорезей, предпочтительно можно вставлять друг в друга. Поперечные и боковые перегородки вставляют друг в друга предпочтительно крестообразно (смотри фиг. 4 и 5).The frame consists of partitions, which can preferably be inserted into each other by means of recesses, preferably slots or holes, in particular slots. The transverse and side partitions are inserted into each other preferably crosswise (see Fig. 4 and 5).
Обладающий модульной конструкцией каркас предпочтительно содержит от 1 до 20, предпочтительно от 2 до 10, особенно предпочтительно от 2 до 5 соседних в радиальном направлении поперечных перегородок в расчете на сегмент, соответственно слой. Обладающий модульной конструкцией каркас предпочтительно содержит от 1 до 10, предпочтительно от 1 до 5, особенно предпочтительно от 1 до 3 боковых перегородок в расчете на сегмент, соответственно слой каркаса (смотри фиг. 2).The modular frame preferably comprises 1 to 20, preferably 2 to 10, particularly preferably 2 to 5 radially adjacent transverse baffles per segment or layer. The modular frame preferably comprises 1 to 10, preferably 1 to 5, particularly preferably 1 to 3 side partitions per segment or frame layer (see FIG. 2).
При этом боковые и поперечные перегородки в самых нижних и средних слоях предпочтительно смещены относительно друг друга в вертикальном направлении. Вертикальное смещение между верхними краями боковых и поперечных перегородок в слое составляет от -90 до +90%, предпочтительно от -75 до 75%, особенно предпочтительно от 60 до +60% высоты перегородок. Верхние края разделительных перегородок и верхние края поперечных перегородок в самом верхнем слое предпочтительно лежат в одной плоскости, то есть вертикальное смещение перегородок вверх или вниз предпочтительно составляет менее 5%, предпочтительно менее 2% от их высоты. Благодаря этому перегородки предпочтительно опираются друг на друга, образуя жесткую самонесущую профилированную конструкцию из нескольких сегментов. Поперечные перегородки определяют разграничение сегментов в радиальном направлении, тогда как боковые перегородки определяют разграничение сегментов в окружном направлении.In this case, the side and transverse partitions in the lowest and middle layers are preferably offset relative to each other in the vertical direction. The vertical offset between the upper edges of the side and transverse baffles in the layer is -90 to +90%, preferably -75 to 75%, particularly preferably 60 to +60% of the height of the baffles. The upper edges of the partition walls and the upper edges of the transverse walls in the uppermost layer preferably lie in the same plane, i.e. the vertical displacement of the partition walls up or down is preferably less than 5%, preferably less than 2% of their height. Due to this, the partitions preferably bear on each other, forming a rigid self-supporting profiled structure of several segments. The transverse baffles define the delimitation of the segments in the radial direction, while the lateral baffles define the delimitation of the segments in the circumferential direction.
На каждый слой предпочтительно приходится от 3 до 60, предпочтительно от 4 до 40, особенно предпочтительно от 6 до 24 идентичных сегментов. Сегменты предпочтительно по всей высоте отделены друг от друга посредством разделительных перегородок (смотри фиг. 5).Each layer preferably has 3 to 60, preferably 4 to 40, particularly preferably 6 to 24 identical segments. The segments are preferably separated from each other over their entire height by dividing walls (see FIG. 5).
Поперечные перегородки предпочтительно снабжены одной выемкой, предпочтительно прорезью или отверстием, в частности, прорезью, в расчете на каждый боковой элемент, который расположен в том же слое того же сегмента. В случае единственной боковой перегородки выемка, предпочтительно прорезь или отверстие, в частности, прорезь, расположена в середине поперечного элемента. В случае нескольких боковых перегородок выемки, предпочтительно прорези или отверстия, в частности, прорези, расположены в поперечных перегородках симметрично относительно их середины, причем расстояние между выемками предпочтительно составляет от 5 мм до 2 м, предпочтительно от 10 мм до 1 м, в частности, от 20 до 500 мм.The transverse baffles are preferably provided with one recess, preferably a slot or opening, in particular a slot, for each side element which is located in the same layer of the same segment. In the case of a single side partition, a recess, preferably a slit or opening, in particular a slit, is located in the middle of the cross member. In the case of several side partitions, recesses, preferably slots or openings, in particular slots, are located in the transverse partitions symmetrically about their middle, the distance between the recesses being preferably 5 mm to 2 m, preferably 10 mm to 1 m, in particular from 20 to 500 mm.
Боковые перегородки в средних слоях предпочтительно снабжены одной выемкой, предпочтительно прорезью или отверстием, в частности, прорезью, в расчете на поперечную перегородку, которая предпочтительно расположена в том же слое того же сегмента. В случае единственной поперечной перегородки выемка, предпочтительно прорезь или отверстие, в частности, прорезь предпочтительно расположена на расстоянии от заднего края боковой перегородки, обращенного в сторону кожуха реактора, на расстоянии от 5 мм до 2 м, предпочтительно от 10 мм до 1 м, в частности, от 20 до 500 мм. В случае нескольких поперечных перегородок расстояние между двумя соседними выемками, предпочтительно прорезями или отверстиями, в частности, прорезями, предпочтительно составляет от 10 мм до 2 м, предпочтительно от 20 мм до 1 м, в частности, от 30 до 500 мм.The side baffles in the middle layers are preferably provided with one recess, preferably a slit or opening, in particular a slit, per transverse baffle, which is preferably located in the same layer of the same segment. In the case of a single transverse baffle, the recess, preferably a slit or opening, in particular the slit is preferably located at a distance from the rear edge of the side baffle facing the reactor shell, at a distance of 5 mm to 2 m, preferably 10 mm to 1 m, in in particular, from 20 to 500 mm. In the case of several transverse partitions, the distance between two adjacent recesses, preferably slots or holes, in particular slots, is preferably 10 mm to 2 m, preferably 20 mm to 1 m, in particular 30 to 500 mm.
Выемки, предпочтительно прорези или отверстия, в частности, прорези, выполненные во всех поперечных перегородках, предпочтительно открыты снизу. Длине выемок, предпочтительно прорезей или отверстий, в частности, прорезей, выполненных во всех поперечных перегородках сегмента и боковых перегородках, расположенных в средних слоях сегмента, предпочтительно соответствует от 10 до 90%, предпочтительно от 25 до 75%, особенно предпочтительно от 40 до 60% высоты перегородок, в частности, половина высоты перегородок.Recesses, preferably slits or openings, in particular slits, provided in all transverse baffles are preferably open at the bottom. The length of the recesses, preferably slots or openings, in particular slots, made in all transverse partitions of the segment and side partitions located in the middle layers of the segment, preferably corresponds to from 10 to 90%, preferably from 25 to 75%, especially preferably from 40 to 60 % of the height of the partitions, in particular half the height of the partitions.
Выемки, предпочтительно прорези или отверстия, в частности, прорези, выполненные в боковых перегородках средних слоев, предпочтительно открыты снизу. Длине выемок, предпочтительно прорезей или отверстий, в частности, прорезей, выполненных в боковых перегородках средних слоев, предпочтительно соответствует от 90 до ПО %, предпочтительно от 95 до 105%, особенно предпочтительно от 98 до 102% разности между высотой перегородок и длиной выемок, предпочтительно прорезей или отверстий, в частности, прорезей поперечных перегородок, причем указанная длина, в частности, идентична разности между высотой перегородок и длиной выемок, предпочтительно прорезей или отверстий, в частности, прорезей поперечных перегородок.Recesses, preferably slits or openings, in particular slits, provided in the side walls of the middle layers are preferably open at the bottom. The length of the recesses, preferably slots or holes, in particular the slots, made in the side walls of the middle layers, preferably corresponds to 90 to 10%, preferably 95 to 105%, particularly preferably 98 to 102% of the difference between the height of the partitions and the length of the recesses, preferably slits or openings, in particular slits of the transverse baffles, said length being in particular identical to the difference between the height of the baffles and the length of the recesses, preferably the slits or openings, in particular the slits of the transverse baffles.
Боковая перегородка в самом нижнем слое предпочтительно не имеет выемок. Высоте этой боковой перегородки предпочтительно соответствует от 90 до 110%, предпочтительно от 95 до 105%, особенно предпочтительно от 98 до 102% высоты выемки, выполненной в поперечных перегородках, причем высота этой боковой перегородки, в частности, идентична высоте выемки в поперечных перегородках.The side partition in the lowest layer is preferably not recessed. The height of this side partition preferably corresponds to 90 to 110%, preferably 95 to 105%, particularly preferably 98 to 102% of the height of the recess made in the transverse partitions, the height of this side partition being in particular identical to the height of the recess in the transverse partitions.
Боковая перегородка, расположенная в самом верхнем слое, снабжена выемками, предпочтительно прорезями или отверстиями, в частности, прорезями, попарно расположенными соответственно в верхнем крае и нижнем крае этой перегородки. Длина этих выемок, предпочтительно прорезей или отверстий, в частности, прорезей соответствует длине выемок, предпочтительно прорезей или отверстий, в частности, прорезей в боковых перегородках, расположенных в средних слоях.The side partition located in the uppermost layer is provided with recesses, preferably slots or holes, in particular slots located in pairs, respectively, in the upper edge and the lower edge of this partition. The length of these recesses, preferably the slots or holes, in particular the slots, corresponds to the length of the recesses, preferably the slots or holes, in particular the slots in the side walls located in the middle layers.
Под гнездом подразумевается область, которая включает две соседние в радиальном направлении поперечные перегородки в виде параллельных или концентрических дуг эллипса, предпочтительно в виде параллельных или концентрических дуг окружности, и соответствующие боковые перегородки, а также просвет между соседними в окружном направлении поперечными перегородками, соответственно предпочтительно вставленную в этот просвет разделительную перегородку (заштрихованные участки 5а-b на фиг. 2, заштрихованные участки 5a-d на фиг. 3, заштрихованные участки 5a-f на фиг. 4 и 5). Гнезда в горизонтальной проекции предпочтительно обладают прямоугольным поперечным сечением или поперечным сечением в виде кольцевого сегмента (смотри фиг. 2-5).By seat is meant a region which includes two radially adjacent transverse baffles in the form of parallel or concentric arcs of an ellipse, preferably in the form of parallel or concentric arcs of a circle, and the corresponding side baffles, as well as a gap between the transverse baffles adjacent in the circumferential direction, respectively preferably inserted into this lumen of the dividing wall (shaded
Каждый сегмент предпочтительно включает от 1 до 50, предпочтительно от 2 до 25, в частности, от 3 до 15 гнезд.Each segment preferably comprises from 1 to 50, preferably from 2 to 25, in particular from 3 to 15 sockets.
Описанную выше предлагаемую в изобретении модульную каркасную систему предпочтительно можно использовать в качестве каркасной опоры для футеровок, в частности, футеровок химических реакторов, предназначенных для осуществления высокотемпературных процессов в температурном интервале от 150 до 1900°С, предпочтительно от 400 до 1700°С, в частности, от 600 до 1500°С.The modular frame system according to the invention described above can preferably be used as a frame support for linings, in particular chemical reactor linings, intended for high-temperature processes in the temperature range from 150 to 1900°C, preferably from 400 to 1700°C, in particular , from 600 to 1500°С.
Кроме того, предлагаемую в изобретении модульную каркасную систему предпочтительно можно использовать в качестве опорной структуры для катализаторов, в частности, монолитных катализаторов (то есть катализаторных корзин, используемых в реакторах со стационарным слоем с аксиальным или радиальным потоком).In addition, the modular frame system according to the invention can preferably be used as a support structure for catalysts, in particular monolithic catalysts (ie catalyst baskets used in axial or radial flow fixed bed reactors).
Предлагаемую в изобретении модульную каркасную систему можно использовать также в качестве электрической изоляции, в частности, во внутреннем пространстве реакторов.The modular frame system according to the invention can also be used as electrical insulation, in particular in the interior of reactors.
Кроме того, предлагаемую в изобретении модульную каркасную систему можно использовать в качестве защиты от излучения.In addition, the modular frame system according to the invention can be used as a radiation shield.
Предлагаемая в изобретении модульная каркасная система в горизонтальной проекции разделяет занятое футеровкой поперечное сечение реактора на гнезда, обладающие прямоугольной формой, трапециевидной формой или формой кольцевого сегмента. Гнезда предпочтительно заполнены огнеупорными кирпичами и/или катализаторами, в частности, монолитными катализаторами. В качестве альтернативы гнезда остаются незаполненными.The modular frame system according to the invention in plan view divides the cross section of the reactor occupied by the lining into pockets having a rectangular shape, a trapezoid shape or an annular segment shape. The nests are preferably filled with refractory bricks and/or catalysts, in particular monolithic catalysts. Alternatively, the nests are left unfilled.
Поперечное сечение гнезда в горизонтальной проекции заполнено расположенными параллельно друг другу и/или последовательно кирпичами, количество которых предпочтительно составляет от 1 до 2000, предпочтительно от 2 до 500, особенно предпочтительно от 3 до 200. Совокупность находящихся внутри гнезда кирпичей называют пакетом. Поперечное сечение пакета на горизонтальной проекции предпочтительно имеет прямоугольную форму, трапециевидную форму или форму кольцевого сегмента, причем стороны, ориентированные в радиальном направлении, предпочтительно параллельны друг другу, а узкая сторона предпочтительно направлена вовнутрь.The cross section of the nest in plan view is filled with bricks arranged parallel to each other and/or in series, the number of which is preferably from 1 to 2000, preferably from 2 to 500, particularly preferably from 3 to 200. The set of bricks inside the nest is called a pack. The cross section of the bag in plan view is preferably rectangular, trapezoidal or annular segment shaped, with the radially oriented sides preferably parallel to each other and the narrow side preferably directed inwards.
Огнеупорные кирпичи предпочтительно обладают шестигранной, предпочтительно призматической формой. Верхняя и нижняя поверхности, а также передняя и задняя поверхности соответственно предпочтительно параллельны друг другу. Верхняя и нижняя поверхности предпочтительно перпендикулярны другим поверхностям шестигранника.Refractory bricks preferably have a hexagonal, preferably prismatic shape. The top and bottom surfaces and the front and back surfaces, respectively, are preferably parallel to each other. The top and bottom surfaces are preferably perpendicular to the other surfaces of the hexagon.
Кирпичи в радиальном направлении предпочтительно расположены в виде слоев кладки. Пакеты в радиальном направлении предпочтительно содержат от 1 до 40, предпочтительно от 1 до 20, особенно предпочтительно от 1 до 10 слоев кладки.The bricks in the radial direction are preferably arranged in layers of masonry. The stacks in the radial direction preferably comprise 1 to 40, preferably 1 to 20, particularly preferably 1 to 10 masonry layers.
Кирпичи в вертикальном направлении предпочтительно расположены в виде слоев кладки. Пакеты в вертикальном направлении содержат от 1 до 1000, предпочтительно от 1 до 500, особенно предпочтительно от 2 до 200, в частности, от 3 до 100 слоев кладки.Bricks in the vertical direction are preferably arranged in layers of masonry. The stacks in the vertical direction contain from 1 to 1000, preferably from 1 to 500, particularly preferably from 2 to 200, in particular from 3 to 100 layers of masonry.
В гнезде параллельно друг другу в окружном направлении предпочтительно расположены от 1 до 200, предпочтительно от 2 до 150, в частности, от 3 до 100 кирпичей.Preferably, from 1 to 200, preferably from 2 to 150, in particular from 3 to 100 bricks are arranged parallel to each other in the circumferential direction in the nest.
Швы между кирпичами пакета предпочтительно заполняют строительным раствором или клееем, либо их выполняют в виде сухих швов. Швы между кирпичами предпочтительно выполняют в виде сухих швов, то есть строительный раствор или клей для соединения кирпичей не используют. Кирпичи пакета предпочтительно укладывают в виде тычкового ряда, ложкового ряда, ряда кирпичей, поставленных на торец, ряда кирпичей, поставленных на ребро, ряда кирпичей, уложенных плашмя, а также в виде ложковой перевязки, тычковой перевязки, цепной перевязки или крестовой перевязки (смотри "Feuerfestbau", Deutsche Gesellschaft Feuerfest- und Schornsteinbau e.V., c. 76). Кирпичи пакета предпочтительно укладывают в виде ложковой перевязки, тычковой перевязки, цепной перевязки или крестовой перевязки. Кирпичи пакета особенно предпочтительно укладывают в виде цепной перевязки или крестовой перевязки.The seams between the bricks of the package are preferably filled with mortar or adhesive, or they are made in the form of dry seams. The seams between the bricks are preferably made as dry seams, i.e. no mortar or adhesive is used to join the bricks. The bricks of the package are preferably laid in the form of a tie row, a spoon row, a row of bricks placed on the end, a row of bricks placed on the edge, a row of bricks laid flat, and also in the form of a spoon ligation, a tie ligation, a chain ligation or a cross ligation (see " Feuerfestbau", Deutsche Gesellschaft Feuerfest- und Schornsteinbau e.V., p. 76). The stack bricks are preferably laid in the form of a spoon tie, a bond tie, a chain tie or a cross tie. The stack bricks are particularly preferably laid in the form of a chain tie or a cross tie.
Кроме того, возможно комбинирование видов кладки кирпичей слой за слоем в радиальном направлении. Так, например, в случае пакета с двумя слоями кладки внутренний слой в радиальном направлении предпочтительно можно укладывать в виде крестовой перевязки, а наружный слой предпочтительно в виде кладки на торец. В результате подобного комбинирования обеспечивают смещение швов между кирпичами пакета относительно друг друга. Благодаря этому прерываются просветы, которые могут возникнуть между соседними кирпичами. Это, в свою очередь, позволяет эффективно сокращать проходящие через футеровку некорректные потоки газообразной реакционной среды.In addition, it is possible to combine types of brick laying layer by layer in the radial direction. Thus, for example, in the case of a package with two layers of masonry, the inner layer in the radial direction can preferably be laid in the form of a cross ligation, and the outer layer is preferably in the form of masonry on the end. As a result of such a combination, the seams between the bricks of the package are shifted relative to each other. Due to this, gaps that may arise between adjacent bricks are interrupted. This, in turn, makes it possible to effectively reduce the incorrect flows of the gaseous reaction medium passing through the lining.
Между кирпичами и перегородками, соответственно между кирпичами разных пакетов модульной каркасной системы предпочтительно имеются просветы. Просвет между кирпичами и соседними перегородками, соответственно между кирпичами соседних в окружном направлении пакетов предпочтительно составляет от 1 до 50 мм, предпочтительно от 1 до 25 мм, особенно предпочтительно от 1 до 10 мм. Наличие данного просвета способствует тому, что отдельные кирпичи могут смещаться относительно друг друга. Кроме того, благодаря наличию данного просвета при выполнении футеровки упрощается введение кирпичей. Наряду с этим благодаря наличию просветов имеется свободное пространство, необходимое для беспрепятственного термического расширения пакета, то есть расширения пакета без возникновения напряжений.There are preferably gaps between the bricks and the partitions or between the bricks of different packages of the modular frame system. The gap between bricks and adjacent partitions or between bricks of circumferentially adjacent stacks is preferably 1 to 50 mm, preferably 1 to 25 mm, particularly preferably 1 to 10 mm. The presence of this clearance contributes to the fact that individual bricks can move relative to each other. In addition, due to the presence of this gap during the lining, the introduction of bricks is simplified. Along with this, due to the presence of gaps, there is free space necessary for unhindered thermal expansion of the package, that is, expansion of the package without stress.
Просветы между перегородками и пакетом, соответственно просветы между кирпичами соседних в окружном направлении пакетов при необходимости можно заполнять изоляционными матами, как описано ниже.The gaps between the partitions and the package, respectively the gaps between the bricks of the packages adjacent in the circumferential direction, if necessary, can be filled with insulating mats, as described below.
Вертикальное смещение между верхними краями пакета и верхними краями каркаса предпочтительно составляет менее 50 мм, предпочтительно менее 20 мм, особенно предпочтительно менее 10 мм, причем верхние края пакета и верхние края каркаса, в частности, расположены в одной плоскости, то есть вертикальное смещение вверх или вниз предпочтительно составляет менее 5%, предпочтительно менее 2% высоты поперечной перегородки. Это может быть реализовано, например, благодаря надлежащей резке кирпичей, используемых в слое пакета.The vertical offset between the top edges of the bag and the top edges of the frame is preferably less than 50 mm, preferably less than 20 mm, particularly preferably less than 10 mm, with the top edges of the bag and the top edges of the frame in particular located in the same plane, i.e. the vertical displacement upwards or down is preferably less than 5%, preferably less than 2% of the height of the transverse baffle. This can be realized, for example, by properly cutting the bricks used in the stack layer.
При этом, между слоевыми швами пакета и швами, находящимися между расположенными одна над другой поперечными перегородками нижнего и среднего слоев каркаса, как правило, имеет место вертикальное смещение. Вертикальное смещение между двумя расположенными непосредственно одна над другой поперечными перегородками и следующим слоевым швом пакета предпочтительно составляет от 0 до 50%, предпочтительно от 20 до 50% высоты кирпича.In this case, between the layered seams of the package and the seams located between the transverse partitions located one above the other of the lower and middle layers of the frame, as a rule, there is a vertical displacement. The vertical offset between two immediately above the other transverse partitions and the next layer seam of the package is preferably from 0 to 50%, preferably from 20 to 50% of the height of the brick.
В особом случае, предусматривающем использование плоских перегородок, шов между двумя расположенными одна над другой поперечными перегородками находится на уровне горизонтального шва, находящегося между двумя расположенными друг над другом слоями кирпичей. Вертикальное смещение между швом, находящимся между двумя расположенными одна над другой поперечными перегородками, и следующим горизонтальным швом, находящимся между двумя расположенными друг над другом слоями кирпичей, предпочтительно составляет менее 10 мм, предпочтительно менее 5 мм, особенно предпочтительно менее 3 мм.In the special case where flat partitions are used, the seam between two transverse partitions located one above the other is at the level of a horizontal seam located between two layers of bricks located one above the other. The vertical offset between the joint located between two transverse partitions located one above the other and the next horizontal joint located between two layers of bricks located one above the other is preferably less than 10 mm, preferably less than 5 mm, particularly preferably less than 3 mm.
Стороны кирпичей предпочтительно могут быть плоскими. В качестве альтернативы стороны кирпичей могут быть снабжены надлежащим образом выполненными выступами (шпунт/гребень) и выемками, а, следовательно, соответствующие кирпичи могут быть соединены друг с другом с геометрическим замыканием посредством соединения «шпунт-гребень» (смотри стандарт DIN 1057).The sides of the bricks may preferably be flat. As an alternative, the sides of the bricks can be provided with appropriately designed tongues and grooves, and therefore the respective bricks can be positively connected to each other by a tongue-and-groove connection (see DIN 1057).
Передняя сторона внутреннего слоя пакета предпочтительно контактирует с реакционной зоной, в то время как по бокам и с тыльной стороны внутренний слой пакета предпочтительно ограничен предлагаемым в изобретении каркасом.The front side of the inner layer of the bag is preferably in contact with the reaction zone, while the sides and back of the inner layer of the bag is preferably limited by the frame according to the invention.
В соответствии с настоящим изобретением под «огнеупорными кирпичами» подразумеваются керамические изделия и материалы с эксплуатационной температурой, превышающей 600°С. Согласно приведенному в стандарте DIN 51060 определению (смотри также стандарт ISO 150) огнеупорами следует считать лишь те материалы, которые характеризуются точкой падения конуса Зегера (SK), превышающей 17, что примерно соответствует температуре 1500°С. Данная предельная температура почти соответствует точке плавления железа и имеет важное значение для таможенного права и горнодобывающей промышленности.In accordance with the present invention, "refractory bricks" refers to ceramic products and materials with a service temperature in excess of 600°C. According to the definition given in DIN 51060 (see also ISO 150), only those materials should be considered refractories that have a Seger cone (SK) point of incidence greater than 17, which corresponds approximately to a temperature of 1500°C. This temperature limit is close to the melting point of iron and is important for customs law and the mining industry.
Кирпичи на внутренней стороне футеровки предпочтительно обладают следующим комплексом свойств: (i) хорошей теплоизолирующей способностью в температурном интервале от 1000 до 1700°С, (ii) высокой прочностью, (iii) устойчивостью к истиранию, (iv) незначительной открытой пористостью, (v) устойчивостью к температурным колебаниям, (vi) хорошей электроизолирующей способностью. Хорошая теплоизолирующая способность означает, что теплопроводность составляет менее 2 Вт/м/К, предпочтительно менее 1 Вт/м/К. Высокая прочность означает, что предел прочности на сжатие в холодном состоянии составляет более 5 МПа, предпочтительно более 10 МПа. Высокая стойкость к истиранию коррелирует с твердостью материала. Керамические пеноматериалы обладают незначительной открытой пористостью, если содержание замкнутых пор составляет более 1%, предпочтительно более 5%, особенно предпочтительно более 10%. Материал характеризуется высокой устойчивостью к температурным колебаниям, если он выдерживает испытание согласно стандарту DIN V ENV 820-3. Хорошая электроизолирующая способность материала означает, что его удельное электрическое сопротивление составляет более 109 Ом⋅м, предпочтительно более 1011 Ом⋅м.Bricks on the inner side of the lining preferably have the following set of properties: (i) good thermal insulation ability in the temperature range from 1000 to 1700°C, (ii) high strength, (iii) abrasion resistance, (iv) low open porosity, (v) resistance to temperature fluctuations, (vi) good electrical insulating ability. Good thermal insulation means that the thermal conductivity is less than 2 W/m/K, preferably less than 1 W/m/K. High strength means that the cold compressive strength is more than 5 MPa, preferably more than 10 MPa. High abrasion resistance correlates with the hardness of the material. Ceramic foams have little open porosity if the content of closed cells is more than 1%, preferably more than 5%, particularly preferably more than 10%. The material is highly resistant to temperature fluctuations if it passes the test according to DIN V ENV 820-3. Good electrical insulating ability of the material means that its electrical resistivity is more than 109 ohm⋅m, preferably more than 1011 ohm⋅m.
Характеристики кирпичей, в частности, состав, прочность, форма и размеры приведены в стандарте DIN 1057 («Строительные материалы для свободно стоящих дымовых труб»), стандарте DIN 1081 («Керамические огнеупорные материалы: огнеупорные прямоугольные кирпичи») и стандарте DIN 1082 («Керамические огнеупорные материалы: огнеупорные клинчатые(сводные) кирпичи»).The characteristics of the bricks, in particular the composition, strength, shape and dimensions, are given in DIN 1057 (“Building materials for free-standing chimneys”), DIN 1081 (“Ceramic refractory materials: refractory rectangular bricks”) and DIN 1082 (“ Ceramic refractory materials: refractory wedge (pivot) bricks).
Огнеупорными кирпичами предпочтительно являются выполненные из огнеупорных материалов фасонные кирпичи. Материал огнеупорных кирпичей предпочтительно следует выбирать в зависимости от технологических температур и технологического режима. Кроме того, материал огнеупорных кирпичей предпочтительно следует выбирать в зависимости от радиального положения (слоя кладки) внутри футеровки.The refractory bricks are preferably shaped bricks made of refractory materials. The material of the refractory bricks should preferably be selected depending on the process temperatures and process conditions. In addition, the material of the refractory bricks should preferably be selected depending on the radial position (layer of masonry) within the lining.
Материалами контактирующего с рабочей средой внутреннего слоя кладки предпочтительно являются пенокерамические или огнеупорные материалы согласно приведенной в стандарте DIN EN 12475 классификации, в частности, продукты на основе глинозема-диоксида кремния, например, шамот, корунд, муллит и кордиерит, базовые продукты, например, магнезия, магнезия-оксид хрома, магнезия-шпинель, магнезия-силикат циркония, или базовые продукты со связанным углеродом, прежде всего корунд, муллит и кордиерит. Керамические пеноматериалы описаны, например в немецком патенте DE 102015202277 и международной заявке WO 07/22750. Особенно пригодными являются вспененные керамические материалы с замкнутыми порами, поставляемые под торговым названием Halfoam Alumina™.The materials of the inner layer of the masonry that come into contact with the medium are preferably ceramic foam or refractory materials according to the classification given in DIN EN 12475, in particular products based on alumina-silica, such as chamotte, corundum, mullite and cordierite, base products, such as magnesia , magnesia-chromium oxide, magnesia-spinel, magnesia-zirconium silicate, or base products with fixed carbon, especially corundum, mullite and cordierite. Ceramic foams are described, for example, in German patent DE 102015202277 and international application WO 07/22750. Closed-cell ceramic foams sold under the trade name Halfoam Alumina™ are particularly suitable.
Фасонные кирпичи внутреннего слоя кладки наиболее предпочтительно выполнены из вспененного керамического материала, поставляемого под торговым названием Halfoam Alumina™.The shaped bricks of the inner layer of the masonry are most preferably made of a foamed ceramic material available under the trade name Halfoam Alumina™.
Кроме того, настоящее изобретение относится к фасонным кирпичам, содержащим пенокерамику, в частности, пенокерамику с закрытыми порами. Предлагаемые в изобретении фасонные кирпичи предпочтительно содержат керамические пеноматериалы из продуктов на основе глинозема-диоксида кремния, например, шамота, корунда, муллита и кордиерита, базовых продуктов, например, магнезии, магнезии-оксида хрома, магнезии-шпинели, магнезии-силиката циркония, или базовых продуктов со связанным углеродом, прежде всего корунда, муллита и кордиерита.In addition, the present invention relates to shaped bricks containing ceramic foam, in particular closed-cell ceramic foam. The shaped bricks according to the invention preferably comprise ceramic foams made from alumina-silica based products such as chamotte, corundum, mullite and cordierite, base products such as magnesia, magnesia-chromium oxide, magnesia-spinel, magnesia-zirconium silicate, or base products with fixed carbon, primarily corundum, mullite and cordierite.
Настоящее изобретение относится также к комбинации кирпичей, включающей несколько последовательно расположенных в радиальном направлении слоев пакетов из кирпичей.The present invention also relates to a combination of bricks comprising several layers of stacks of bricks arranged in series in the radial direction.
Материалы второго слоя (в направлении изнутри) предпочтительно обладают следующим комплексом свойств: термостойкостью выше 1500°С, теплопроводностью менее 1 Вт/м/К, предпочтительно менее 0,5 Вт/м/К, и пределом прочности на сжатие в холодном состоянии более 1 МПа, предпочтительно более 2 МПа. Данным комплексом свойств обладают пеноматериалы, а также литые или экструдированные огнеупорные легковесные кирпичи. Во втором слое используют, например, торговые продукты Halfoam, Carath FL® или PROMATON®.The materials of the second layer (inward direction) preferably have the following set of properties: heat resistance above 1500° C., thermal conductivity less than 1 W/m/K, preferably less than 0.5 W/m/K, and cold compressive strength greater than 1 MPa, preferably more than 2 MPa. Foam materials, as well as cast or extruded refractory lightweight bricks, have this set of properties. In the second layer, for example, commercial products Halfoam, Carath FL® or PROMATON® are used.
Материалы третьего слоя (в направлении изнутри) предпочтительно обладают следующим комплексом свойств: термостойкостью выше 1200°С, теплопроводностью менее 0,5 Вт/м/К, предпочтительно менее 0,2 Вт/м/К, и пределом прочности на сжатие в холодном состоянии более 0,5 МПа, предпочтительно более 1 МПа. Данным комплексом свойств предпочтительно обладают вакуумформованные древесноволокнистые плиты. В третьем слое используют, например, торговые продукты PROMATON® или ALTRA®.The materials of the third layer (inward direction) preferably have the following set of properties: heat resistance above 1200° C., thermal conductivity less than 0.5 W/m/K, preferably less than 0.2 W/m/K, and cold compressive strength more than 0.5 MPa, preferably more than 1 MPa. Vacuum-formed fibreboards preferably have this set of properties. In the third layer, for example, commercial products PROMATON® or ALTRA® are used.
Материалы четвертого слоя (в направлении изнутри) предпочтительно обладают следующим комплексом свойств: термостойкостью выше 1000°С, теплопроводностью менее 0,2 Вт/м/К, предпочтительно мене 0,05 Вт/м/К, и пределом прочности на сжатие в холодном состоянии более 0,1 МПа, предпочтительно более 0,2 МПа. Данным комплексом свойств предпочтительно обладают вакуумформованные древесноволокнистые плиты или плиты из микропористого пирогенного диоксида кремния. В четвертом слое используют, например, торговые продукты ALTRA® или MICROTHERM®.The materials of the fourth layer (inward direction) preferably have the following set of properties: heat resistance above 1000° C., thermal conductivity less than 0.2 W/m/K, preferably less than 0.05 W/m/K, and cold compressive strength more than 0.1 MPa, preferably more than 0.2 MPa. Vacuum-formed fibreboards or microporous fumed silica boards preferably have this set of properties. The fourth layer uses, for example, commercial products ALTRA® or MICROTHERM®.
Изобретение относится также к комбинации кирпичей, содержащей несколько последовательно расположенных в радиальном направлении пакетов кирпичей из (i) вспененной керамики и (ii) спеченной литой или экструдированной керамики, из (i) вспененной керамики, (ii) спеченной литой или экструдированной керамики и (iii) прессованных керамических волокон, или из (i) вспененной керамики, (ii) спеченной литой или экструдированной керамики, (iii) прессованных керамических волокон и (iv) вакуумформованных древесноволокнистых плит или содержащих микропористый пирогенный диоксид кремния панелей.The invention also relates to a combination of bricks comprising a plurality of stacks of bricks arranged in series in the radial direction of (i) foamed ceramics and (ii) sintered cast or extruded ceramics, of (i) foamed ceramics, (ii) sintered cast or extruded ceramics and (iii) ) pressed ceramic fibers, or from (i) foamed ceramics, (ii) sintered cast or extruded ceramics, (iii) pressed ceramic fibers and (iv) vacuum formed fibreboards or panels containing microporous fumed silica.
Поверхность состоящего из фасонных кирпичей, предпочтительно керамических пеноматерналов внутреннего слоя футеровки может быть необработанной или может быть снабжена покрытием. Покрытие предпочтительно предназначено для герметизации поверхности футеровки и ее защиты от истирания. Покрытие, например, защитный слой, предпочтительно наносят на торцовую сторону, тыльную сторону, верхнюю сторону, нижнюю сторону и/или на левую и правую боковые поверхности, предпочтительно на торцовую сторону, тыльную сторону, верхнюю сторону и/или нижнюю сторону, особенно предпочтительно на торцовую сторону и/или тыльную сторону, в частности, на торцовую сторону. Под торцовой стороной имеется в виду поверхность фасонного кирпича, обращенная внутрь реактора. Защитный слой предпочтительно выполнен из огнеупорных керамических материалов, например, ZrO2, YO2, Si3N4, Al2O3, предпочтительно из Al2O3. Толщина защитного слоя предпочтительно составляет от 100 мкм до 2 мм, предпочтительно от 200 мкм до 1 мм. Пористость покрытия (содержание пустот) предпочтительно составляет менее 50%, предпочтительно менее 25%, особенно предпочтительно менее 10%, в частности, менее 5%. Покрытие можно наносить на фасонные кирпичи известными специалистам методами, например, намазкой, окунанием, газопламенным напылением или плазменным напылением.The surface of the inner layer of the lining, which consists of shaped bricks, preferably ceramic foams, may be untreated or may be provided with a coating. The coating is preferably intended to seal the surface of the lining and protect it from abrasion. The coating, for example a protective layer, is preferably applied on the front side, back side, top side, bottom side and/or on the left and right side surfaces, preferably on the front side, back side, top side and/or bottom side, especially preferably on front side and/or back side, in particular on the front side. Under the end side is meant the surface of the shaped brick, facing the inside of the reactor. The protective layer is preferably made of refractory ceramic materials such as ZrO 2 , YO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , preferably Al 2 O 3 . The thickness of the protective layer is preferably 100 µm to 2 mm, preferably 200 µm to 1 mm. The porosity of the coating (void content) is preferably less than 50%, preferably less than 25%, particularly preferably less than 10%, in particular less than 5%. The coating can be applied to the shaped bricks by methods known to those skilled in the art, for example by spreading, dipping, flame spraying or plasma spraying.
Покрытие предпочтительно обладает многослойной структурой, например, состоит из тонкого слоя непористой керамики и одного или нескольких толстых слоев пористой керамики.The coating preferably has a multi-layer structure, for example, consists of a thin layer of non-porous ceramic and one or more thick layers of porous ceramic.
Примерами пригодных материалов покрытия являются наносимые кистью продукты Aremco Coatings (PP-634-AL, 634-SIC, 634-YO, 634-ZO), наносимые газопламенным или плазменным напылением продукты Oerlikon Metco, наносимые плазменным напылением продукты LWK PlasmaCera-mic, а также продукты Polytec Cotronics (нанесение кистью, заливочные массы).Examples of suitable coating materials are Aremco Coatings brushable products (PP-634-AL, 634-SIC, 634-YO, 634-ZO), Oerlikon Metco flame or plasma sprayed products, LWK PlasmaCera-mic plasma sprayed products, and Polytec Cotronics products (brush application, potting compounds).
Фасонные кирпичи предпочтительно обладают известными специалистам размерами (стандарт DIN 1081 (1988) для прямоугольных кирпичей и/или стандарт DIN 1082 (1988) для клинчатых кирпичей). При необходимости кирпичам при резке могут быть приданы индивидуальные размеры.The shaped bricks preferably have dimensions known to those skilled in the art (DIN 1081 (1988) for rectangular bricks and/or DIN 1082 (1988) for wedge bricks). If necessary, bricks can be cut to individual dimensions.
Огнеупорные кирпичи, находящиеся в разных слоях одного ряда, в вертикальном направлении могут обладать разной высотой. Это может быть реализовано, например, посредством попеременной кладки фасонных кирпичей на ребро и ложковой кладки. Благодаря этому удается исключить (i) лишние швы в зонах с незначительными аксиальными температурными градиентами или (ii) высокие механические напряжения внутри отдельных кирпичей в зонах со значительными аксиальными температурными градиентами.Refractory bricks located in different layers of the same row may have different heights in the vertical direction. This can be realized, for example, by alternately laying shaped bricks on edge and laying bricks. This avoids (i) unnecessary seams in areas with low axial temperature gradients or (ii) high mechanical stresses inside individual bricks in areas with significant axial temperature gradients.
Края пакета из огнеупорных кирпичей предпочтительно параллельны краям примыкающих к нему перегородок, соответственно просветов между соседними перегородками. Просвет между кирпичами и смежной перегородкой, соответственно просвет между кирпичами смежного в окружном направлении пакета предпочтительно составляет от 1 до 50 мм, предпочтительно от 1 до 25 мм, особенно предпочтительно от 1 до 10 мм. Указанные просветы по меньшей мере частично предпочтительно заполнены изоляционными матами из минеральных волокон.The edges of the stack of refractory bricks are preferably parallel to the edges of adjacent baffles or gaps between adjacent baffles. The gap between the bricks and the adjacent partition or the gap between the bricks of the circumferentially adjacent stack is preferably 1 to 50 mm, preferably 1 to 25 mm, particularly preferably 1 to 10 mm. Said gaps are at least partially preferably filled with insulating mats of mineral fibers.
Изоляционные маты при необходимости зафиксированы на плоских сторонах перегородок. Во время монтажа изоляционные маты предпочтительно вакуум-плотно вваривают в пленку и вакуумируют. Подготовленные подобным образом маты предпочтительно приклеивают к поперечным перегородкам, боковым перегородкам, разделительным перегородкам и/или поперечным перегородками, предпочтительно к поперечным перегородкам и/или боковым перегородкам, особенно предпочтительно к поперечным перегородкам. После монтажа пленку предпочтительно прокалывают. В результате этого маты расширяются и расклинивают кирпичи. Указанная технология описана, например, в международной заявке WO 2014/125024.Insulating mats, if necessary, are fixed on the flat sides of the partitions. During installation, the insulating mats are preferably vacuum-tight welded into the foil and evacuated. The mats prepared in this way are preferably glued to transverse partitions, side partitions, partition walls and/or transverse partitions, preferably to transverse partitions and/or side partitions, particularly preferably to transverse partitions. After installation, the film is preferably pierced. As a result, the mats expand and wedged the bricks. This technology is described, for example, in international application WO 2014/125024.
Пригодными материалами описанных выше изоляционных матов являются следующие торговые марки: ALSIFLEX-1600, ALSIFLEX-1600 (картон), PROMAFELT-1600, SILCAFLEX 160, THERMOFRAX blanket (гибкие маты), THERMOFRAX board (вакуумформованные изделия) или THERMOFRAX felt/paper (керамический строительный картон и войлок).Suitable materials for the insulation mats described above are: ALSIFLEX-1600, ALSIFLEX-1600 (cardboard), PROMAFELT-1600, SILCAFLEX 160, THERMOFRAX blanket (flexible mats), THERMOFRAX board (vacuum formed products) or THERMOFRAX felt/paper (ceramic building cardboard and felt).
Предлагаемый в изобретении каркас предпочтительно опирается на фундамент, например, на фундаментную плиту. Фундаментная плита предпочтительно служит для закрепления модульного каркаса и восприятия веса огнеупорного пакета. Фундаментная плита может быть монолитной или сегментированной. Фундаментная плита предпочтительно является сегментированной, причем каждый элемент сегментированной фундаментной плиты предпочтительно служит опорой для сегмента предлагаемой в изобретении каркасной системы.The framework according to the invention preferably rests on a foundation, for example on a foundation slab. The base plate preferably serves to anchor the modular frame and bear the weight of the refractory package. The foundation slab can be monolithic or segmented. The base slab is preferably segmented, with each element of the segmented base slab preferably supporting a segment of the frame system according to the invention.
В качестве альтернативы фундаменту предлагаемый в изобретении каркас может быть прикреплен к потолку.As an alternative to a foundation, the frame according to the invention can be attached to the ceiling.
Фундаментная плита предпочтительно свободно или жестко смонтирована на нижнем своде. Фундаментная плита предпочтительно соединена с фланцем нижнего свода посредством разъемного соединения. Фундаментная плита особенно предпочтительно соединена болтами с фланцем нижнего свода.The base plate is preferably freely or rigidly mounted on the lower roof. The base slab is preferably connected to the flange of the lower arch by means of a detachable connection. The base plate is particularly preferably bolted to the flange of the lower roof.
Фундаментная плита предпочтительно является кольцеобразной. Верхняя и нижняя стороны фундаментной плиты предпочтительно являются плоскими и параллельными друг другу. Толщина фундаментной плиты составляет от 1 до 500 мм, предпочтительно от 2 до 300 мм, особенно предпочтительно от 3 до 200 мм.The base plate is preferably annular. The top and bottom sides of the base plate are preferably flat and parallel to each other. The thickness of the base plate is 1 to 500 mm, preferably 2 to 300 mm, particularly preferably 3 to 200 mm.
Ширина кольца составляет от 50 мм до 2 м, предпочтительно от 100 мм до 1 м, в частности, от 200 до 500 мм.The width of the ring is from 50 mm to 2 m, preferably from 100 mm to 1 m, in particular from 200 to 500 mm.
Внешний край фундаментной плиты на горизонтальной проекции предпочтительно выступает за наружные поперечные перегородки каркаса из ОСМС-керамики. Внешний край фундаментной плиты выступает за наружные поперечные перегородки на величину, предпочтительно составляющую от 0 до 200 мм, предпочтительно от 5 до 100 мм, особенно предпочтительно от 10 до 50 мм. Внутренний край фундаментной плиты на горизонтальной проекции предпочтительно перекрыт внутренним слоем футеровки. Внутренний край футеровки перекрывает внутренний край фундаментной плиты на величину, предпочтительно составляющую от 0 до 100 мм, предпочтительно от 0 до 50 мм, особенно предпочтительно от 0 до 20 мм.The outer edge of the foundation slab, in plan view, preferably protrudes beyond the outer transverse baffles of the OSMS-ceramic frame. The outer edge of the base plate protrudes beyond the outer transverse partitions by an amount preferably 0 to 200 mm, preferably 5 to 100 mm, particularly preferably 10 to 50 mm. The inner edge of the foundation slab in plan view is preferably covered by an inner lining layer. The inner edge of the lining overlaps the inner edge of the base plate by an amount preferably 0 to 100 mm, preferably 0 to 50 mm, particularly preferably 0 to 20 mm.
Верхняя сторона фундаментной плиты предпочтительно снабжена пазами. Пазы предпочтительно служат для подпирания и пропускания поперечных, боковых и при необходимости разделительных перегородок самого нижнего слоя каркаса. Расположение пазов предпочтительно соответствует расположению перегородок на горизонтальной проекции каркаса.The upper side of the base plate is preferably provided with grooves. The grooves preferably serve to support and pass through the transverse, lateral and, if appropriate, dividing partitions of the lowest frame layer. The location of the grooves preferably corresponds to the location of the partitions on the horizontal projection of the frame.
Глубина пазов предпочтительно составляет от 1 мм до 500 мм, предпочтительно от 2 до 300 мм, особенно предпочтительно от 3 мм до 200 мм. Ширина пазов предпочтительно составляет от 0,2 мм до 20 мм, предпочтительно от 0,5 мм до 10 мм, в частности, от 1 мм до 5 мм. Ширина пазов предпочтительно превышает толщину вводимых в них перегородок на величину от 1 до 100%, предпочтительно от 2 до 50%, особенно предпочтительно от 5 до 20%.The depth of the grooves is preferably 1 mm to 500 mm, preferably 2 to 300 mm, particularly preferably 3 mm to 200 mm. The width of the grooves is preferably 0.2 mm to 20 mm, preferably 0.5 mm to 10 mm, in particular 1 mm to 5 mm. The width of the grooves preferably exceeds the thickness of the partitions inserted into them by 1 to 100%, preferably 2 to 50%, particularly preferably 5 to 20%.
Боковые перегородки и поперечные перегородки самого нижнего слоя каркаса предпочтительно жестко соединены с фундаментной плитой. Соединение с силовым замыканием может быть реализовано, например, посредством болтов, соединение с геометрическим замыканием посредством установочного штифта, а неразъемное соединение посредством склеивания. Фундаментная плита предпочтительно выполнена из металла, полимера и/или керамического материала, предпочтительно из металла, особенно предпочтительно из стали.The side baffles and transverse baffles of the lowest frame layer are preferably rigidly connected to the base plate. A force-locking connection can be realized, for example, by means of bolts, a form-fitting connection by means of a locating pin, and a permanent connection by means of gluing. The base plate is preferably made of metal, polymer and/or ceramic material, preferably metal, particularly preferably steel.
Поверхность фундаментной плиты при необходимости является электропроводящей или электроизолирующей. В случае металлической фундаментной плиты электроизолирующий поверхностный слой предпочтительно выполнен из эмали, керамического материала и/или полимера. Поверхность фундаментной плиты обладает электроизолирующей способностью предпочтительно местами. Особенно предпочтительно электроизолирующими являются верхняя сторона и наружный периметр фундаментной плиты.The surface of the foundation slab, if necessary, is electrically conductive or electrically insulating. In the case of a metal base plate, the electrically insulating surface layer is preferably made of enamel, ceramic material and/or polymer. The surface of the foundation slab is electrically insulating, preferably in places. Particularly preferably, the upper side and the outer perimeter of the base plate are electrically insulating.
Фундаментная плита предпочтительно снабжена элементами для крепления подъемного приспособления, посредством которого можно извлекать из реактора и монтировать футеровку в сборе или в виде сегментов.The base plate is preferably provided with elements for attaching a lifting device, by means of which it is possible to remove from the reactor and mount the lining as a whole or in segments.
Предпочтительно можно использовать так называемую многофункциональную фундаментную плиту. Подобная фундаментная плита при необходимости обладает одним или несколькими следующими отличительными признаками, (i) Фундаментная плита предпочтительно непрерывно продолжается до центра реактора. В области реакционной зоны она предпочтительно снабжена отверстиями для пропускания газа и твердого материала, (ii) Фундаментная плита предпочтительно выполнена в виде фланца нижнего свода, (iii) Фундаментная плита предпочтительно снабжена нижним электродом, находящимся в электрически обогреваемом реакторе с подвижным или стационарным слоем.Preferably, a so-called multifunctional base plate can be used. Such a foundation slab optionally has one or more of the following features: (i) The foundation slab preferably extends continuously to the center of the reactor. In the area of the reaction zone, it is preferably provided with holes for the passage of gas and solid material, (ii) The base plate is preferably made in the form of a flange of the lower dome, (iii) The base plate is preferably provided with a bottom electrode located in an electrically heated moving or stationary bed reactor.
Предпочтительной является комбинация с термической изоляцией на внутренней стороне кожуха реактора, например, посредством герметизированных в металлических оболочках теплоизоляционных панелей. Теплоизоляционные панели предпочтительно являются пористыми, причем общая пористость составляет более 45% и менее 99%, предпочтительно более 60% и менее 99%, особенно предпочтительно более 70% и менее 99%. Теплоизоляционные панели предпочтительно содержат силикат кальция, вермикулит, минеральную вату, стекловату или пирогенный диоксид кремния. Теплоизоляционные панели предпочтительно заключены в сплошные металлические оболочки. Металлические оболочки предпочтительно выполнены из листов, которые для изготовления сплошного кожуха сгибают, сваривают или соединяют пайкой. Обратная сторона оболочек предпочтительно снабжена крепежными элементами, предпочтительно крюками и/или скобами. Посредством этих крепежных деталей оболочки предпочтительно подвешивают на соответствующих фиксаторах на воспринимающем давление кожухе реактора.The combination with thermal insulation on the inside of the reactor shell is preferred, for example by thermal insulation panels sealed in metal sheaths. The thermal insulation panels are preferably porous, with a total porosity of more than 45% and less than 99%, preferably more than 60% and less than 99%, particularly preferably more than 70% and less than 99%. Thermal insulation panels preferably contain calcium silicate, vermiculite, mineral wool, glass wool or fumed silica. Thermal insulation panels are preferably enclosed in solid metal shells. The metal shells are preferably made of sheets which are bent, welded or soldered to form a continuous shell. The reverse side of the shells is preferably provided with fasteners, preferably with hooks and/or staples. By means of these fasteners, the shells are preferably hung from appropriate fixtures on the pressure-receiving reactor shell.
Кроме того, изобретение относится к устройству, предпочтительно реактору, который включает предлагаемую в изобретении модульную каркасную систему и воспринимающий давление кожух реактора, предпочтительно предлагаемую в изобретении модульную каркасную систему, футеровку и воспринимающий давление кожух реактора.Furthermore, the invention relates to an apparatus, preferably a reactor, which comprises a modular frame system according to the invention and a pressure-receiving reactor shell, preferably a modular frame system according to the invention, a lining and a pressure-receiving reactor shell.
Площадь поперечного сечения реактора предпочтительно составляет от 0,005 до 200 м2, предпочтительно от 0,05 до 100 м2, особенно предпочтительно от 0,2 до 50 м2, в частности, от 1 до 20 м2. Высота кожуха реактора предпочтительно составляет от 0,1 до 100 м, предпочтительно от 0,2 до 50 м, особенно предпочтительно от 0,5 до 20 м, в частности, от 1 до 10 м. Отношение высоты к эквивалентному диаметру кожуха реактора предпочтительно находится в интервале от 0,01 до 100, предпочтительно от 0,05 до 20, особенно предпочтительно от 0,1 до 10, еще более предпочтительно от 0,2 до 5. Толщина стенок кожуха реактора предпочтительно составляет от 1 до 300 мм, предпочтительно от 5 до 200 мм, особенно предпочтительно от 10 до 100 мм.The cross-sectional area of the reactor is preferably 0.005 to 200 m 2 , preferably 0.05 to 100 m 2 , particularly preferably 0.2 to 50 m 2 , in particular 1 to 20 m 2 . The height of the reactor shell is preferably 0.1 to 100 m, preferably 0.2 to 50 m, particularly preferably 0.5 to 20 m, in particular 1 to 10 m. The ratio of the height to the equivalent diameter of the reactor shell is preferably in the range from 0.01 to 100, preferably from 0.05 to 20, particularly preferably from 0.1 to 10, even more preferably from 0.2 to 5. The wall thickness of the reactor shell is preferably from 1 to 300 mm, preferably from 5 to 200 mm, particularly preferably 10 to 100 mm.
Предпочтительными материалами кожуха реактора являются стальные сплавы, например, сплавы 1.4541, 1.4571.Preferred reactor shell materials are steel alloys, eg alloys 1.4541, 1.4571.
Между модульной каркасной системой и воспринимающим давление кожухом реактора предпочтительно имеется сквозной зазор. Ширина этого зазора предпочтительно составляет от 0 до 100 мм, предпочтительно от 2 до 50 мм, особенно предпочтительно от 5 до 50 мм.Preferably, there is a through gap between the modular frame system and the reactor pressure housing. The width of this gap is preferably 0 to 100 mm, preferably 2 to 50 mm, particularly preferably 5 to 50 mm.
Зазор между модульной каркасной системой и воспринимающим давление кожухом реактора при необходимости может быть заполнен рыхлым насыпным слоем частиц. Частицы могут быть керамическими или металлическими. Частицам может быть придана регулярная, например, сферическая, цилиндрическая или призматическая форма, или они могут обладать нерегулярной формой. Частицы могут быть сплошными, пористыми или полыми. Частицы могут обладать одинаковым или разным размером. Частицы насыпного слоя предпочтительно обладают эквивалентным диаметром от 0,05 до 100 мм, предпочтительно от 0,1 до 50 мм, особенно предпочтительно от 0,5 до 10 мм. Эквивалентным диаметром частицы является диаметр шара, объем которого идентичен объему частицы.The gap between the modular frame system and the pressure-receiving reactor shell, if necessary, can be filled with a loose bulk layer of particles. The particles may be ceramic or metallic. The particles may be given a regular, for example, spherical, cylindrical or prismatic shape, or they may have an irregular shape. The particles may be solid, porous or hollow. The particles may have the same or different sizes. The bulk layer particles preferably have an equivalent diameter of 0.05 to 100 mm, preferably 0.1 to 50 mm, particularly preferably 0.5 to 10 mm. The equivalent diameter of a particle is the diameter of a sphere whose volume is identical to that of the particle.
Зазор между модульной каркасной системой и воспринимающим давление кожухом реактора при необходимости можно продувать направленным газовым потоком. В качестве продувочного газа предпочтительно используют диоксид углерода, водяной пар, азот, тощий воздух (разбавленный азотом воздух) и/или аргон. Продувочный газовый поток предпочтительно кольцеобразно вводят через верхний свод и выводят через фундаментную плиту футеровки. В качестве альтернативы продувочный газовый поток кольцеобразно вводят через фундаментную плиту футеровки и выводят через свод. Продувочный газовый поток предпочтительно образует газовый занавес, который отделяет реакционную зону от воспринимающего давление кожуха реактора. Благодаря этому можно предотвращать образование отложений на внутренней поверхности воспринимающего давление кожуха, а также охлаждать воспринимающий давление кожух.The gap between the modular frame system and the reactor pressure housing can be purged with a directional gas stream if necessary. The purge gas preferably used is carbon dioxide, steam, nitrogen, lean air (air diluted with nitrogen) and/or argon. The purge gas stream is preferably annularly introduced through the upper dome and discharged through the base plate of the lining. Alternatively, the purge gas stream is introduced annularly through the base plate of the lining and exited through the roof. The purge gas stream preferably forms a gas curtain which separates the reaction zone from the pressure-receiving reactor shell. Due to this, it is possible to prevent the formation of deposits on the inner surface of the pressure-receiving casing, and also to cool the pressure-receiving casing.
Блочная каркасная система при необходимости может опираться на боковые стенки воспринимающего давление кожуха. Опорные элементы могут быть выполнены из ОСМС-керамики, монолитной керамики, текстильной ткани из керамических волокон, металла или комбинации указанных материалов. Опорные элементы могут свободно располагаться между каркасом и боковыми стенками воспринимающего давление кожуха реактора или могут быть жестко соединены с ОСМС-каркасом или стенками воспринимающего давление кожуха реактора. Соединение может быть выполнено неразъемным или с геометрическим замыканием. Опорные элементы предпочтительно свободно располагаются между модульной каркасной системой и боковыми стенками воспринимающего давление кожуха реактора.The block frame system can optionally be supported on the side walls of the pressure-receiving casing. The support elements can be made of OSMS-ceramics, monolithic ceramics, ceramic fiber textiles, metal, or a combination of these materials. The support elements may be freely positioned between the frame and the side walls of the pressure-receiving reactor shell, or may be rigidly connected to the OCMS-frame or the walls of the pressure-receiving reactor shell. The connection can be made permanently or positively. The support members are preferably freely positioned between the modular frame system and the side walls of the pressure-receiving reactor shell.
В реакторе со значительными аксиальными температурными градиентами может быть предпочтительным позиционирование модульной каркасной системы лишь в той зоне реактора, в которой требуется функционирование указанной системы в качестве стойкого к высоким температурам, термически и электрически изолирующего ограничения реакционного объема. В этом случае краевые зоны воспринимающего давление кожуха реактора предпочтительно могут оставаться неизолированными.In a reactor with significant axial temperature gradients, it may be advantageous to position the modular scaffold system only in the zone of the reactor in which said system is required to function as a high temperature resistant, thermally and electrically insulating restriction of the reaction volume. In this case, the edge zones of the pressure-receiving reactor shell can preferably remain uninsulated.
Реактор предпочтительно является электрически обогреваемым реактором (смотри заявку РСТ/ЕР 2019/051466).The reactor is preferably an electrically heated reactor (see application PCT/EP 2019/051466).
Предлагаемое в изобретении устройство предпочтительно состоит из верхней, средней и нижней частей, причем в средней части смонтирована/размещена по меньшей мере одна вертикально расположенная электродная пара и причем все электроды предпочтительно размещены/заделаны в электропроводящем пакете твердых материалов. Верхняя и нижняя части устройства предпочтительно имеют форму сводов и обладают удельной проводимостью в интервале от 105 См/м до 108 См/м. Средняя часть устройства предпочтительно электрически изолирована относительно пакета твердых материалов. Верхняя и нижняя части устройства также предпочтительно электрически изолированы относительно средней части устройства. Верхний электрод предпочтительно подключен посредством верхней части устройства, а нижний электрод посредством нижней части устройства, или соответствующие электроды подключены посредством одного или нескольких, электрически контактирующих с указанными частями соединительных элементов. Отношение площади поперечного сечения верхнего и/или (предпочтительно «и») нижнего электрода к площади поперечного сечения соответствующего токопроводящего соединительного элемента, или - без использования соединительного элемента - отношение площади поперечного сечения верхнего и/или (предпочтительно «и») нижнего электрода к площади поперечного сечения соответствующей токопроводящей части устройства предпочтительно составляет от 0,1 до 10, предпочтительно от 0,3 до 3, в частности, от 0,5 до 2.The device according to the invention preferably consists of an upper, a middle and a lower part, wherein at least one vertical electrode pair is mounted/placed in the middle part, and all electrodes are preferably placed/embedded in an electrically conductive package of solid materials. The top and bottom of the device are preferably domed and have a conductivity in the range of 10 5 S/m to 10 8 S/m. The middle part of the device is preferably electrically isolated from the package of solid materials. The upper and lower parts of the device are also preferably electrically isolated from the middle part of the device. The upper electrode is preferably connected via the upper part of the device and the lower electrode via the lower part of the device, or the respective electrodes are connected via one or more connecting elements electrically in contact with said parts. The ratio of the cross-sectional area of the upper and/or (preferably "and") lower electrode to the cross-sectional area of the corresponding conductive connector, or - without the use of a connector - the ratio of the cross-sectional area of the upper and/or (preferably "and") lower electrode to the area of the cross section of the respective conductive part of the device is preferably 0.1 to 10, preferably 0.3 to 3, in particular 0.5 to 2.
В предлагаемом в изобретении устройстве, в частности, реакторе, предпочтительно осуществляют следующие высокотемпературные реакции:In the device according to the invention, in particular the reactor, the following high-temperature reactions are preferably carried out:
• Получение синтез-газа посредством риформинга углеводородов с водяным паром и/или диоксидом углерода, совместное получение водорода и пиролизного углерода посредством пиролиза углеводородов. Пригодными материалами-носителями, в частности, являются грануляты, содержащие углерод, грануляты, содержащие карбид кремния, а также никельс о держащие металлические грануляты.• Production of synthesis gas by reforming hydrocarbons with steam and/or carbon dioxide, combined production of hydrogen and pyrolysis carbon by pyrolysis of hydrocarbons. Suitable carrier materials are, in particular, carbon-containing granules, silicon carbide-containing granules and nickel-containing metal granules.
• Получение цианистоводородной кислоты из метана и аммиака или из пропана и аммиака. Пригодными материалами-носителями, в частности, являются содержащие углерод грануляты.• Production of hydrocyanic acid from methane and ammonia, or from propane and ammonia. Suitable carrier materials are, in particular, carbonaceous granulates.
• Получение олефинов посредством парового крекинга углеводородов. Пригодными материалами-носителями, в частности, являются грануляты, содержащие углерод, и грануляты, содержащие карбид кремния,• Obtaining olefins through steam cracking of hydrocarbons. Suitable carrier materials are, in particular, granulates containing carbon and granulates containing silicon carbide,
• Реакция сочетания метана с образованием этилена, ацетилена и бензола.• Coupling reaction of methane to form ethylene, acetylene and benzene.
• Получение олефинов посредством каталитического дегидрирования аланов, например, получение пропилена из пропана или бутилена из бутана. Пригодными материалами-носителями, в частности, являются покрытые катализаторами дегидрирования грануляты, содержащие карбид кремния, или железосодержащие формованные изделия.• Obtaining olefins by catalytic dehydrogenation of alanes, for example, obtaining propylene from propane or butylene from butane. Suitable carrier materials are, in particular, granulates containing silicon carbide coated with dehydrogenation catalysts or iron-containing shaped articles.
• Получение стирола посредством каталитического дегидрирования этилбензола. Пригодными материалами-носителями, в частности, являются покрытые катализаторами дегидрирования грануляты, содержащие карбид кремния, или железосодержащие формованные изделия.• Obtaining styrene by catalytic dehydrogenation of ethylbenzene. Suitable carrier materials are, in particular, granulates containing silicon carbide coated with dehydrogenation catalysts or iron-containing shaped articles.
• Получение диолефинов посредством каталитического дегидрирования алканов или олефинов, например, получение бутадиена из бутилена или бутана. Пригодными материалами-носителями, в частности, являются покрытые катализаторами дегидрирования грануляты, содержащие карбид кремния, или железосодержащие формованные изделия.• Obtaining diolefins by catalytic dehydrogenation of alkanes or olefins, for example, obtaining butadiene from butylene or butane. Suitable carrier materials are, in particular, granulates containing silicon carbide coated with dehydrogenation catalysts or iron-containing shaped articles.
• Получение альдегидов посредством каталитического дегидрирования спиртов, например, получение безводного формальдегида из метанола. Пригодными материалами-носителями, в частности, являются содержащие серебро грануляты, покрытые катализаторами дегидрирования грануляты, содержащие карбид кремния, или железосодержащие формованные изделия.• Obtaining aldehydes by catalytic dehydrogenation of alcohols, for example, obtaining anhydrous formaldehyde from methanol. Suitable carrier materials are, in particular, silver-containing granules, dehydrogenation catalyst-coated granules containing silicon carbide, or iron-containing shaped articles.
• Получение монооксида углерода из диоксида углерода и углерода по реакции Будуара. Пригодными материалами-носителями, в частности, являются содержащие углерод грануляты.• Obtaining carbon monoxide from carbon dioxide and carbon by the Boudouard reaction. Suitable carrier materials are, in particular, carbonaceous granulates.
• Получение водорода и кислорода посредством термического расщепления на каталитических контактах. Пригодными материалами-носителями, в частности, являются грануляты, содержащие карбид кремния, или железосодержащие грануляты, покрытые катализатором расщепления, например, ферритом.• Obtaining hydrogen and oxygen by means of thermal splitting on catalytic contacts. Suitable carrier materials are, in particular, granulates containing silicon carbide or iron-containing granules coated with a cleavage catalyst, for example ferrite.
ЧертежиBlueprints
Фиг. 1 Схема сегмента реактора, состоящего из воспринимающего давление кожуха реактора, окружающего заполненный огнеупорными кирпичами ОСМС-каркасFig. 1 Diagram of a reactor segment consisting of a pressure-receiving reactor shell surrounding an OSMS-frame filled with refractory bricks
Позиции:Positions:
1 пакет из трех поперечных перегородок1 pack of three cross baffles
2а боковые перегородки в средних слоях2a side baffles in the middle layers
2b боковые перегородки в самом нижнем слое,2b side baffles in the lowest layer,
2с боковые перегородки в самом верхнем слое2 with side baffles in the topmost layer
6 пакет из огнеупорных кирпичей, вставленных в гнезда каркаса из ОСМС6 pack of refractory bricks inserted into the nests of the OSMS frame
7 воспринимающий давление кожух реактора7 reactor pressure housing
Фиг. 2 Горизонтальная проекция сегмента сегментированного каркаса, образованного поперечными перегородками (1) и боковыми перегородками (2), причем каждый слой включает четыре поперечные перегородки и три боковые перегородки. Поперечные перегородки выполнены в виде боковых поверхностей кругового цилиндра, боковые перегородки выполнены в виде плоских листов.Fig. 2 Plan view of a segmented frame segment formed by transverse baffles (1) and side baffles (2), each layer comprising four transverse baffles and three side baffles. The transverse partitions are made in the form of side surfaces of a circular cylinder, the side partitions are made in the form of flat sheets.
Фиг. 3 Горизонтальная проекция сегментированного каркаса, состоящего из поперечных и боковых перегородок, с одной поперечной перегородкой на слойFig. 3 Plan view of a segmented framework consisting of transverse and side baffles, with one transverse baffle per layer
Слева: 12 сегментов, поперечные перегородки выполнены в виде плоских листов, одна боковая перегородка на поперечную перегородку.Left: 12 segments, transverse baffles are made in the form of flat sheets, one side baffle per transverse baffle.
Посередине: 18 сегментов, поперечные перегородки выполнены в виде дуг окружности, одна боковая перегородка на поперечную перегородку.In the middle: 18 segments, transverse partitions are made in the form of circular arcs, one side partition per transverse partition.
Справа: 12 сегментов, поперечные перегородки выполнены в виде изогнутых листов, две боковые перегородки на поперечную перегородку.Right: 12 segments, transverse partitions are made in the form of curved sheets, two side partitions per transverse partition.
Заштрихованная область означает зону сегмента.The shaded area indicates the area of the segment.
Зоны 5а, 5b, 5с … соответственно означают гнезда, образованные перегородками в сегменте.
Фиг.4 Горизонтальная проекция сегментированного каркаса, состоящего из поперечных и боковых перегородок, с двумя поперечными перегородками на слойFig. 4 Plan view of a segmented frame consisting of transverse and side baffles, with two transverse baffles per layer
Слева: 12 сегментов, поперечные перегородки выполнены в виде плоских листов, одна боковая перегородка на поперечную перегородку.Left: 12 segments, transverse baffles are made in the form of flat sheets, one side baffle per transverse baffle.
Посередине: 18 сегментов, поперечные перегородки выполнены в виде дуг окружности, одна боковая перегородка на поперечную перегородку.In the middle: 18 segments, transverse partitions are made in the form of circular arcs, one side partition per transverse partition.
Справа: 12 сегментов, поперечные перегородки выполнены в виде изогнутых листов, две боковые перегородки на поперечную перегородкуRight: 12 segments, transverse partitions are made in the form of curved sheets, two side partitions per transverse partition
Заштрихованная область означает зону сегмента.The shaded area indicates the area of the segment.
Зоны 5а, 5b, 5с … соответственно означают гнезда, образованные перегородками в сегменте.
Фиг. 5 Горизонтальная проекция сегментированного каркаса, состоящего из поперечных, боковых и разделительных перегородок, с двумя поперечными перегородками на слойFig. 5 Plan view of a segmented framework consisting of transverse, side and dividing baffles, with two transverse baffles per layer
Слева: 12 сегментов, поперечные перегородки выполнены в виде плоских листов, одна боковая перегородка на поперечную перегородку, одна незакрепленная разделительная перегородка в каждом просвете между сегментами.Left: 12 segments, transverse baffles are made in the form of flat sheets, one side baffle per transverse baffle, one loose baffle in each gap between the segments.
Посередине: 18 сегментов, поперечные перегородки выполнены в виде дуг окружности, одна боковая перегородка на поперечную перегородку, одна незакрепленная разделительная перегородка в каждом просвете между сегментами.In the middle: 18 segments, transverse partitions are made in the form of circular arcs, one side partition per transverse partition, one loose dividing partition in each gap between the segments.
Справа: 12 сегментов, поперечные перегородки выполнены в виде изогнутых листов, две боковые перегородки на поперечную перегородку, одна незакрепленная разделительная перегородка в каждом просвете между сегментами.Right: 12 segments, transverse baffles are made in the form of curved sheets, two side baffles per transverse baffle, one loose dividing baffle in each gap between the segments.
Заштрихованная область означает зону сегмента.The shaded area indicates the area of the segment.
Зоны 5а, 5b, 5с … соответственно означают гнезда, образованные перегородками в сегменте.
Фиг. 6 Общий вид сегмента в каркасе, состоящем из поперечных перегородок в виде листов и боковых перегородок. В радиальном направлении последовательно расположены три поперечные перегородки, соединенные с центральной боковой перегородкой. Каркас состоит из шести слоев.Fig. 6 General view of the segment in the frame, consisting of transverse partitions in the form of sheets and side partitions. In the radial direction, three transverse baffles are sequentially connected to the central side baffle. The framework consists of six layers.
Посередине: элементы каркаса, поперечные перегородки с прорезью на верхней стороне (позиция 1, высота h), боковая перегородка средних слоев (позиция 2а, высота h), боковая перегородка нижнего слоя (позиция 2b, высота 1,5h), боковая перегородка верхнего слоя (позиция 2с, высота 0,5h). Благодаря отличающимся друг от друга высотам нижних и верхних боковых перегородок перегородки разных слоев входят в зацепление друг с другом.In the middle: frame elements, transverse partitions with a slot on the upper side (
Справа: общий вид части сегмента, состоящего из поперечных перегородок, боковых перегородок и пакета из огнеупорных кирпичей, зафиксированного посредством изоляционных матов.Right: General view of part of a segment consisting of cross baffles, side baffles and a pack of refractory bricks fixed with insulating mats.
Позиции:Positions:
1 пакет из трех поперечных перегородок1 pack of three cross baffles
2а боковые перегородки в средних слоях2a side baffles in the middle layers
2b боковые перегородки в самом нижнем слое2b side baffles in the lowest layer
2с боковые перегородки в самом верхнем слое2 with side baffles in the topmost layer
6 пакет из огнеупорных кирпичей, введенный в гнезда каркаса из ОСМС6 pack of refractory bricks inserted into the nests of the OSMS frame
8 изоляционные маты для фиксации пакета из огнеупорных кирпичей в ОСМС-каркасе8 insulating mats for fixing the stack of refractory bricks in the OSMS frame
Фиг. 7 Общий вид сегмента в каркасе, состоящем из поперечных перегородок в виде листов, боковых перегородок и плоских перегородок. В радиальном направлении последовательно расположены три поперечные перегородки, соединенные с центральной боковой перегородкой. Каркас состоит из четырех слоев. Между слоями вставлены поперечные перегородки.Fig. 7 General view of the segment in the frame, consisting of transverse partitions in the form of sheets, side partitions and flat partitions. In the radial direction, three transverse baffles are sequentially connected to the central side baffle. The framework consists of four layers. Transverse partitions are inserted between the layers.
Справа: элементы каркаса, поперечные перегородки с прорезью на нижней стороне (позиция 1, высота h), боковые перегородки с прорезями на верхней стороне (позиция 2, высота h), плоские перегородки с прорезью на внутренней стороне (позиция 3).Right: frame elements, cross partitions with a slot on the underside (
Позиции:Positions:
1 пакет из трех поперечных перегородок1 pack of three cross baffles
2 боковые перегородки2 side partitions
3 плоские перегородки3 flat baffles
Фиг. 8 (относится, например, к «каркасу с рядом поперечных перегородок»): горизонтальная проекция примера каркаса с рядом поперечных перегородок. В увеличенном масштабе детально показано соединение соседних поперечных перегородок внахлестку.Fig. 8 (refers, for example, to "framing with a series of transverse partitions"): a plan view of an example of a framework with a series of transverse partitions. An enlarged scale shows in detail the connection of adjacent transverse partitions with an overlap.
Позиции:Positions:
9 заклепки9 rivets
10 мастика для заделки швов10 grout
Фиг. 9 (относится, например, к «каркасу с несколькими поперечными перегородками в качестве защиты от излучения»).Fig. 9 (refers, for example, to "framework with several transverse baffles as protection against radiation").
Слева: горизонтальная проекция примера каркаса с несколькими рядами поперечных перегородок в радиальном направлении.Left: Plan view of an example frame with several rows of transverse baffles in the radial direction.
Справа: детализированный вид сбоку боковой перегородки (2) и группы поперечных перегородок (1), вставляемых в боковую перегородку.Right: Detailed side view of a side baffle (2) and a group of transverse baffles (1) inserted into the side baffle.
Фиг. 10 Пример каркаса с профилированными боковыми перегородками.Fig. 10 Example of a framework with profiled side partitions.
Слева: горизонтальная проекция сегмента каркаса с большим количеством профилированных боковых и разделительных перегородок.Left: horizontal view of a frame segment with a large number of profiled side and dividing partitions.
Посередине: вид спереди нескольких расположенных друг над другом слоев.Middle: Front view of several stacked layers.
Справа: вид сбоку нескольких расположенных друг над другом слоев.Right: side view of several stacked layers.
Позиции:Positions:
1 поперечные перегородки1 cross partitions
2 профилированные боковые перегородки2 profiled side partitions
4 разделительные перегородки4 dividing walls
Фиг. 11 Общий вид комбинаций перегородок разной формыFig. 11 General view of combinations of partitions of various shapes
Вверху: комбинация из плоской перегородки и разделительной перегородки.Above: a combination of a flat partition and a partition wall.
Посередине: комбинация из плоской перегородки, разделительной перегородки и поперечной перегородки (с наружной стороны).Middle: Combination of flat baffle, baffle and cross baffle (on the outside).
Внизу: комбинация из плоской перегородки, разделительной перегородки и двух поперечных перегородок (с внутренней и наружной стороны).Below: a combination of a flat baffle, a baffle and two transverse baffles (on the inside and outside).
Фиг. 12 Схема реактора с каркасной системой, длина которой меньше длины воспринимающего давление кожуха реактора.Fig. 12 Diagram of a reactor with a frame system, the length of which is less than the length of the pressure-receiving reactor shell.
Армированные волокнами оксидные керамические материалы, в частности, ОСМС, обладают высокой термостойкостью в сочетании с высокой прочностью, способностью к пластической деформации и стойкостью к тепловому удару. Подобные материалы длительно сохраняют указанные свойства при температурах до 1200°С. При более высоких температурах они постепенно становятся хрупкими, однако сохраняют свою форму и значительную часть остаточной прочности. Кроме того, указанные материалы отличаются низкой теплопроводностью и низкой электропроводностью, что позволяет считать их изоляторами. Каркас из ОСМС образует барьер, который отделяет насадку реактора, горячий стационарный слой или подвижный (кипящий) слой от воспринимающих давление стенок реактора. Кроме того, при пропускании электрического тока через насадку реактора каркас из ОСМС образует эффективную электрическую изоляцию между насадкой и воспринимающим давление кожухом реактора. Соединение перегородок друг с другом с геометрическим замыканием способствует термическому расширению каркаса без внутренних напряжений. Благодаря этому предоставляется возможность контроля режима эксплуатации реактора, который характеризуется высокими температурами, а также значительными локальными и временными температурными градиентами.Fibre-reinforced oxide ceramic materials, in particular FSMS, have high thermal stability combined with high strength, plastic deformation capacity and thermal shock resistance. Such materials retain these properties for a long time at temperatures up to 1200°C. At higher temperatures, they gradually become brittle, but retain their shape and a significant part of the residual strength. In addition, these materials are characterized by low thermal conductivity and low electrical conductivity, which allows them to be considered insulators. The SSMS frame forms a barrier that separates the reactor packing, hot fixed bed, or moving (fluidized) bed from the pressure-receiving walls of the reactor. In addition, when an electric current is passed through the reactor packing, the OCMS frame forms an effective electrical isolation between the packing and the reactor pressure housing. The connection of the partitions to each other with positive locking contributes to the thermal expansion of the frame without internal stresses. This makes it possible to control the operating mode of the reactor, which is characterized by high temperatures, as well as significant local and temporal temperature gradients.
Свойства, присущие новым вспененным керамическим материалам и армированным волокнами оксидным керамическим материалам, в частности, материалам Halfoam и ОСМС, позволяет достичь следующих преимуществ:The properties inherent in new ceramic foams and fiber-reinforced oxide ceramics, in particular Halfoam and OSMS, allow the following advantages to be achieved:
Вспененные керамические материалы, в частности, материал Halfoam, сочетают в себе высокую прочность и способность сохранять форму с оптимальным теплоизолирующим действием, особенно при высоких температурах, превышающих 1000°С. Подобный материал можно использовать до температуры 1700°С.Foamed ceramic materials, in particular Halfoam, combine high strength and shape retention with optimum thermal insulation performance, especially at high temperatures in excess of 1000°C. Such material can be used up to a temperature of 1700°C.
Армированные волокнами оксидные керамические материалы, в частности, ОСМС-керамика, сочетают в себе высокую термостойкость с высокой прочностью и способностью к пластической деформации. Подобные материалы длительно сохраняет эти свойства при температурах до 1200°С. При более высоких температурах они постепенно становятся хрупкими, однако сохраняют свою форму и значительную часть остаточной прочности.Fibre-reinforced oxide ceramic materials, in particular OCMS ceramics, combine high heat resistance with high strength and plastic deformation capability. Such materials retain these properties for a long time at temperatures up to 1200°C. At higher temperatures, they gradually become brittle, but retain their shape and a significant part of the residual strength.
Комбинирование обоих материалов позволяет формировать самонесущую легковесную футеровку для реакторов высокого давления. Действующие на футеровку силы воспринимаются каркасом из ОСМС. Благодаря этому оказывается возможной свободная укладка фасонных кирпичей, что, в свою очередь, способствуют их легкому смещению относительно друг друга при термическом расширении. Соединение каркаса из ОСМС и огнеупорного пакета с чисто геометрическим замыканием позволяет создавать упругую конструкцию, которая при значительных колебаниях температуры (локальных или временных) способна деформироваться без возникновения напряжений.The combination of both materials makes it possible to form a self-supporting lightweight lining for high pressure reactors. The forces acting on the lining are perceived by the frame made of OSMS. This makes possible the free laying of shaped bricks, which, in turn, contributes to their easy displacement relative to each other during thermal expansion. The connection of the framework of OSMS and the refractory package with a purely geometrical closure allows you to create an elastic structure that, with significant temperature fluctuations (local or temporary), is able to deform without stress.
Термоизолирующее действие кирпичей из материала Halfoam позволяет при использовании тонкого слоя снижать температуру с 1500°С (температуры реакционной зоны) до температуры ниже 1200°С. Благодаря этому достигают следующих преимуществ:The thermally insulating effect of Halfoam bricks allows, when using a thin layer, to reduce the temperature from 1500°C (temperature of the reaction zone) to temperatures below 1200°C. This achieves the following benefits:
В отличие от уровня техники футеровка может быть тоньше и гораздо легче.In contrast to the prior art, the lining can be thinner and much lighter.
Перегородки опорного каркаса из ОСМС эффективно защищены от старения.Partitions of the supporting frame made of OSMS are effectively protected from aging.
Поскольку ОСМС-керамика обладает низкой теплопроводностью, исключаются тепловые мостики, обусловленные ребристым эффектом опорного каркаса.Since OSMS ceramics have low thermal conductivity, thermal bridges due to the ribbed effect of the support frame are eliminated.
Вспененная керамика и армированные волокнами оксидные керамические материалы, в частности, Halfoam и ОСМС на основе AlOx, обладают идентичными коэффициентами термического расширения. Благодаря этому просветы в футеровке остаются неизменными во всем температурном диапазоне и предотвращаются утекающие через футеровку неопределенные потоки.Foamed ceramics and fibre-reinforced oxide ceramic materials, in particular Halfoam and AlOx-based OCMS, have identical coefficients of thermal expansion. Due to this, the gaps in the lining remain unchanged over the entire temperature range and undefined flows through the lining are prevented.
Заделка огнеупорного пакета изоляционными матами в каркасе из ОСМС позволяет обеспечивать бесшовное, но тем не менее гибкое и термостойкое соединение.The sealing of the refractory stack with insulating mats in the frame of OSMS allows for a seamless, but nevertheless flexible and heat-resistant connection.
Благодаря достигнутой собственной устойчивости футеровка не нуждается в опоре на воспринимающую давление кожух реактора. Вследствие этого между футеровкой и кожухом реактора может образоваться сквозной зазор.Due to the inherent stability achieved, the lining does not need to be supported on the pressure-receiving reactor shell. As a result, a through gap may form between the lining and the reactor shell.
Футеровку можно монтировать и демонтировать независимо от кожуха реактора. Благодаря этому упрощается монтаж реактора, а также ремонт и замена изношенных деталей. В частности, футеровку можно предварительно монтировать вне реактора, а затем в сборе переносить в реактор. Это позволяет минимизировать время простоя реактора при ремонте или обновлении футеровки.The lining can be mounted and dismantled independently of the reactor shell. This simplifies the installation of the reactor, as well as the repair and replacement of worn parts. In particular, the lining can be pre-assembled outside the reactor and then transferred as an assembly to the reactor. This makes it possible to minimize the downtime of the reactor when repairing or updating the lining.
В случае электрически обогреваемых реакторов материалы футеровки являются электрическими изоляторами и образуют эффективный изолирующий слой между находящимся в реакционной зоне насыпным материалом и воспринимающем давление кожухом реактора.In the case of electrically heated reactors, the lining materials are electrical insulators and form an effective insulating layer between the bulk material in the reaction zone and the pressure-bearing reactor shell.
Зазор между футеровкой и кожухом реактора обеспечивает дополнительную надежную и независимую от температуры электрическую изоляцию между насыпным слоем и кожухом реактора.The gap between the lining and the reactor shell provides additional reliable and temperature-independent electrical insulation between the bulk bed and the reactor shell.
Покрытие внутренней поверхности футеровки непористым и гладким облицовочным слоем позволяет обеспечить следующие положительные эффекты:Coating the inner surface of the lining with a non-porous and smooth facing layer provides the following positive effects:
Облицовочный слой обеспечивает эффективную защиту внутренней стороны футеровки от истирания частицами, например, частицами подвижного слоя. Гладкая поверхность облицовочного слоя затрудняет образование твердых отложений на стенке. Отложения слабо прилипают к поверхности и вследствие движения частиц подвижного слоя могут отделяться от нее.The liner provides effective protection to the inside of the lining against abrasion by particles, such as particles of the moving layer. The smooth surface of the facing layer hinders the formation of hard deposits on the wall. The deposits adhere weakly to the surface and, due to the movement of particles of the moving layer, can be separated from it.
Кроме того, уменьшается проницаемость стенки для байпасных газовых потоков из реакционной зоны.In addition, the permeability of the wall for bypass gas flows from the reaction zone is reduced.
Многослойная структура из тонкого слоя непористого керамического материала и одного или нескольких толстых слоев пористой керамики обладает стойкостью к обусловленному тепловым ударом образованию трещин.The multi-layer structure of a thin layer of non-porous ceramic material and one or more thick layers of porous ceramic is resistant to thermal shock cracking.
Слоевая структура футеровки допускает возможность использования в отдельных слоях разных изоляционных материалов с соответствующим оптимальным комплексом свойств, а именно теплоизолирующим действием и термостойкостью.The layered structure of the lining allows the use of different insulating materials in separate layers with the corresponding optimal set of properties, namely, heat-insulating effect and heat resistance.
Разделение футеровки в радиальном направлении посредством параллельных или концентрических поперечных перегородок каркаса из ОСМС способствует толерантности конструкции по отношению к неисправностям. Даже в случае разрушения отдельных частей огнеупорного пакета слои остаются целыми, и проскок горячего насыпного слоя из реакционной зоны до воспринимающего давление кожуха реактора исключается, благодаря чему оказывается возможным контролируемый останов поврежденного реактора.Separation of the lining in the radial direction by means of parallel or concentric transverse baffles of the OSMS carcass contributes to the tolerance of the structure in relation to failures. Even in the event of destruction of individual parts of the refractory package, the layers remain intact, and the breakthrough of the hot bulk layer from the reaction zone to the pressure-receiving reactor shell is excluded, due to which a controlled shutdown of the damaged reactor is possible.
Обстоятельство, которое имеет особенно важное значение для реакторов высокого давления, заключается в том, что при необходимости выполняемая герметизация поверхности ОСМС-перегородок и/или огнеупорных кирпичей позволяет предотвратить возникновение интенсивных конвективных циркуляционных потоков, способных существенно снизить изолирующую эффективность футеровки.A circumstance that is especially important for high-pressure reactors is that, if necessary, the sealing of the surface of the OSMS baffles and/or refractory bricks makes it possible to prevent the occurrence of intense convective circulation flows that can significantly reduce the insulating effectiveness of the lining.
ПримерыExamples
Пример согласно уровню техникиPrior Art Example
Производственный реактор облицовывают многослойной футеровкой из огнеупорного бетона. Диаметр реакционной зоны составляет 3000 мм. Электроды для электроснабжения насыпного слоя расположены вертикально на расстоянии 3000 мм друг от друга. Футеровка состоит из указанных в таблице слоев.The production reactor is lined with a multilayer refractory concrete lining. The reaction zone diameter is 3000 mm. The electrodes for power supply of the bulk layer are located vertically at a distance of 3000 mm from each other. The lining consists of the layers indicated in the table.
Футеровка прикреплена к оболочке реактора анкерами. Внутренний диаметр воспринимающего давление кожуха реактора составляет 3640 мм. Расчетный коэффициент теплопередачи футеровки составляет 2,14 Вт/(м2 К). Потери мощности реактора, согласно расчету, должны составлять 32 кВт/м длины реактора, а температура на наружной стороне реактора должна составлять 75°С. В процессе эксплуатации реактора при максимальной температуре 1400°С и абсолютном рабочем давлении 1,6 бар теплопотери достигают 84 кВт/м, а температура на наружной стороне реактора местами повышается до 300°С. При вскрытии реактора обнаружены трещины в футеровке. Видимые трещины на внутренней поверхности стенок реактора расположены иррегулярно и обладают разным размером и протяженностью. Длина наиболее длинных трещин составляет 1000 мм, максимальная ширина 3 мм. Футеровка частично разрушена. Образовавшиеся в результате этого углубления в футеровке площадью 500 см обладают глубиной до 5 см. Перечисленные выше дефекты объясняют ухудшение изолирующей способности футеровки. Вследствие этого снижается производственная мощность реактора и энергопотребление процесса. Кроме того, вследствие превышения заданной температуры уменьшается прочность воспринимающего давление кожуха реактора. В связи с этим дальнейшая эксплуатация реактора становится небезопасной.The lining is attached to the reactor shell with anchors. The internal diameter of the reactor pressure housing is 3640 mm. The design heat transfer coefficient of the lining is 2.14 W/(m2 K). The power loss of the reactor, according to the calculation, should be 32 kW/m of the length of the reactor, and the temperature on the outside of the reactor should be 75°C. During operation of the reactor at a maximum temperature of 1400°C and an absolute operating pressure of 1.6 bar, heat losses reach 84 kW/m, and the temperature on the outer side of the reactor rises in places to 300°C. When opening the reactor, cracks were found in the lining. Visible cracks on the inner surface of the reactor walls are arranged irregularly and have different sizes and lengths. The length of the longest cracks is 1000 mm, the maximum width is 3 mm. The lining is partially destroyed. The depressions formed as a result of this in the lining with an area of 500 cm have a depth of up to 5 cm. The defects listed above explain the deterioration in the insulating ability of the lining. As a result, the production capacity of the reactor and the energy consumption of the process are reduced. In addition, as a result of exceeding a predetermined temperature, the strength of the pressure-receiving reactor shell decreases. In this regard, further operation of the reactor becomes unsafe.
Пример 1 Использование предлагаемого в изобретении модульного каркаса в качестве электрической изоляции во внутреннем пространстве реактораExample 1 Use of the modular frame according to the invention as electrical insulation in the interior of a reactor
В данном примере представлен наиболее простой вариант предлагаемого в изобретении технического решения. Реактор с резистивно нагреваемым подвижным слоем катализатора служит, например, для пиролиза углеводородов. Диаметр реакционной зоны реактора составляет 3000 мм. Электроды, используемые для электроснабжения насыпного слоя, вертикально расположены на расстоянии 3000 мм друг от друга. Внутренний диаметр воспринимающего давление кожуха реактора составляет 3100 мм. Кожух реактор снабжен расположенным на наружной поверхности охлаждающим змеевиком с пропускаемой через него водой, что позволяет устанавливать температуру кожуха не выше 50°С. Реакционная зона ограничена модульным каркасом. Перегородки каркаса выполнены из ОСМС. Каркас состоит из ряда поперечных перегородок, которые соответственно подпираются боковыми перегородками. Толщина всех перегородок составляет 3 мм. Каркас включает шесть сегментов и пять расположенных друг над другом слоев. Поперечные перегородки соседних сегментов в окружном направлении соединены друг с другом внахлестку. Соединения внахлестку заполнены стойкой к высоким температурам мастикой и соединены заклепками. Таким образом, каркас обеспечивает пыленепроницаемое изолирование реакционной зоны относительно кольцевого пространства между каркасом и воспринимающим давление кожухом реактора. Через кольцевое пространство между каркасом и воспринимающим давление кожухом реактора пропускают диоксид углерода в качестве продувочного газа. Температура в центре реакционной зоны составляет 1400°С. Температура каркаса составляет 425°С. Описанное выше техническое решение отличается компактностью и легкостью конструкции. Реакционная зона занимает 93,5% сечения, окруженного воспринимающим давление кожухом реактора. Вес каркаса из ОСМС-перегородок составляет 250 кг. Кроме того, каркас выполняет функцию электрической изоляции реакционной зоны относительно воспринимающих давление стенок реактора. Вместе с тем каркас обладает небольшим теплоизолирующим действием. Благодаря этому на внутренней стороне каркаса устанавливается настолько низкая температура, что загрязнение каркаса углеродсодержащими отложениями отсутствует. Это, в свою очередь, позволяет осуществлять технологический процесс в надежном стационарном режиме.In this example, the simplest version of the technical solution proposed in the invention is presented. The resistively heated moving bed reactor is used, for example, for the pyrolysis of hydrocarbons. The diameter of the reaction zone of the reactor is 3000 mm. The electrodes used for power supply of the bulk layer are vertically located at a distance of 3000 mm from each other. The internal diameter of the pressure-receiving jacket of the reactor is 3100 mm. The reactor casing is equipped with a cooling coil located on the outer surface with water passing through it, which makes it possible to set the casing temperature not higher than 50°C. The reaction zone is limited by a modular framework. Partitions of the frame are made of OSMS. The frame consists of a series of transverse partitions, which are respectively supported by side partitions. The thickness of all partitions is 3 mm. The frame includes six segments and five layers arranged one above the other. The transverse partitions of adjacent segments in the circumferential direction are overlapped with each other. The lap joints are filled with high temperature resistant mastic and connected with rivets. Thus, the frame provides dust-tight isolation of the reaction zone relative to the annular space between the frame and the pressure-receiving reactor shell. Carbon dioxide is passed through the annulus between the frame and the reactor pressure housing as a purge gas. The temperature in the center of the reaction zone is 1400°C. The frame temperature is 425°C. The technical solution described above is compact and light in design. The reaction zone occupies 93.5% of the cross section surrounded by the pressure-receiving reactor shell. The weight of the frame made of OSMS-partitions is 250 kg. In addition, the frame performs the function of electrically isolating the reaction zone relative to the pressure-receiving walls of the reactor. At the same time, the frame has a small heat-insulating effect. Due to this, the temperature on the inside of the frame is so low that there is no contamination of the frame with carbonaceous deposits. This, in turn, allows the technological process to be carried out in a reliable stationary mode.
Пример 2 Использование предлагаемого в изобретении модульного каркаса в качестве защиты от излученияExample 2 Use of the modular frame according to the invention as radiation protection
В данном примере представлен вариант предлагаемого в изобретении технического решения, предусматривающий использование каркаса из ОСМС-перегородок. Реактор с резистивно нагреваемым подвижным слоем катализатора служит, например, для пиролиза углеводородов. Диаметр реакционной зоны реактора составляет 3000 мм. Электроды, используемые для электроснабжения насыпного слоя, расположены вертикально на расстоянии 3000 мм друг от друга. Внутренний диаметр воспринимающего давление кожуха реактора составляет 3700 мм. Оболочка реактора с наружной стороны не изолирована. Реакционная зона ограничена каркасом из ОСМС-перегородок. Каркас включает двенадцать сегментов в окружном направлении и десять расположенных друг над другом слоев. Каждый слой в каждом сегменте включает шестьдесят рядов поперечных перегородок, которые соответственно опираются на боковые перегородки. Толщина поперечных перегородок внутреннего ряда, которые непосредственно контактируют с реакционной зоной, составляет 3 мм. На внутреннюю сторону этих поперечных перегородок посредством плазменного напыления нанесен защитный слой. Поперечные перегородки соседних сегментов во внутреннем ряду соединены друг с другом в окружном направлении внахлестку. Соединения внахлестку заполнены стойкой к высоким температурам мастикой и соединены заклепками. Толщина поперечных перегородок в остальных рядах составляет соответственно 1 мм, и перегородки удалены друг от друга в радиальном направлении на 2 мм. Края этих поперечных перегородок не зафиксированы. Толщина боковых перегородок составляет 3 мм. Через кольцевое пространство между каркасом и воспринимающим давление кожухом реактора пропускают диоксид углерода в качестве продувочного газа. Описанное выше техническое решение отличается исключительно высокой механической надежностью и сравнительно легкой конструкцией. Совокупный каркас выполнен из пластичной и стойкой к тепловому удару ОСМС-керамики. Вставленные одна в другую перегородки образуют механически стабильный каркас, который одновременно способен выравнивать обусловленные термическим расширением деформации. Вес каркаса составляет около 1,6 т/м длины реактора. Кроме того, каркас выполняет функцию электрической изоляции реакционной зоны относительно воспринимающих давление стенок реактора. Каркас эффективен также в качестве термической изоляции, причем поперечные перегородки, расположенные в ряд в направлении изнутри наружу, выполняют функцию защиты от излучения. Небольшие расстояния между поперечными перегородками способствуют отсутствию перемещения газовых слоев, что усиливает изолирующее действие каркаса. Температура в центре реакционной зоны составляет 1350°С. Температура на внутренней стороне каркаса составляет 1200°С. Теплопотери изоляции составляют 45 кВт/м длины реактора. Температура воспринимающего давление кожуха реактора составляет 85°С.In this example, a variant of the technical solution proposed in the invention is presented, which involves the use of a frame made of OSMS partitions. The resistively heated moving bed reactor is used, for example, for the pyrolysis of hydrocarbons. The diameter of the reaction zone of the reactor is 3000 mm. The electrodes used for the power supply of the bulk layer are located vertically at a distance of 3000 mm from each other. The internal diameter of the pressure-receiving jacket of the reactor is 3700 mm. The reactor shell is not insulated from the outside. The reaction zone is limited by a framework of OSMS partitions. The frame includes twelve segments in the circumferential direction and ten layers arranged one above the other. Each layer in each segment includes sixty rows of transverse baffles, which respectively rest on the side baffles. The thickness of the transverse baffles of the inner row, which are in direct contact with the reaction zone, is 3 mm. A protective layer is deposited on the inner side of these transverse partitions by means of plasma spraying. The transverse partitions of adjacent segments in the inner row are overlapped to each other in the circumferential direction. The lap joints are filled with high temperature resistant mastic and connected with rivets. The thickness of the transverse baffles in the remaining rows is respectively 1 mm, and the baffles are spaced from each other in the radial direction by 2 mm. The edges of these transverse partitions are not fixed. The thickness of the side partitions is 3 mm. Carbon dioxide is passed through the annulus between the frame and the reactor pressure housing as a purge gas. The technical solution described above is characterized by exceptionally high mechanical reliability and relatively light construction. The overall frame is made of ductile and thermal shock-resistant OSMS-ceramics. The partitions inserted one into the other form a mechanically stable frame, which is simultaneously able to equalize the deformations caused by thermal expansion. The frame weight is about 1.6 t/m of the reactor length. In addition, the frame performs the function of electrically isolating the reaction zone relative to the pressure-receiving walls of the reactor. The frame is also effective as a thermal insulation, and the transverse baffles, arranged in a row from the inside to the outside, perform the function of protecting against radiation. Small distances between the transverse partitions contribute to the absence of movement of gas layers, which enhances the insulating effect of the frame. The temperature in the center of the reaction zone is 1350°C. The temperature on the inside of the frame is 1200°C. The heat loss of the insulation is 45 kW/m of the reactor length. The temperature of the pressure-receiving jacket of the reactor is 85°C.
Пример 3 (материал Halfoam и огнеупорные легковесные кирпичи)Example 3 (Halfoam material and refractory lightweight bricks)
В данном примере представлен вариант предлагаемого в изобретении технического решения, непосредственно сопоставимый с базовым вариантом. Речь идет о футеровке толщиной 320 мм, состоящей из трех расположенных в радиальном направлении слоев. Внутренний слой выполнен из материала HALFOAM (фирма-изготовитель Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH). Второй слой выполнен из фасонных кирпичей марки PROMATON 28 (фирма-изготовитель Etex Building Performances GmbH). Третий слой выполнен из фасонных кирпичей марки PROMATON 26 этого же изготовителя. Кирпичи уложены посредством ложковой перевязки. ОСМС-каркас состоит из восемнадцати сегментов с кольцеобразным поперечным сечением. Сегмент состоит из одной боковой перегородки и двух поперечных перегородок. Внутренняя поперечная перегородка, диаметр которой составляет 3,63 м, включает внутренний слой футеровки. Внешняя поперечная перегородка, диаметр которой составляет 4,09 м, включает два наружные слоя футеровки. Вес футеровки составляет около 3,35 т/м длины реактора. Между внешней поперечной перегородкой и стенками реактора имеется зазор шириной 20 мм. В центре подвижного слоя преобладает температура около 1500°С. В таблице показан радиальный температурный профиль футеровки.This example shows a variant of the technical solution proposed in the invention, directly comparable to the basic variant. This is a lining with a thickness of 320 mm, consisting of three layers arranged in the radial direction. The inner layer is made of HALFOAM (Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH). The second layer is made of PROMATON 28 shaped bricks (manufacturer Etex Building Performances GmbH). The third layer is made of PROMATON 26 shaped bricks from the same manufacturer. Bricks are laid by means of a spoon dressing. OSMS frame consists of eighteen segments with an annular cross section. The segment consists of one side partition and two transverse partitions. The inner transverse baffle, which is 3.63 m in diameter, includes an inner lining layer. The outer transverse baffle, which is 4.09 m in diameter, includes two outer layers of lining. The weight of the lining is about 3.35 t/m of the reactor length. Between the outer transverse baffle and the walls of the reactor there is a
При температуре в центре реактора 1500°С теплопотери составляют 15,2 кВт/м длины реактора.At a temperature in the center of the reactor 1500°C heat loss is 15.2 kW/m length of the reactor.
В данном варианте наличие внутреннего слоя футеровки обусловливает значительное снижение температуры: Т=244 К. Благодаря этому температура до внутренней поперечной перегородки снижается настолько, что ОСМС-материал не подвергается существенному старению.In this embodiment, the presence of the inner lining layer causes a significant decrease in temperature: T = 244 K. Due to this, the temperature to the inner transverse partition is reduced so much that the OSMS material does not undergo significant aging.
Предлагаемая в изобретении футеровка значительно легче, чем в описанном в примере 1 базовом варианте. К другим преимуществам предлагаемого в изобретении варианта в сравнении с базовым вариантом, которые обусловлены теплоизолирующим действием первого слоя футеровки, относятся следующие:The lining according to the invention is much lighter than in the basic variant described in Example 1. Other advantages of the variant proposed in the invention in comparison with the basic variant, which are due to the heat-insulating effect of the first lining layer, include the following:
1. Более однородное температурное поле по сечению подвижного слоя (разность температур между осью и стенками ΔТ составляет 73 К).1. More uniform temperature field over the cross section of the moving layer (temperature difference between the axis and the walls ΔT is 73 K).
2. Температура наружной стороны первого слоя футеровки снижается до значений гораздо ниже 1200°С, а, следовательно, опорный каркас из ОСМС-материалов долго сохраняет свои предпочтительные механические свойства. Другим преимуществом является более низкая температура у стенок реактора. Указанные преимущества могут быть обусловлены лучшими изоляционными свойствами HALFOAM по сравнению с огнеупорными кирпичами из глинозема К99.2. The temperature of the outer side of the first layer of the lining is reduced to values much lower than 1200°C, and, consequently, the supporting frame of OSMS materials retains its preferred mechanical properties for a long time. Another advantage is the lower temperature at the walls of the reactor. These advantages may be due to the better insulating properties of HALFOAM compared to K99 alumina refractory bricks.
Пример 4 (материал Halfoam, огнеупорные легковесные кирпичи и сверхмощная изоляция)Example 4 (Halfoam Material, Lightweight Fire Bricks and Heavy Duty Insulation)
В данном примере представлен вариант предлагаемого в изобретении технического решения, оптимизированный в отношении изолирующего эффекта и веса. Речь идет о футеровке толщиной 320 мм, состоящей из четырех расположенных в радиальном направлении слоев. Два внутренние слоя выполнены из материала Halfoam (фирма-изготовитель Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH). Третий слой выполнен из фасонных кирпичей марки PROMATON 28 (фирма-изготовитель Etex Building Performances GmbH). Четвертый слой собирают из панелей MICORTHERM PANEL (фирма-изготовитель Etex Building Performances GmbH), склеенных с наружной стороной внешних поперечных перегородок. Кирпичи укладывают посредством ложковой перевязки. ОСМС-каркас состоит из восемнадцати сегментов с кольцеобразным поперечным сечением. Сегмент состоит из одной боковой перегородки и двух поперечных перегородок. Внутренняя поперечная перегородка, диаметр которой составляет 3,63 м, включает два внутренние слоя футеровки. Наружная поперечная перегородка, диаметр которой составляет 4,03 м, включает три слоя футеровки. Вес футеровки составляет около 3,2 т/м. Между внешней поперечной перегородкой и стенками реактора образован зазор шириной 20 мм. В центре подвижного слоя преобладает температура около 1500°С. В таблице показан радиальный температурный профиль футеровки.This example shows a variant of the technical solution according to the invention, optimized with regard to the insulating effect and weight. This is a lining with a thickness of 320 mm, consisting of four layers arranged in the radial direction. The two inner layers are made of Halfoam (Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH). The third layer is made of PROMATON 28 shaped bricks (manufacturer Etex Building Performances GmbH). The fourth layer is assembled from MICORTHERM PANEL panels (manufactured by Etex Building Performances GmbH) glued to the outside of the outer transverse partitions. Bricks are laid by means of a spoon dressing. OSMS frame consists of eighteen segments with an annular cross section. The segment consists of one side partition and two transverse partitions. The inner transverse baffle, which is 3.63 m in diameter, includes two inner layers of lining. The outer transverse baffle, whose diameter is 4.03 m, includes three layers of lining. The weight of the lining is about 3.2 t/m. A
Сверхмощную изоляцию закрепляют в кассетах на стенках реактора.Heavy-duty insulation is fixed in cassettes on the walls of the reactor.
Теплопотери составляют 9,15 кВт/м, то есть гораздо ниже, чем в вариантах из примеров 1 и 2. Благодаря наличию двух внутренних слоев температура футеровки в данном варианте снижается настолько, что материал ОСМС не подвергается существенному старению. Благодаря наличию третьего слоя температура снижается настолько, что становится возможным использование сверхмощной изоляции с чрезвычайно сильным изолирующим действием, которая, однако, обладает термостойкостью, ограниченной температурой около 1000°С.The heat loss is 9.15 kW/m, i.e., much lower than in the variants of examples 1 and 2. Due to the presence of two inner layers, the lining temperature in this embodiment decreases so much that the OSMS material does not undergo significant aging. Due to the presence of the third layer, the temperature is reduced to such an extent that it becomes possible to use heavy-duty insulation with an extremely strong insulating effect, which, however, has a thermal resistance limited to a temperature of about 1000°C.
Предлагаемая в изобретении футеровка легче, чем в предлагаемом в изобретении варианте из примера 2. К другим преимуществам предлагаемого в изобретении варианта по сравнению с вариантом из примера 2 относится более однородное температурное поле по сечению подвижного слоя (разность температур ΔТ составляет 36 К), а также более низкая температура у стенок реактора (58°С). Благодаря этому можно отказаться от нанесения защиты от соприкосновения на наружную сторону реактора, а, следовательно, сократить издержки и повысить доступность реактора.The inventive lining is lighter than the inventive variant of example 2. Other advantages of the inventive variant compared to the variant of example 2 include a more uniform temperature field across the moving bed (temperature difference ΔT is 36 K) and lower temperature at the walls of the reactor (58°C). This makes it possible to dispense with contact protection on the outside of the reactor, and thus reduce costs and increase the availability of the reactor.
Claims (26)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP18187508.9 | 2018-08-06 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021105679A RU2021105679A (en) | 2022-09-09 |
| RU2798072C2 true RU2798072C2 (en) | 2023-06-14 |
| RU2798072C9 RU2798072C9 (en) | 2024-04-17 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU909511A1 (en) * | 1980-06-27 | 1982-02-28 | Всесоюзный Научно-Исследовательский И Проектный Институт По Очистке Технологических Газов,Сточных Вод И Использованию Вторичных Энергоресурсов Предприятий Черной Металлургии "Внипичерметэнергоочистка" | Arc steel melting furnace lining |
| DE8714113U1 (en) * | 1986-11-13 | 1988-01-07 | Kasyco Unternehmensberatungsgesellschaft mbH, 4300 Essen | pressure vessel |
| WO1989005285A1 (en) * | 1987-12-02 | 1989-06-15 | The Duriron Company, Inc. | Porous ceramic shapes, compositions for the preparation thereof, and method for producing same |
| WO2004111562A2 (en) * | 2003-06-13 | 2004-12-23 | Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh | Support for structural components and method for producing the same |
| RU2562648C2 (en) * | 2010-04-30 | 2015-09-10 | САЙПЕМ С.п.А. | Reactor for conducting gas-liquid two-phase reactions |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU909511A1 (en) * | 1980-06-27 | 1982-02-28 | Всесоюзный Научно-Исследовательский И Проектный Институт По Очистке Технологических Газов,Сточных Вод И Использованию Вторичных Энергоресурсов Предприятий Черной Металлургии "Внипичерметэнергоочистка" | Arc steel melting furnace lining |
| DE8714113U1 (en) * | 1986-11-13 | 1988-01-07 | Kasyco Unternehmensberatungsgesellschaft mbH, 4300 Essen | pressure vessel |
| WO1989005285A1 (en) * | 1987-12-02 | 1989-06-15 | The Duriron Company, Inc. | Porous ceramic shapes, compositions for the preparation thereof, and method for producing same |
| WO2004111562A2 (en) * | 2003-06-13 | 2004-12-23 | Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh | Support for structural components and method for producing the same |
| RU2562648C2 (en) * | 2010-04-30 | 2015-09-10 | САЙПЕМ С.п.А. | Reactor for conducting gas-liquid two-phase reactions |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11904290B2 (en) | Device comprising a pressure-bearing device shell and an interior scaffolding system | |
| KR102521332B1 (en) | Airtight heat permeable multi-layer ceramic composite tube | |
| US7540710B2 (en) | Turbine blade for use in a gas turbine | |
| US4680908A (en) | Refractory anchor | |
| US4479337A (en) | Refractory anchor | |
| US6948437B2 (en) | Thermal shielding brick for lining a combustion chamber wall, combustion chamber and a gas turbine | |
| CN108602042A (en) | For carrying out the reactor of heterogeneous catalysis gas phase reaction and the purposes of the reactor | |
| RU2798072C2 (en) | Device with a pressure-receiving casing and a frame system inside it | |
| JPWO2020030598A5 (en) | ||
| RU2798072C9 (en) | Device with a pressure-receiving casing and a frame system inside it | |
| JP2000248305A (en) | Stave cooler | |
| US20220152584A1 (en) | Gas-tight, heat-permeable multilayer ceramic composite tube | |
| US20230010059A1 (en) | Process for performing a pyrolysis of hydrocarbons in an indirectly heated rotary drum reactor | |
| EP0358475B1 (en) | Improved internal insulation for reactor vessel | |
| EP2851640B1 (en) | Refractory ceramic lining brick and corresponding refractory ceramic lining | |
| US7264782B2 (en) | Reactor device having an enclosure made of refractory material and a containment envelope for bringing about chemical reactions requiring heat exchange | |
| CA3250049A1 (en) | High performance thermal insulation of a heat treatment furnace for annealing a continuously moving strip | |
| EP0038204B1 (en) | Metal anchor and a structure comprising a metal surface and a plurality of refractory anchors | |
| EP3663086B1 (en) | Temperature-gradient-optimized wear protection | |
| US4918894A (en) | Refractory supporting anchoring system | |
| US20250244077A1 (en) | Refractory layer structures and assemblies for vessels exposed to molten materials | |
| US3958946A (en) | Carbon black reactor | |
| Greenfield | Inertial separators: design and construction for high-temperature use | |
| EP2206997B1 (en) | Control joints in refactory lining systems | |
| Crowley | Refractory applications in refineries and circulating fluid bed combustors |