DE68912690T2 - Innenisolierung für ein Reaktorgefäss. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Verbesserungen der Innenisolierung von Reaktorgefäßen.
• In Verfahren, bei denen in Gas suspendierte Feststoffe wie Katalysatoren oder Koks in Metallgefäßen bei relativ hohen Temperaturbedingungen kontaktiert oder umgesetzt werden, ist es üblich, daß Innere des Gefäßes mit einem geeigneten feuerfesten Material auszukleiden, um die Metallwand des Gefäßes gegenüber den Verfahrenstemperaturen zu isolieren und die Metallwand vor den korrosiven und erosiven Effekten des in dem Kessel verarbeiteten Materials zu schützen.
• Es sind verschiedene herkömmliche Verfahren zur Installierung von Isolationsauskleidungen in solchen "Kaltwand"-Reaktorgefäßen bekannt. Ein solches Verfahren besteht in der Befestigung einer vorgegossenen oder vorgeformten feuerfesten Ziegelauskleidung an der Gefäßinnenwand mit Metallankern, Klebstoffen oder dergleichen. Ein anderes Verfahren besteht in dem Gießen oder spritzen einer gießbaren feuerfesten Auskleidung an Ort und Stelle innerhalb des Gefäßes.
• Keines dieser Verfahren hat sich aus einer Reihe von Gründen als vollständig zufriedenstellend erwiesen. Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Gefäßwand und der feuerfesten Auskleidung führen während der thermischen Zyklen des Reaktors oft zum Reißen der Auskleidung und ihrer Ablösung von der Wand mit dem damit verbundenen Verlust an Wärme aus dem Gefäß und dem Zutritt heißer Gase oder erosiver Feststoffe zur Gefäßwand. Als Folge davon muß die Auskleidung repariert werden, was hinsichtlich des Material und der Arbeit und außerdem hinsichtlich des Produktionsverlusts durch die Abschaltzeit des Reaktorgefäßes teuer ist.
• Daher sind viele Versuche unternommen worden, um das Verfahren der Installierung von feuerfesten Auskleidungen in Gefäßen, die diese benötigen, zu verbessern. Beispielsweise ist in der US-A- 2 398 546 ein Gefäßauskleidungssystem beschrieben, das aus einer feuerfesten Auskleidung besteht, die mit Abstand zur Gefäßwand angeordnet ist. Ein teilchenförmiges feuerfestes Material wird in den Raum zwischen der Wand und der Auskleidung eingeschlossen und dient zur Minimierung des Kontakts der Wand mit erosiven Feststoffen, für den Fall, daß die Auskleidung reißt.
• In der US-A-2 982 623 ist eine monolithische thermische Iisolierende Auskleidung für ein Gefäß beschrieben, die ein Metallgitter umfaßt, das durch Stifte mit Abstand von der Gefäßwand angeordnet ist. Das Metallgitter weist zwei darauf aufgebrachte Zementschichten auf, wobei die erste aus gut isolierendem Zement niedriger Dichte besteht und die andere eine Außenschicht hoher Dichte und Abriebfestigkeit ist.
• In der US-A-4 490 333 ist eine Doppelisolierungsschicht in einem Reaktorgefäß beschrieben, bei der ein Keramikanker verwendet wird, um die zweite feuerfeste Schicht an der zuvor aufgebrachten ersten isolierenden Schicht zu befestigen.
• In der US-A-4 490 334 ist die Verwendung von gekrümmten Rippen und Sieben beschrieben, um ein Keramikfasertuch in einem gewölbten Bereich eines zylindrischen Reaktors an Ort und Stelle zu halten.
• Da es einen Trend gibt, petrochemische Verfahren bei noch schärferen Bedingungen als bisher durchzuführen, sind weitere Verbesserungen der in Kaltwand-Reaktorgefäße verwendeten Auskleidungs-Systemen noch wichtiger geworden. Veränderung der wirtschaftlichen Bedingungen und die Notwendigkeit, die Produktivität zu steigern, sind zusätzliche Faktoren, die die fortwährende Suche nach verbesserten Reaktorgefäßauskleidungssystemen antreiben.
• In der DE-A-32 48 661 ist die Verwendung einer hitzebeständigen Oberflächenbeschichtung beschrieben, die auf Siliciumdioxidsol basiert, auf der Oberfläche einer mit synthetischem Harz gebundenen, isolierenden Mineralfaserbodenschicht aufgebracht ist, die in einem Gefäß eine Auskleidung bildet, so daß die Beschichtung die Fasern thermisch vor dem heizenden Effekt von Heizvorrichtungen, die in dem Gefäßboden eingebettet sind, die über die Oberflächenbeschichtung hinausragen, oder von dem heizenden Effekt einer Schmelze in dem Gefäß abschirmt. Die Beschichtung wird als eine Zusammensetzung aufgebracht, die faserige, grobkörnige und feinkörnige Füllstoffe enthält. Siliciumdioxidsol dringt zusammen mit einigen feinkörnigen Füllstoffen in die offenen Poren der beschichteten Oberfläche der Isolierschicht ein, um eine Imprägnierungsschicht zu bilden, während die faserigen Füllstoffe (z.B. Aluminiumsilikatfasern) und grobkörnige Füllstoffe zusammen mit dem restlichen Siliciumdioxidsol und den feinkörnigen Füllstoffen auf der Imprägnierungsschicht eine versiegelte Beschichtung bilden.
• Ferner wird auch auf das PATENT ABSTRACT OF JAPAN, Band 11, Nr. 246 (C-439) (2693] und die JP-A-62 052 104 hingewiesen, in denen die Wärmeabführung von einein Reaktor durch die Auskleidung der Reaktorinnenwandoberflächen mit einem Wärmeisolationsmaterial aus Keramikfasern in einem organischen Bindemittel unterdrückt wird.
• Schließlich offenbart die FR-A-1 084 648 ein faseriges, gegen Hitze und Geräusch isolierendes Material, das durch Imprägnierung seiner externen Oberfläche mit einer Lösung aus wasserlöslichem Alkalimetallsilikat niedriger Alkalinität feuerfest gemacht worden ist.
• Erfindungsgemäß wird ein Reaktorgefäß zur Umsetzung von in Gas suspendierten Feststoffen mit an den Innenwänden des Gefäßes befestigter Isolation geliefert, wobei die Isolation aus keramischem Fasermaterial besteht, das an der den Reagenzien in dem Gefäß ausgesetzten Oberfläche der Isolation mit einem Mittel imprägniert ist, das das Fasermaterial versteift und die Erosion der Isolierung unter Betriebsbedingungen verringert.
• Die unten beschriebene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liefert ein verbessertes erosionsbeständiges keramisches, isolierendes Auskleidungssystem für Kaltwand-Gefäße, das hitzebeständig ist. Zusätzlich kann die isolierende Auskleidung mit geringeren Kosten als andere Auskleidungssysteme installiert werden.
• Die Erfindung wird besser anhand der folgenden Beschreibung verstanden, die als Beispiel und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen angegeben ist, wobei
• Figur 1 ein senkrechter Querschnitt einer Form eines Reaktionsgefäß ist, in der ein keramisches Faserauskleidungssystem verwendet wird,
• Figur 2 ein vergrößerter Querschnitt eines Teils der Isolationsauskleidung ist, und
• Figur 3 eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Isolationseigenschaften der hierin beschriebenen Auskleidung im Vergleich mit einer gießbaren feuerfesten Auskleidung ist.
• In den Zeichnungen und insbesondere in Figur 1 ist ein Verfahrensgefäß 10 gezeigt, das eine äußere Metallschale 12 mit Gaseinlaß- und -auslaßöffnungen 14 bzw. 16 und einen Feststoffeinlaß und -auslaß 17 bzw. 19 umfaßt. Perforierte Platten oder Gitter (nicht gezeigt) können innerhalb des Gefäßes 10 horizontal angeordnet sein, um ein oder mehrere Betten aus teilchenförmigem Material wie ein Katalysatorbett zu tragen. Das Gefäß 10 kann auch Zyklone (nicht gezeigt) zur Abtrennung von Feststoffen aus Produktgasströmen enthalten.
• An der Innenwand der Metallschale 12 sind beispielsweise durch Schweißen eine Vielzahl von Metallankerelementen 22 befestigt, von denen die Isolationsschicht 18 gehalten wird.
• Wie in Figur 2 gezeigt ist, besteht die Isolationsschicht 18 aus einer Keramikfaserisolation 24 hoher Dichte, deren den Reagenzien in dem Gefäß 10 ausgesetzte Oberfläche mit einem Material 26 imprägniert ist, das in der Lage ist, die Faserisolation 24 zu versteifen und sie gegen Erosion zu schützen. Im allgemeinen weist das Isolationsmaterial 24 eine Dichte im Bereich von etwa 96,1 bis 400,5 kg/m³ (6 bis 25 engl. Pfund pro Kubikfuß) und vorzugsweise im Bereich von 192,2 bis 400,5 kg/m³ (12 bis 25 engl. Pfund pro Kubikfuß) auf. Im allgemeinen weisen die Fasern einen Durchmesser im Bereich von etwa 2 bis 3 um auf, sind 5,1 bis 25,4 cm (2 bis 10 inch) lang und sindzusammengepreßt oder zu einer vorgegebenen Gestalt geformt.
• Geeignete Keramikfasermaterialien schließen Aluminosilikatfasern ein. Typischerweise brauchbare Materialien weisen Aluminiumoxid/ Siliciumdioxid-Verhältnisse von etwa 90 Aluminiumoxid zu 10 Siliciumdioxid bis etwa 20 Aluminiumoxid zu 80 Siliciumdioxid auf.
• Ein Beispiel eines als Modulpaneel ausgebildeten Aluminosilikatkeramikfaserisolationsmaterials ist das Aluminosilikatprodukt, das von Babcock and Wilcox, Augusta, Georgia, unter dem Warenzeichen Pyro-Bloc verkauft wird.
• Die Keramikfaserisolation ist mit einem Material 26 imprägniert, das in der Lage ist, die Keramikfaserisolation 24 zu versteifen und sie unter Betriebsbedingungen gegen Erosion zu schützen. Besonders bevorzugte Mittel zur Imprägnierung des Isolationsmaterials schließen Natriumsillikat, Kaliumsilikat und Siliciumdioxid ein. Sie werden am besten als wäßrige Dispersion oder kolloidale Sole aufgebracht. Sie werden durch irgendein geeignetes Mittel wie Sprühen, Tauchen, Bürsten oder dergleichen auf die Oberfläche der Isolation aufgebracht. Die Mittel können aufgebracht werden, bevor oder nachdem das Isolierungssystem an der Wand installiert wird oder worden ist. Die Menge an verwendetem Mittel ist so groß, daß sie ausreicht, die Isolation 24 zu versteifen. Im allgemeinen wird ausreichend Mittel verwendet, um etwa 1,6 kg bis etwa 160,2 kg Mittel pro Kubikmeter Keramikfasermaterial (etwa 0,1 bis etwa 10 engl. Pfund an Mittel pro Kubikfuß Keramikfasermaterial) und vorzugsweise etwa 32,0 kg bis etwa 96,1 kg pro Kubikmeter Fasermaterial (etwa 2 bis etwa 6 engl. Pfund pro Kubikfuß Fasermaterial) zu liefern. Da das Mittel am besten als flüssige Dispersion aufgebracht wird, die etwa 40 % Feststoffe enthält, ist die vorzugsweise verwendete Dispersionsmenge so groß, daß etwa 2,3 bis 6,8 kg (etwa 5 bis etwa 15 engl. Pfund) Dispersion pro Kubikfuß Keramikfaser absorbiert werden. Nach dem Aufbringen des flüssigen Mittels auf das Isolationsmaterial kann das Material auf irgendeine geeignete Weise getrocknet werden. Tatsächlich ist es am bequemsten und praktischten, das Material während des anfänglichen Startens des Gefäßes, in dem es installiert ist, zu trocknen.
• Gegebenenfalls und vorzugsweise ist das versteifende Mittel durch ein Benetzungs- und Dispersionsmittel wie Kalium- und Natriumsulfate und -phosphate modifiziert. Im allgemeinen werden etwa 0,01 bis etwa 5,0 Gew.-% und vorzugsweise etwa 0,5 bis 1,0 Gew.-% Benetzungs- und Dispersionsmittel zu dem versteifenden Mittel gegeben, bevor es auf die Keramikfasern aufgebracht wird.
• Wie angegeben, werden geformte Paneele oder Abschnitte aus Keramikinaterial beschichtet, wodurch keramische Isolationsmodule geliefert werden. Typischerweise weisen solche Keramikfaserisolationsmodule eine Größe im Bereich von etwa 0,09 m² bis 0,37 m² (etwa 1 bis etwa 4 Quadratfuß) auf und haben eine Dicke im Bereich von etwa 5,1 bis etwa 20,3 cm (etwa 2 inch bis etwa 8 inch).
• Die Isolationsfähigkeit eines Keramikfaserisolationsmoduls mit einer Faserdichte von 192,2 kg/m³ (12 engl. Pfund pro Kubikfuß) und einer Imprägnierung mit 192,2 kg des versteifenden Mittels pro Kubikmeter Keramikfaser (12 engl. Pfund wäßriges kolloidales Siliciumdioxidversteifungsmittel pro Kubikfuß Keramikfaser) wurde mit der thermischen Isolationsfähigkeit einer typischen gießbaren feuerfesten Auskleidung verglichen, wobei die Heißdrahttechnik verwendet wurde, JISR 2618-1979 der Japan Standards Association. Die Keramikfaser mit Mittel ergab eine etwa 65 % niedrigere thermische Leitfähigkeit als ein typisches gießbares feuerfestes Material. Die verringerten Hitzeverluste in Verbindung mit der verringerten thermischen Leitfähigkeit sind graphisch in Figur 3 gezeigt. Sie zeigen im Grunde genommen, daß das hierin beschriebene Isolationsmaterial eine 50 bis 60 %ige Verringerung an Hitzeverlust zeigt, wenn es mit einer äquivalenten Dicke eines typischen gießbaren feuerfesten Auskleidungsmaterials verglichen wird.
• Labortests haben außerdem gezeigt, daß die mit der gleichen Konzentration kolloidalem Siliciumdioxidversteifungsmittel wie oben angegeben imprägnierte Keramikfaser eine Erosionsbeständig keit aufweist, die mit der einer herkömmlichen gießbaren Gefäßauskleidung vergleichbar ist. Dies wurde durch die Erosionstests bestimmt (ASTM C704), die von der American Society for Testing Materials spezifiziert sind, wobei die Menge SIC-Abrieb auf 125 g verringert wurde. In identischen Tests wurde das Keramikfasermaterial ohne Versteifungsmittel vollständig zerstört.
• Die modulare Ausgestaltung des hier beschriebenen Isolierungsmaterials wird leicht installiert und erfordert natürlich keine Härtung oder Austrocknung wie gießbare Auskleidungssysteme. Darüber hinaus wird keine spezielle Ausrüstung benötigt, um das Keramikfaserauskleidungssystem zu installieren.

Claims (10)

1. Reaktorgefäß zur Umsetzung von in Gas suspendierten Feststoffen mit an den Innenwänden (12) des Gefäßes (10) befestigter Isolation (18), wobei die Isolation (18) aus keramischem Fasermaterial (24) besteht, das an der den Reagenzien in dem Gefäß (10) ausgesetzten Oberfläche der Isolation (18) mit einem Mittel (26) imprägniert ist, das das Fasermaterial versteift und die Erosion der Isolierung (18) unter Betriebsbedingungen verringert.

2. Reaktorgefäß nach Anspruch 1, bei dem das keramische Fasermaterial (24) Aluminosilikatfaser ist.

3. Reaktorgefäß nach Anspruch 1, bei dem das keramische Fasermaterial (24) eine Dichte im Bereich von im wesentlichen 96,1 kg/m³ (6 engl. Pfund pro Kubikfuß) bis im wesentlichen 400,5 kg/m³ (25 engl. Pfund pro Kubikfuß) aufweist.

4. Reaktorgefäß nach Anspruch 2 oder den auf Anspruch 2 bezogenen Anspruch 3, bei dem die Aluminosilikatfaser ein Verhältnis von Aluminiumoxid zu Siliciumdioxid von im wesentlichen 90 : 10 bis im wesentlichen 20 : 80 aufweist.

5. Reaktorgefäß nach Anspruch 3 oder den auf Anspruch 3 bezogenen Anspruch 4, bei dem das Fasermaterial (24) eine Dichte von im wesentlichen 192,2 kg/m³ (12 engl. Pfund pro Kubikfuß) bis im wesentlichen 400,5 kg/m³ (25 engl. Pfund pro Kubikfuß) aufweist.

6. Reaktorgefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das keramische Fasermaterial (24) mit anorganischem Mittel (26) imprägniert ist.

7. Reaktorgefäß nach Anspruch 6, bei dem das Imprägniermittel (26) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Natriumsilikat, Kaliumsilikat und kolloidalem Siliciumdioxid sowie Mischungen derselben.

8. Reaktorgefäß nach Anspruch 7, bei dem das keramische Fasermaterial (24) mit im wesentlichen 1,6 kg bis im wesentlichen 160,2 kg des Mittels pro Kubikmeter Keramikfaser (im wesentlichen 0,1 bis im wesentlichen 10 engl. Pfund Pro Kubikfuß Keramikfaser) imprägniert ist.

9. Reaktorgefäß nach Anspruch 8, bei dem das keramische Fasermaterial (24) mit im wesentlichen 32,0 kg bis im wesentlichen 96,1 kg des Mittels pro Kubikmeter Keramikfaser (im wesentlichen 2 bis im wesentlichen 6 engl. Pfund des Mittels pro Kubikfuß Keramikfaser) imprägniert ist.

10. Reaktorgefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das keramische Fasermaterial (24) in vorgeformten Abschnitten vorliegt.