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B e s c h r e i b u n g
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Die Erfindung betrifft einen Prozeßofen zur thermischen Umwandlamg
von Gasgemischen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, bei dem die für den Ablauf des
Umwandlungs- bzw.
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Veredelungsprozesses erforderliche Wärme im Ofeninnern von durch ein
Brennersystem erzeugten Rauchgasen auf das durch den Ofen geleitete Gasgemisch übertragen
wird.
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Bei bekannten Prozeßöferl, die zum Reformieren oder Cracken von Gasgemischen
dienen, verwendet man sogenannte SrozeR-rohre zum Durchleiten des Gasgemisches durch
den Feuerraum des Ofens. Die Prozeßrohre bestehen aus Metall, so daß die Anwendungsgsrenzen
der Rohre j e nach Druck/T emp ertur-Verhaltnis bei ca. 115000 zulässiger Rohrwandtemperatur
liegel. Bei diesem limitiertem Temperaturniveau können bestimmte Krackprozesse nur
begrenzt wirtschaftlich durchgeführt werden, und es unterliegen die metallischen
Rohre einer Aufkohlung und Verzunderung, die die Wirtschaftlichkeit eines Ofens
und insbesondere die Bebensdauer.der Prozeßrohre stark beeinträchtigen.
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Problematisch ist nach dem Stand der Technik ferner die Befestigung
der Metallrohre im Feuerraum des Ofens aufgrund der großen Wärmedehnung der Metalle.
Die Rohre müssen mit technisch aufwendigen Lösungen unter Berücksichtigung der großen
Wärmedehnung aufgehängt oder abgestützt werden.
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Nachteilig nach dem Stand der Technik ist ferner, daß die Prozeßrohre
im Feuerraum in bestimmten Abständen untereinander und zur Brennerflamme hin angeordnet
werden müssen, insbesondere aus Gründen eines wirtschaftlichen Wärmeübergangs und
zur Verhinderung von örtlichen Überhitzungen.
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Dadurch wird für vergleichsweise kleine Produktquerschnitte ein sehr
großer Feuerraum benötigt, der nicht nur wesentlich dazu beiträgt, daß der Ofen
eine große Grundfläche in Anspruch nimmt, sondern insbesondere auch dessen Fertigungskosten
erhöht.
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Bei sogenannten 11Reformier lt -ozessen werden nach dem Stand der
Technik Katalysatoren verwendet, die in Form von lPüllkörpern mit keramischen Trägerkörpern
aufgebaut und in die Prozeß- oder Reaktionsrohre geordnet oder ungeordnet eingebracht
sind. Die mit Katalysatoren bestückten Rohre in Reformieröfen sind durch die Verwendung
von Füllkörpern einerseits störanfällig (Brechen, Verrußen, Verbacken) und andererseits
bei ungeordnet eingebrachten Katalysatorträgern nur von oben nach unten durchströmbar.
Deshalb nur von oben nach unten durchströmbar, weil die Füllkörper bei wirtschaftlicher
Durchströmunm von unten nach oben bewegt und somit beschädigt werden. Bei aufgetretener
Beschädigung (Brechen, Verrußen, Verbacken, etc.) der Füllkörper muß deshalb der
Ofen nach dem Stand der Technik mit verminderter Leistung gefahren werden, und es
muß in extremen Bällen der gesamte Ofen und damit die gesamte Gasveredelungsanlage
außer Betrieb genommen werden.
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ASbauend auf den vorgenannten Stand der Technik ist es unter Vermeidung
vorgenannter Nachteile Aufgabe der Erfindung, einen lrozeßofen für ein thermisch
uzzuwandelndes, d.h. zu spaltendes oder zu reformierendes Produktgas zu schaffen,
der bei einfachem Aufbau wirtschaftlicher als nachdem Stand der Technik betrieben
werden kann.
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Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß'
zum Durchleiten des Gasgemisches durch den Prozeßofen zumindest ein aus Keramik
bestehendes geradliniges Rohr mit zur Rohrachse symmetrischer innerer Gitterwandung
vorgesehen ist, die das Rohr axial durchsetzt und zusammen mit der Rohrinnenwand
äe nach Umwandlungsprozeß mit oder ohne Katalysator beschichtet ist.
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Durch die Verwendung von geeigneten keramischen Werkstoffen für die
Prozeßrohre eines Prozeßofens, in dem die Reaktionen ablaufen1 können bestimmte
Prozesse wie Erack- oder Reformierprozesse
auf einem höheren Temperaturniveau
und damit wirtschaftlicher ablaufen. Im Gegensatz zu metallischen Rohren nach dem
stand der Technik ist das erfindungsgemäß auf gebaute Rohr aus Keramik sehr temperaturfest.
Betriebstemperaturen in Prozeßöfen bis zu 1aD0°C 0 sind ohne Beschädigung der Anlage
möglich, d.h. ohne nachteilige alterung der Rohre, Auflohlung, etc.. Aufgrund des
höheren Temperaturniveaus (im Vergleich zu dem nach dem Stand der Technik) kann
in bestimmten Fällen auf die Verwendung von Katalysatoren verzichtet werden, die
bei bestimmten Unwandlungsvorgängen im niedrigerel, Temperaturbereich nach dem Stand
der Technik unabdingbares mrfordernis sind. Das Keramikrohr weist geringe Wärmedehnung
im Betrieb auf, wodurch selbst bei langen rohren das Problem der Wärmeausdehnung
eine untergeordnete Bedeutung spielt und eine Rohrbefestigung bei vergleichsweise
einfachem konstruLtivem aufwand möglich ist, Der gitterartige Innenaufbau des Rohrs
trägt entscheidend dazu bei, daß das vergleichsweise bruchempfindliche Keramikrohr
ausreichende Festigkeit in jeder praktischen Betriebssituation besitzt.
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Katalysator-b'üllkörper bzw. Schütt-Katalysatoren nach dem Stand der
Technik werden bei der erfindung nicht mehr benutzt, so daß das Rohr im Betrieb
richtungsunabhängig durchströmt werden kann. Der innere gitterartige Wandaufbau
eines Rohrs schafft ferner innere Kammern bzw. Durchströmungsabschnitte, die bei
einem etwaigen Rohrbruch nur einen Teil des Produktgases austreten lassen. Gasverluste
werden dadurch minimiert, was insbesondere bei giftigen oder anderweitig gefährlichen
Produktgasen besonderer Vorteil der Erfindung ist.
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Das einen integralen inneren symmetrischen Gitteraufbau aufweisende
Rohr mit oder ohne Katalysator schafft im Betrieb der Anlage innere Wärmeleitungsstege
und demzufolge eine große thermische Wirkfläche, was einen wirtschaftlichen Betrieb
eines Ofens unterstützt. Die Rohre können vergleichsweise dicht untereinander und
zur Brennerflamme hin beabstandet angeordnet werden, und zwar ohne örtliche Uberhitzungsstellen
im
Betrieb aufgrund des Rohrmaterials und -aufbaus.
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Dadurch kann ein besonders kompakter Ofen bei hoher Wirtschaftlichkeit
aufgebaut werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß durch
die Gitterwandung im Rohrinnern in etwa gleich große Kammern ausgebildet sind.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, daß das Gitter speichenartig über
dem Rohrumfang gleich verteilt ausgebildet ist.
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Das Gitter weist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
zumindest einen zum Rohrmantel konzentrischen Innenring auf.
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In alternativer Weise kann aber auch das Gitter kreuzartig aufgebaut
sein.
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Eine besonders große Turbulenz eines durchströmenden Gasgemisches
zwecks optimaler WärmeauSnahme durch das Rohr für eine thermische Umwandlung des
Mediums wird erzielt, wenn das Rohr mit einer Gitterwandung ausgebildet ist, die
das Rohrinnere in Bxialrichtung schraubenförmig durchsetzt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform eines Prozeßofens sieht vor, daß
das lotrecht im Ofen angeordnete Rohr unten außerhalb des Feuerraums abgestützt
und oben in der Feuerraumdecke des Ofens verschieblich geführt ist. Dadurch ist
die statische Belastung auf das Rohr minimal, und es können einfache Befestigungsmittel
Verwendung finden.
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Ein besonders wirtschaftlicher und kompakter Frozeßofen kennzeichnet
sich dadurch, daß zumindest ein aus gesintertem, insbesondere keramischem Werkstoff
bestehender Block mit einer Vielzahl von dicht benachbarten Durchgangskanalpaaren
vorgesehen ist, wobei durch jedes Kanalpaar Gasgemisch und Rauchgas
zwecks
vlärmetausch im Betrieb geleitet und die Durchgangskanäle für das Gasgemisch je
nach Umwandlungsprozeß mit oder ohne Katalysator beschichtet sind. Nach dieser Ausführungsform
werden somit nicht frozeßrohre, sondern ein oder mehrere sogenarnte Prozeßblöcke
in einem ~F+ozeßofen verwendet, die V!ärmetauscherfuriition erfüllen. Der Block
weist vorteilhafterweise ein Kreuzgitterzuster auf, bei dem hinsichtlich der Gitterbreite
alternierender, unterschiedlich großer Gitterabstand vorgesehen ist. Es werden auf
diese Weise dicht benachbarte Durchführungskanalreihen geschaffen, und es strömt
in den Durchgangskanälen mit größerem Auerschnitt im Betrieb das (wärmeabgebende)
Rauchgas, während durch die Strömungskanäle mit kleinerem verschnitt das (wärmeaulnehmende)
Er' odukt gas im Gegenstrom oder Gleichstrom geleitet wird. Die Durchgangskanäle
für das umzuwandelnde Produktgas sind mit einem Katalysator beschichtot, wenn der
thermische Prozeß Katalysatoren verlangt.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dann gegeben,
wenn mehrere gleich ausgebildete Blöcke bezüglich der Durchgangskanäle ausgerichtet
und diese verbindend aufeinander und/oder dicht nebeneinander gesetzt angeordnet
sind, wobei der Ofenraum eines Prozeßofens vollständig ausgefüllt bzw. durch die
Blöcke der Ofenraum gebildet ist.
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Diese Blockanordnung in einem Prozeßofen ermöglicht bei optimal er
Ii'euerraumgeometrie eine äußerst kompakte Ofeneinneit bei erheblicher Vereinfachung
und Verbilligung eines Ofens im Vergleich zum Stand der Technik, bei der nicht nur
die wärmetechnische, sonder auch die statische Komponente konstruktiv höchst vorteilhaft
gelöst ist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, daß benachbarte zugehörige Blöcke
bezüglich ihrer Durchgangskanäle fixiert angeordnet sind. Bixierungshilfen können
Absätze, Nuten oder dergleichen
sein. Die Fixierung benachbarter
zugehöriger Blöcke kann auch durch Schrägflächen bei Blöcken in dachartigem Aufbau
erfolgen.
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Vorteilhafterweise sind die Blöcke mittels keramischer Kleber oder
keramischer Massen verbunden, wie auch die Prozeßrohre eines Röhren(prozeß)ofens
mittels derartiger keramischer Mittel verbunden werden können. Dadurch ist es möglich,
Blöcke oder Rohre aus keramischen tjerkstoffen sicher in relativ kleinen Einheiten
herzustellen und für einen Ofen zu nutzen, der größere Einheiten benötigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt
eines Rohrs gemäß der Erfindung, wobei ein integriertes Speichengitter vorgesehen
ist, Fig. 2 ein anderes Rohr im Querschnitt mit kreuzartigem Gitteraufbau, Fig.
3 einen den Fig. 1 und 2 ähnlichen Rohrquerschnitt mit inneren Radialstreben und
einem konzentrischen Innenring als Gitter, Fig. 4 eine schematische Längsansicht
eines erfindungsgemäß aufgebauten Rohrabschnitts mit integriertem Katalysator, Fig.
5 einen '4uerschnitt des Rohres nach Fig. 4, Fig. 6 einen der Fig. 2 ähnlichen Rohrquerschnitt
mit integriertem Katalysator, Fig. 7 eine schematische Vertikalansicht einer Anordnung
von Rohren nach den Fig. 1-6 in einem Prozeßofen, wobei die Rohre schlangenartig
miteinander verbunden sind, Fig. 8 einen Querschnitt durch den Prozeßofen gemäß
Fig. 7, Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer Anordnung von Rohren in einem
Prozeßofen ähnlich der Fig. 7, wobei sämtliche Rohre parallel geschaltet sind und
separate Zuführungs-und Abführungsleitungen aufweisen, Fig.10 einen Querschnitt
durch einen Frozeßofen gemäß Fig. 9, Fig.11 eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäß
aufgebauten Beitungselements in Form eines Blocks mit dicht benachbarten Durchführungskanälen,
der im Betrieb Wärmetauscherfunktion erfüllt,
Fig. 12 einen Querschnitt
durch den Block gemäß Fig. 11 mit integriertem Yatalysator, Fig. 13 eine schematische
Vertikalansicht einer Anordnung von Blöcken gemäß den Fig. 11 und 12 in einem Prozeßofen,
Fig. 14 eine schematische Vertikalansicht von zwei benachbarten Blöcken mit einer
schrägflächigen dachartigen 'ixierungshilfe, und Fig. 15 eine Vertikalansicht ähnlich
der Fig. 14 mit stufenartiger Fixierung.
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Gemäß Zeichnung werden Rohre mit integrierten Querschnittsformen gemäß
den Fig. 1 bis 6 in Prozeßöfen gemäß den Fig. 7-10 zwecks thermischer Umwandlung
von Produktgasen verwendet. Das Produktgas durchströmt das vertikal im Feuerraum
eines Prozeßofens angeordnete Rohr, das Temperaturen bis zumindestens 1400°C je
nach Prozeß und Keramik-Material ausgesetzt ist.
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Aufgrund der Wärmezufuhr wird das Produktgas veredelt, d.h.
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gekrackt oder reformiert.
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Das in einem Prozeßofen 1 angeordnete Rohr 2 besteht aus Keramik und
verläuft geradlinig durch das Feuerauminnere eines Ofens. Das Rohr weist eine integrierte
innere keramische Gitterwandung 6 auf, die axial symmetrisch zur Rohrachse ausgebildet
ist und das Rohr über die gesamte Länge durchsetzt und dadurch Kammern 8 schafft.
Das umzuwandelnde Produkt-oder Spaltgas durchströmt im Betrieb sämtliche Kammern
8 eines Rohres, das Gitterkonfigurationen aufweisen kann, wie es in den Fig. 1-3
dargestellt ist. Insbesondere kann ein Speichengitter gemäß Fig. 1, ein Kreuzgitter
gemäß Fig.2 oder ein Radialgitter mit konzentrischem Innenring gemäß Fig.3 vorgesehen
sein.
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Durch die Gitterausbildung wird bei einem Einzelrohr 2 eines Prozeßofens
1 erhöhte Sicherheit gegenüber Rohrbrüchen bei Minimierung der Beckageverluste durch
Kammerausbildung, ferner erhöhte Festigkeit durch innere Versteifungsrippen des
Rohrs und insbesondere ein optimaler Wärmeübergang auf das Produktgas
durch
eine große Tjirkfläche geschaffen, und es kann, da Füllkatalysatoren nach dem Stand
der Technik keine Verwendung finden, jedes Einzelrohr richtungsunabhängig bei gleichem
großen Wirkungsgrad ohne Beschädigung des Rohrs durchströmt werden.
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Die Rohrformen werden je nach Anwendungsfall, d.h. äe nach den äußeren
Anforderungen an die Spalt- oder Reformerrohre, in bezug auf freien Querschnitt,
Druck und Temperatur festgelegt und dimensioniert.
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In den Fig. 4-6 sind Rohrausbildungen mit Katalysatorbeschichtung
gezeigt. Die Katalysatorbeschichtung an der Wirkfläche des Rohrinnern wird durch
Eintauchen eines Rohrs in ein flüssiges Katalysatorbad hergestellt. Gegebenenfalls
wird für den Eintauchvorgang der Rohraußenmantel mit einer Schutzschicht verkleidet,
die nach dem Tauchvorgang entfernt wird und bewirkt, daß nur das Rohrinnere mit
einem Katalysator beschichtet ist.
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In alternativer Weise kann zwecks Auftragen eines Katalsators im Rohrinnern
das Einzelrohr mit flüssigem Katalysatormaterial durchströmt werden, so daß auf
diese Weise Katalysatormaterial an der porösen Wand des Rohrinnern fixiert wird.
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Wie aus Fig. 7 und 8 ersichtlich, besteht der Reaktionsteil eines
Spaltofens aus Prozeß- oder Spaltrohren 1, die äe nach zu spaltendem Produktgas
über außerhalb des Feuerraums 16 liegende Formstücke 12 ein- oder mehrfach zu einer
Art Schlange verbunden sind, durch die das Spaltgas strömt. Da Zugspannungen auf
die keramischen Rohre möglichst klein zu halten sind, werden die Rohre im Ofenboden
außerhalb des Feuerraums 16 durch eine Abstützung 20 statisch getragen und in der
Feuerraumdecke in einer verschieblichen Führung 22 seitlich fixiert. Durch diese
Befestigungsanordnung werden die Wärmespannungen im Betrieb auf das Rohr auf das
erforderliche PEnimum reduziert.
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Zwischen Einzelrohren 2 eines Prozeßofens 1 können Brenner 18 gemäß
Fig0 7 vorgesehen sein. Auch sind andere Brenneranordnungen denkbar. Der Rauchgasabzug
kann oben oder unten bezüglich
des Feuerraums vorgesehen sein.
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Die in den Fig. 9 und 10 gezeigte Ausführungsform eines Reaktionsteils
eines Reformierofens mit parallel geschalteten Katalysatorrohren 1, die in einem
Beuerraum 16 angeordnet sind, ist ebenfalls nach Prozeßdruck, Reformiergasprodukt-
und -temperatur entsprechend dem individuellen Anwendungsfall konzipierbar. Die
Abstützung der Rohre erfolgt in der vorgenannten Weise.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den
Fig. 11-13 dargestellt.
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Anstelle der Rohre 1 weist nunmehr ein Prozeßofen 1 gemäß Fig.13 Blöcke
4 mit Durchgangskanälen 30 und 32 für ein Spaltgas und ein Rauchgas auf. Die dicht
benachbarten Durchgangskanäle 30, 32 werden durch ein integriertes kreuzartiges
Innengitter im Hohlblock gemäß Fig. 12 geschaffenM das ebenfalls wie das Hohlblockäußere
insbasondere Keramik aus bintermaterlalRbesteht und demzufolge der Erozebofen 1
bei sehr hoher Betriebstemperatur betrieben werden kann.
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Die kreuzartig aufgebaute Innenwandung 5 des Blocks 4 weist hinsichtlich
der Gitterbreite b einen alternierenden, unterschiedlich groß ausgebildeten Gitterabstand
al bzw. a2 auf, wodurch Durchgangskanalreihen für ein Rauchgas mit großem Strömungsquerschnitt
und Durchgangskanalreihen für ein Produktgas mit vergleichsweise kleinem Strömungsquerschnitt
entstehen. Die Durchgangskanäle 30 mit kleinerem Strömungsquerschnitt können an
der Innenwandung mit einem Katalysator ähnlich den vorgenannten Ausführungsformen
beschichtet sein.
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In Fig. 13 ist in einem schematischen Vertikalschnitt ein Prozeßofen
1 gezeigt, bei dem der Feuerraum 16 vollständig mit Blöcken 4 gemäß Fig. 11 und
12 ausgefüllt ist. Die Blöcke 4 sind dabei in ausgerichteter Weise bezüglich der
Durchgangskanäle auf ein andergeschichtet und nebeneinander angeordnet, so daß lotrecht
verlaufende Durchgangskanäle 30 bzw. 32 für das Spalt gas bzw.
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das Rauchgas geschaffen sind. Das Spalt- oder Produktgas 28 wird
durch
ein oder mehrere seitliche anschlüsse 40 dem Feuerraum 16 in Wärmetauscheranordnung
zu- bzw. abgeführt, während die Brenneranordnung 36 gemäß beschriebenem Ausführungsbeispiel
an der Feuerraum-Decke oder -Boden befestigt ist und das Rauchgas 34 die Blöcke
4 von oben nach unten oder unten nach oben durchströmt und durch den unteren seitlichen
Austritt 38 abgeführt wird.
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Das Gewicht der Blöcke wird entweder in der Ofenstahlkonstruktion
oder vom Ofenboden aus durch Auflagerungen 42 abgestützt.
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Wie in den Fig. 14 und 15 gezeigt, können Fixierungshilfen ein schen
benachbarten Blöcken 4 vorgesehen sein, um einander zugeordnete Durchgangskanäle
30 und 32 zueinander auszurichten bzw.
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die Gitterwandung benachbarter Elemente miteinander zu verbinden,
und zwar mittels keramischer Massen oder Kleber, die eine hochwertige Verbindungsgüte
zwischen den Bauteilen aufgrund eines Sinter- oder Brenn-Vorgangs vor dem eigentlichen
Betrieb des Prozeßofens schaffen.
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Es ist ersichtlich, daß Anordnung und Größe der Einzelbauteile sowie
Strömungsrichtung von Produkt- und Rauchgas entsprechend einem individuellen Anwendungsfall
frei konzipiert werden können.
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Illit Hilfe der vorgenannten Blockbauweise eines Ofens lassen sich
bei vergleichsweise hoher Wirtschaftlichkeit äußerst kompakte Ofenkonfigurationen
verwirklichen.
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L e e r s e i t e