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Vorrichtung zur Ausführung von katalytischen Reaktionen zwischen Gasen oder
Dämpfen oder zwischen Gasen und Dämpfen.
Bei vielen Reaktionen zwischen Gasen oder Dämpfen oder zwischen Gasen und Dämpfen konnten praktische Erfolge nicht erzielt werden, besonders, wenn derartige Reaktionen nur mittels Kontaktsubstanzen möglich waren. Der Misserfolg war meist darin begründet, dass die drei Hauptbedingungen, nämlich hohe Wirksamkeit des benutzten Katalysators, grosse Gasgeschwindigkeit und rasche Abführung der Reaktionsprodukte aus der Reaktionszone nicht oder nur unvollkommen gleichzeitig innegehalten werden konnten.
Vorliegende Erfindung bezweckt, die gleichzeitige Erfüllung dieser Bedingungen zu ermöglichen.
Nach dieser Erfindung werden die zu behandelnden Gase oder Dämpfe mit Hilfe eines kreisenden Rades, Propellers, Ventilators oder einer ähnlichen aus katalytischen Massen bestehenden oder mit solchen verbundenen Vorrichtung gemischt oder ungemischt aus einem oder mehreren Vorratsbehältern angesaugt und fortgetrieben. Auf diese Weise kann man so grosse Kontaktflächen erzeugen, wie sie mit ruhenden Katalysatoren nie erreicht werden können. Hiedurch wird es erst möglich, bei katalytischen Vorgängen derartig grosse Mengen an Gas oder Dämpfen pro Zeiteinheit in Reaktion treten zu lassen, dass viele dieser Prozesse nunmehr mit wirtschaftlichem Nutzen im grossen durchgeführt werden können, bei denen dies bisher nicht möglich war.
Aber auch die Rentabilität derjenigen Gasprozesse, die heute schon mit Erfolg im Grossbetrieb durchgeführt werden, kann mittels der neuen Vorrichtung ganz bedeutend erhöht werden.
Dies ist besonders deswegen der Fall, weil mittels der neuen Vorrichtung nicht nur die wirksame Oberfläche der Katalysatoren ungeheuer vergrössert, sondern auch vor allem die Reaktionsprodukte äusserst rasch aus der Reaktionszone abgeführt und die Reaktionsgase aufs innigste gemischt und sehr leicht erwärmt oder gekühlt werden können.
Die Flügel oder Schaufeln des kreisenden Rades od. dgl. werden derartig ausgebildet, dass sie die Katalysatoren entweder selbst bilden oder mit sieh führen und gleichzeitig für die Erhitzung oder im Bedarfsfalle auch für die Kühlung der Katalysatoren sorgen. Bei Kontaktsubstanzen, die in Drahtform oder in einer andern duktilen Form vorliegen oder erzeugt werden können, werden die Flügel oder Schaufeln selbst aus diesem Stoff hergestellt. Dies wird immer dort angebracht sein, wo der Katalysator zum Einleiten der Reaktion nur angeheizt werden muss und wo dann die Reaktion durch ihre eigene Wärmetönung aufrechterhalten wird, oder wo die Katalysatoren zweckmässig dauernd mittels des elektrischen Stromes erhitzt werden können.
Wo diese Bedingungen nicht vorhanden sind, werden die Flügel aus einem die Wärme und die Elektrizität leitenden oder isolierenden Stoff hergestellt, je nachdem die Kontaktsubstanz durch Verbrennung von Gasen oder mittels Elektrizität angeheizt oder dauernd erhitzt werden soll. In diesem Falle werden die Kontaktsubstanzen, wenn sie in Draht-, Netz-oder Spiralform zur Anwendung kommen, auf den Flügeln des Ventilators, oder wenn sie in Pulver-oder Brockenform vorliegen, im Hohlraum der Flügel untergebracht. Ebenso sind zwecks Heizung der Kontaktsubstanzen, die auf den Flügeln angebracht sind, die Flügel des kreisenden Rades hohl ausgebildet, so dass die Heizgase in diesen Hohlräumen verbrannt werden können, während die Abgase durch einen am Rande des Flügels angebrachten, mit einer Wulst versehenen Ring abgeführt werden.
Diese Hohlräume können gegebenenfalls auch zur Kühlung der Kontaktsubstanzen mit Luft, Wasser od. dgl. dienen. In diesem Falle können die Flügel auch als Kontaktträger benutzt werden, wobei die Kontakt-
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Substanzen auf denselben nach irgendeiner bekannten Art, z. B. mittels des Metallspritzverfahrens niedergeschlagen werden. Infolgedessen kann die Gasgeschwindigkeit bei den einzelnen katalytischen Pro- zessen gegenüber derjenigen, die bei bis jetzt bekannten Verfahren zur Anwendung kam, und damit die Raumzeitausbeute um ein Vielfaches gesteigert werden. Die Gaszufuhr bei den einzelnen Prozessen wird bei der neuen Kontaktvorrichtung auf höchst einfache Weise dadurch geregelt, dass man den Winkel zwischen den Flügeln oder Schaufeln mehr oder weniger gross wählt.
Ferner wird mit dem neuen Kontaktapparate auch die früher genannte dritte Bedingung in idealer
Weise erfüllt, nämlich die schnelle Entfernung der Reaktionsprodukte aus der Reaktionszone. Mit derselben Geschwindigkeit, mit welcher der Ventilator die zu behandelnden Gase ansaugt, beseitigt er auch die gebildeten Reaktionsprodukte aus der Reichweite der Katalysatoren.
Sollte die Umsetzung bei dem Durchgang durch das kreisende Rad keine ganz vollständige sein, so steht nichts im Wege, eine Anzahl solcher Apparate hintereinander zu schalten.
Mit der neuen Vorrichtung lassen sich Gasreaktionen sowohl ohne, als auch mit Druck ausführen.
Im letzteren Falle ist der Kontaktapparat in die betreffenden Druckgefässe wie Autoklaven, Druck- rohre, Druckzylinder usw., einzubauen.
Nach dem neuen Verfahren können eine grosse Anzahl von Oxydations-und Reduktionsprozessen mit Gasen praktisch mit Erfolg durchgeführt werden. Von den Prozessen, die nach dem neuen Verfahren ausgeführt werden können, soll z. B. derjenige der Ammoniakverbrennung und die dazu verwendete
Apparatur an der Hand der anliegenden Zeichnung näher beschrieben werden.
Fig. 1 ist eine Seiten-und Fig. 2 eine Stirnansicht eines für elektrische Heizung eingerichteten
Propellers. Fig. 3 zeigt im Axialsohnitt einen hohlen Propeller mit innerer Gasheizung. Fig. 4 ist eine
Stirnansicht, Fig. 5 eine Seitenansicht, zur Hälfte geschnitten, eines Schaufelrades, das mit einem Kataly- sator gefüllt ist.
Da für die Ammoniakverbrennüng sich Platin'als der-beste Katalysator erwiesen'hat, so können in diesem Falle beispielsweise die Flügel des Ventilators selbst aus Platin, u. zw. aus geripptem'oder gewelltem Platinblech oder aus Platindrahtnetz oder Platinspiralen hergestellt sein. Um den Kataly- sator auf die Reaktionstemperatur zu bringen, kann er mit einem Gebläse angeheizt oder zum Leiter eines elektrischen Stromes gemacht werden. Man kann aber auch die Flügel aus einem isolierenden
Material herstellen und das den Katalysator bildende Platin in Draht-oder Netzform darauf befestigen, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt. In diesem Falle ist z. B. der Draht in Schleifen a-auf den Flügeln an- gebracht oder umgibt die Flügel in Windungen b.
Die Enden werden nach zwei Schleifringen c, d geführt, die mit der Stromquelle verbunden werden, z. B. in Reihe mit dem Elektromotor e. In Fig. 3 sind hohle
Flügel, z. B. aus Eisen, verwendet, die von innen mit Gas geheizt werden, Zu diesem Zweck ist die hohle
Welle 1 durch eine (nicht gezeichnete) Labyrinthdichtung mit einer Gasleitung verbunden, und durch- löcherte Rohre h, h im Innern der Flügel kommunizieren mit der Bohrung der Welle t. Verbrennungsluft kann durch Öffnungen i, i eingesaugt werden. Die Flammen brennen aus den Löchern der Rohre h, h, und die Verbrennungsgase werden durch eine Labyrinthdichtung 7c und ein Ringrohr ! abgeführt.
Fig. 4 und 5 zeigen'eine andere Anordnung. Eine drehbare Scheibe p trägt die Schaufeln q, die durch einen Deckel r bis auf die ringförmige Öffnung s verschlossen sind. (In Fig. 5 ist der Deekel r zum Teil abgebrochen gezeichnet. ) Auf diese Weise werden Kanäle t gebildet, durch welche die Zentrifugal- kraft die Gase in der Richtung der Pfeile u hindurchtreibt. Diese Kanäle werden nun mit porösen
Katalysatoren v angefüllt, die durch Drahtgeflecht, gelochte Bleche od. dgl. festgehalten werden. Die
Schaufeln und die Wände können auch aus dem Katalysator selbst hergestellt werden, wenn dieser ein
Metall ist. Nach dem Durchgang der Gase durch den Ventilator werden im Fall der Ammoniakver- brennung die gebildeten Stickoxyde gekühlt und auf bekannte Weise absorbiert.
Während bis jetzt bei der technischen Herstellung von Stickoxyden durch Verbrennung von
Ammoniak im allgemeinen nur geringe Gasgeschwindigkeiten in Frage kamen, z. B. 6'6 m3 pro Minute in jedem Element (siehe hiezu"Die Luftstickstoffindustrie"von Bruno Wäser, S. 487), kann man bei dem neuen Verfahren mit einem Element bei einem Rohrdurchmesser von 500 mm und einer Gas- geschwindigkeit von 20 m/sec. 4 mysec. Ammoniakluftgemisch durchsetzen, wobei die Kontaktfläche des Elementes 9 x 20 de beträgt. Hat man also einen Ventilator, der 1200 Umdrehungen pro Minute macht, so erhält man eine Kontaktfläche von etwa 40 X 20 = 800 dm2 = 8 m2/sec.
Ausserdem erreicht man mit dem neuen Verfahren noch den ganz bedeutenden Vorteil, dass man zur Oxydation des Ammoniaks statt Luft Sauerstoff verwenden kann. Dies war bei den bis jetzt bekannt gewordenen Verfahren wegen der damit verbundenen Explosionsgefahr nicht möglich. Nach der neuen Erfindung erfolgt die Oxydation des Ammoniaks zu Stickoxyden so rasch, dass gar keine
Explosion eintreten kann.
Ebenso wie der Ammoniakoxydationsprozess lassen sich nach dem neuen Verfahren die ver- schiedensten derartigen Prozesse zwischen Gasen und Dämpfen mit Luft, Sauerstoff, Ozon, Wasser- dampf usw. durchführen. Als weiteres Beispiel sei besonders die Herstellung von Formaldehyd aus
Methan genannt. Gerade bei diesem Prozesse hat sich der neue katalytische Apparat sehr gut bewährt.
Bis jetzt war die Ausbeute bei diesem Prozesse infolge der Neigung des gebildeten Formaldehyds, bei
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