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Apparatur zur Durchführung katalytischer Reaktionen.
Die Erfindung betrifft eine Apparatur zur Durchführung katalytischer Reaktionen, u. zw. von in dampfförmiger Phase verlaufenden, und ist insbesondere für Reaktionen geeignet, die einer genauen Temperaturkontrolle bedürfen.
Viele in dampfförmiger Phase vor sich gehende, katalytische Reaktionen bedürfen einer sehr wirksamen Temperaturregelung wegen der mitunter sehr erheblichen, entwickelten Wärmemenge. Man muss dann diese genaue Temperaturregelung vorsehen, um die für die Erzielung der günstigsten Produktionsresultate notwendigen Reaktionsbedingungen aufrecht zu erhalten. Solche Notwendigkeit macht sich besonders bei Oxydationsreaktionen gelten, wie etwa bei der Oxydation von Sehwefeldioxyd zu Schwefeltrioxyd und bei der Oxydation vieler organischer Verbindungen zu sogenannten Zwischenprodukten. Beispiele für letztere Reaktionen sind die Oxydation von anthrazenhaltigen Stoffen zu Anthrachinon, von Toluol oder Toluolderivaten zu entsprechenden Benzaldehyden und Benzolsäuren.
Auch organische Reaktionen, bei welchen vorhandene Verunreinigungen selektiv verbrannt oder in leicht entfernbare Substanzen umgewandelt werden, benötigen eine genaue Temperaturkontrolle. Beispiele für solche Reaktionen sind die Reinigung von Rohanthrazen oder Phenanthren mittels selektiver katalytischer Verbrennung von Carbazol, ferner die Reinigung von Rohnaphthalin, rohen einkernigen aromaischen Kohlenwasserstoffen und rohen aliphatischen Verbindungen, wie von hochmolekularen schwefelhaltigen Ölen und Motorbrennstoffen. Auch das Ammoniak des Steinkohlenteers kann durch selektive Oxydation organischer Verunreinigungen gereinigt werden.
Bisher wurden zwei grosse Gruppen von Reaktionskammern verwendet, u. zw. solche, welche durch die reagierenden Gase selbst gekühlt wurden und solche, die durch siedende oder nichtsiedende Badflüssigkeiten gekühlt wurden. Die ersteren haben ihr Hauptanwendungsgebiet bei der katalytischen Oxydation von Schwefeldioxyd zu Schwefeltrioxyd gefunden, während die letzteren hauptsächlich zur Oxydation organischer Verbindungen zu Zwischenprodukten verwendet wurden. Die gasgekühlten Reaktionskammern, beispielsweise die in der Schwefelsäuretechnik verwendeten, gehörten bisher hauptsächlich zwei Kategorien an.
Es gab einfache Reaktionskammern, bei welchen Schichten des Katalysators durch die Reaktionsgase und durch Wärmestrahlung des Mantels der Reaktionskammer bis zu einem gewissen Ausmass gekühlt wurden und es gab rohrförmige Reaktionskammern, bei welchen der Katalysator in Rohre eingebracht ist, bei welchen er durch die die Rohre umstreichenden Gase gekühlt wird.
Die erste Kammernart wird beispielsweise durch den bekannten Grillo-Schwefelsäurekontaktapparat und die letztere Art durch den Knietschapparat wiedergegeben.
Jedoch zeigen beide Arten dieser gasgekühlten Reaktionskammern sehr ernstliche Nachteile.
Die durch Schichten gekennzeichnete Kammernart ermöglicht nur eine ungleichmässige Kühlung, aus-
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tionen. Die rohrförmige Reaktionskammer besitzt wohl eine sehr starke Kühlwirkung, welche jedoch nicht voll automatisch wirkt. Ausserdem ist der Bau von rohrförmigen Reaktionskammern wegen der erforderlichen grossen Anzahl gasdichter Verbindungen sehr kostspielig.
Tentelew hat eine Abänderung solcher rohrförmiger Reaktionskammern vorgeschlagen. Nach diesem System werden eine Anzahl Rohre in einer Reaktionskammer angeordnet, welche dem Schichtentyp ähnlich ausgebildet ist, und mit dem Katalysator angefüllt. Die eintretenden Gase gelangen in die
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Hammer und streichen durch die mit dem Katalysator angefüllten Rohre nach abwärts. Diese Reaktions- kammer weist den erheblichen Vorteil billiger Bauart auf, da keine gasdichten Verbindungen erforderlich sind und führt zu einer bessern Kühlwirkung als die einfache Reaktionskammer vom Schichten- typ, da die Katalysatorrohre eine grössere Ausstrahlungsfläche besitzen.
Jedoch ist nur ein sehr lang- samer Wärmeübergang von den Rohren zu dem umgebenden Gas vorhanden, da letzteres nicht mit jener hohen Geschwindigkeit über die Rohre streichen gelassen wird, welche zur Erzielung einer wirksamen
Wärmeübertragung von Metall auf Gas erforderlich ist.
Vorliegende Erfindung verbindet die Einfachheit, billige Bauart und Verlässlichkeit der Reaktion- kammer von Tentelew mit einer automatischen Kühlung, deren Wirkung selbst die der rohrförmigen
Reaktionskammern überragt. Die erfindungsgemässe Kühlung bietet ferner den ungeheuren Vorteil, dass ihre Wirkung proportional der Menge, der die Reaktionskammer durchstreichenden Gase und damit proportional der jeweilig in derselben entwickelten Wärmemenge ist. Man erzielt so automatisch eine sehr gleichmässige Temperatur in grossen Bereichen und gute Ausbeuten bei hoher Leistungsfähig- keit.
Die Kühlwirkung ist so gross, dass dieses neue Kammernsystem nicht nur von ausgezeichneter Wirkung bei ruhig verlaufenden exothermen Reaktionen ist, wie etwa bei der katalytischen Oxydation von Schwefeldioxyd zu Schwefeltrioxyd, der Oxydation von Methylalkohol zu Formaldehyd und bei vielen Reduktionsreaktionen, sondern dass es sogar bei stark exothermen Oxydationen organischer Verbindungen angewendet werden kann, auf welchem Gebiete gasgekühlte Reaktionskammern bisher wenig Erfolge aufweisen konnten und woselbst nun in vielen Fällen die Verwendung kostspieliger Reaktionkammern mit Badkühlung überflüssig wird.
Erfindungsgemäss werden Katalysatorrohre wie bei der gewöhnlichen Tentelewbauart vorgesehen, mit dem Unterschied jedoch, dass diese Rohrwände ihre Hitze nicht in relativ stillstehende Gase ausstrahlen, sondern dass die eintretenden Gase durch Wärme- austausehvorrichtungen geführt werden, welche angrenzend an die Katalysatorrohre angeordnet und sich im mittelbaren Wärmeaustausch mit diesen befinden, wonach der Gasstrom sodann umgekehrt wird.
Die Gase streichen in unmittelbaren Wärmeaustausch an den Katalysatorrohren vorbei und werden neuerlich umkehren gelassen, wonach sie den Katalysator in den Rohren durchstreichen. Auf diese Weise ist die Geschwindigkeit der über die Katalysatorrohre streichenden Gase ungeheuer vergrössert und gleichmässig gerichtet, so dass die Kühlwirkung nicht nur sehr vergrössert ist, sondern dass es nunmehr auch möglich ist, die Kühlwirkung jedes einzelnen Katalysatorrohres genau zu regeln.
Einzelheiten der Erfindung sind in den beispielsweisen Ausführungsformen der anliegenden Zeichnungen ersichtlich :
Fig. l stellt einen Vertikalschnitt durch eine einfache Ausführungsform vorliegender Erfindung dar.
Fig. 2,3 und 4 geben verschiedene Querschnitte wieder, welche die Katalysatorrohre aufweisen können, Fig. 6 zeigt einen senkrechten Schnitt einer abgeänderten Form der in Fig. 1 dargestellten Reaktionkammer mit zusätzlicher Gaseinführung. Fig. 7 ist ein Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform,
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etwas abgeänderte Ausführungsform mit eng zusammengefasstem Gasstrom. Fig. 9 stellt einen Vertikalschnitt durch eine Reaktionskammer ähnlich wie in Fig. 8, aber mit der Abänderung einer direkten zusätzlichen Gaseinführung dar.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 besteht die Reaktionskammer aus einem zylindrischen Gefäss 1 mit abnehmbarem Deckel 2, das mit einer Wärmeisolationsschichte 4 ausgekleidet ist. An den Deckel ist ein mit Ventil 7 versehenes Einlassrohr 5 angeschlossen, in welches ein durch ein Ventil 9 absperrbares Nebenrohr 8 mündet. Ein Austrittsrohr 6 ermöglicht den Austritt der Gase am Boden der Reaktionkammer. Die Katalysatorkammer weist eine untere Abteilung auf sowie mit Katalysator angefüllt Rohre 12. Der Katalysator erstreckt sich bis unterhalb der Rohre 12, so eine sehr dünne Schichte bildend, welche von dem Siebboden 16 getragen wird.
Eine durchlochte obere Scheidewand 15 ist unter dem Deckel 2 angeordnet mit Rohren 13, welche nach abwärts zwischen die Katalysatorrohre reichen und an ihren unteren Enden Durchlöcherungen aufweisen. Es sind entsprechende Mundstüekoffnungen oder Pfropfen 14 vorgesehen, damit eine grössere Menge der Gase durch die zentral angeordneten Rohre nach abwärts streicht, um die grössere Kühlwirkung in den peripheren Partien, welche sich durch den Mantel der Reaktionskammer ergibt, auszugleichen. Eine Prallplatte 17 wird unterhalb des Siebbodens 16 angeordnet und unterhalb desselben befindet sich eine Katalysatorlage 20, welche durch den Siebboden 21 getragen wird.
Die Einfüllung des Katalysators in die Katalysatorrohre kann durch entsprechende Öffnungen der Scheidewand 15, welche normal durch Pfropfen verschlossen sind, erfolgen. Der Katalysator kann durch das Rohr 18 entfernt werden. In ähnlicher Weise kann die Einfüllung der Katalysatorschichte 20 durch das Rohr 19 und die Entfernung des Katalysators durch das Rohr 22 erfolgen. Nach Ingangsetzung treten die Reaktionsgase durch das Rohr 5 ein und werden mittels der Prallplatten 11 zerstreut und gelangen dann durch die verschiedenen wärmeaustausehenden Rohre 13 auf den Boden des Hohlraums, der sich zwischen den Katalysatorrohren 12 befindet. Die Strömungsrichtung wird dann umgekehrt und gelangen die Gase unter Wärmeaustausch mit den Katalysatorrohren nach oben, wonach sie wieder durch die Katalysatorrohre nach unten streichen.
Gegebenenfalls kann man letztere mit Durchlöcherungen 40 versehen, um einen mehr allmählichen Eintritt der Gase auf grösserer Fläche
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verteilt, zu erzielen. Die durch den Siebboden, M austretenden, teilweise bereits zur Reaktion gelangten Gase treffen auf die Prallplatte 17 auf, wobei sie nach aussen abgelenkt und gründlieh und gleichmässig gemischt und durch Berührung mit dem Mantel der Reaktionskammer gekühlt werden. Diese Kühlung kann noch durch Luftkühlung des Mantels unter Zuhilfenahme eines Ventilators 2. 3 vergrössert werden.
Die gut gemischten und gekühlten Gase streichen dann nach abwärts durch die Katalysatorlage 20, woselbst der letzte Teil der Reaktion stattfindet, um schliesslich durch Rohr 6 nach aussen zu gelangen.
Die Katalysatorrohre können irgendeine Gestalt, beispielsweise die der Fig. 2,3 oder 4 aufweisen.
Runde Rohre sind am billigsten und widerstandsfähigsten und für viele Reaktionen vorzuziehen. Wenn man jedoch die Gase sehr eng um die Katalysatorrohre bei der Rückbewegung zusammenfassen will, so müssen die Katalysatorrohre eng aneinander angeordnet werden, was mittels polygonaler Formen
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keit der ihnen entlang geführten, zur Reaktion gelangenden Gase und um so grösser die Wirksamkeit des Wärmeaustausches.
Die Ausführungsform. die in Fig. 1 dargestellt ist, ist vorzüglich zur katalytischen Oxydation von Schwefeldioxyd geeignet und kann auch für gewisse Typen milde verlaufender exothermer organischer
Reaktionen angewendet werden. Die automatische Kühlung wirkt sich gut aus und hält die Temperatur innerhalb grosser Bereiche konstant. Plötzlichen Temperaturerhöhungen kann man durch direkte Ein- führung von kalten oder heissen Gasen bei 10 entgegenwirken.
Sollen hochexotherme organische Reaktionen durchgeführt werden, so ist es nicht nur zweck- mässig, die Katalysatorrohre eng aneinander anzubringen, um damit die Geschwindigkeit der an ihnen vorüberstreichenden Reaktionsgase zu erhöhen, sondern man verwendet auch relativ kleine Rohre, so dass alle Stücke des Katalysators sich nahe der Rohroberfläche befinden. Es besteht dann nicht die
Möglichkeit einer leichten Bildung überhitzter Stellen, was besonders in solchen, ziemlich häufigen Fällen wichtig ist, wenn der Katalysator ein schlechter Wärmeleiter ist. Häufig ist es auch angebracht, unge- kühlte Katalysatorlagen zu vermeiden, wenn man es mit hoch exothermen Reaktionen, wie beispiels- weise mit vielen organischen Oxydationen, zu tun hat.
Fig. 6 zeigt eine Abänderung der Fig. 1, bei welcher die Hauptmenge der Gase durch das Einlass- rohr 5 einströmt, um sodann durch die wärmeaustauschenden Rohre zu streichen, wie dies auch bei Fig. 1 beschrieben wurde ; es ist jedoch auch eine direkte Einführung der zur Reaktion gelangenden Gase vor- gesehen. Diese geschieht mittels des durch das Ventil 27 geregelten Rohres 25, welches in den Deckel 2 der Kammer führt. Prallplatten 24 zerstreuen die Gase, welche dann nach abwärts durch die Rohre 26 streichen, die mit einem entfernbaren Boden 28 und mit Durchlöcherungen längs des ganzen unteren
Teiles versehen sind.
Die so direkt eingeführten Gase gelangen durch die Durchlöcherungen und streichen. dann durch den Katalysator ohne die wärmeaustauschenden Rohre 13 passiert zu haben.
Fig. 7 zeigt eine umgekehrte Ausführungsform der Reaktionskammer von Fig. 6, bei welcher die Katalysatorrohre 12 mit einzelnen den Katalysator zurückhaltenden Siebböden 41 versehen sind, welche mittels der Drähte 42 an den Tragvorrichtungen 43 befestigt sind. Bei dieser Ausführungsform erstrecken sich die wärmeaustauschenden Rohre 13 bis oberhalb der Katalysatorrohre 12 in rohrförmige
Erweiterungen 30. Sie werden auf diese Weise heissen Gasen, welche die Reaktion bereits mitgemacht haben, ausgesetzt und verhindern so leichter die Bildung einer kühlen Stelle an der Spitze der Katalysator- rohre. Bei dieser Figur ist auch die Verwendung der Mundstückpfropfen 29 ersichtlich, mittels welcher der Anteil der direkt durch die Rohre 26 eingeführten Gase verändert werden kann.
Selbstverständlich können ähnliche Vorrichtungen zum Regulieren des jeweiligen Gasstroms bei den verschiedenen Rohren auch bei der Ausführungsform nach Fig. 6 in Anwendung gebracht werden.
Fig. 8 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, bei welcher über die Katalysatorrohre 12 geschlossene
Endrohre 31 angeordnet sind, welche mit Durchlöcherungen an ihren unteren Enden versehen sind.
Die eintretenden Gase strömen die Aussenseite dieser geschlossenen Endrohre entlang hinab, sodann durch die vorgesehenen Durchlöcherungen, weiter durch die ringförmigen Zwischenräume zwischen den Katalysatorrohren 12 und den Rohren mit geschlossenem Ende 31 und schliesslich abwärts durch den Katalysator und durch den Boden hinaus. Die reagierenden Gase sind eng um die Katalysatorrohre. zusammengefasst und man erzielt eine hohe Geschwindigkeit und einen wirksamen Wärmeaustausch.
Die Reaktionskammer nach Fig. 8 ist darum für Reaktionen geeignet, die einer genauen Wärmeregelung bedürfen. In Fig. 8 ist des weiteren eine beispielsweise Anordnung von mehr als einer ungekühlten Kataly- satorlage wiedergegeben, wobei die zweite Lage 33 von einem Siebboden 34 getragen und mit Füllrohren 35 und Rohren 37 für das Ablassen des Katalysators versehen ist. Eine Prallplatte 32 ist zwischen der ersten und zweiten Lage angeordnet. Es kann zweckmässig sein, die ungekühlten Schichten bei hoch exothermen
Reaktionen, wie etwa bei gewissen organischen Oxydationen wegzulassen, wenn solche in der Reaktions- kammer nach Fig. 8 ausgeführt werden sollen. Sie erweisen sich aber als sehr wirksam zur Umsetzung der letzten Anteile, etwa bei der katalytischen Oxydation von Schwefeldioxyd zu Sehwefeltrioxyd.
Fig. 9 zeigt eine Abänderung der in Fig. 8 ersichtlichen Reaktionskammer, bei welcher die Rohre 31 mit schmalen, oben offenen Hälsen 36 versehen sind, die an eine unter dem Deckel der Reaktionskammer befindliche durchlöchert Scheidewand heranreiehen und den direkten Eintritt eines Gases in die Spitze
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der Rohres und von da in den Katalysator ermöglichen. Die Hälse 36 werden zweckmässig mit Mund- stuckpjopfen 5S versehen, um eine relativ intensivere Kühlung der zentral angeordneten Rohre herbeizuführen. Die Wirkung der zusätzlichen Gaseinführung entspricht der bei den Fig. 6 und 7.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Apparatur zur Durchführung katalytischer Reaktionen nach dem Tentelewsystem, dadurch gekennzeichnet, dass Vorrichtungen, die wenigstens einen Teil der Reaktionsgase im wesentlichen parallel den Katalysatorrohren und in indirekten Wärmeaustausch mit diesen zu strömen zwingen sowie Vorrichtungen, die eine nachfolgende Umkehr der zur Reaktion bestimmten Gase und ein Weiterströmen in unmittelbarer Berührung mit den Aussenwänden der Katalysatorrohre herbeiführen und des weiteren Vorrichtungen, welche eine neuerliche Umkehr des Stroms der Gase und ein Durchströmen sodann durch den Katalysator in den Rohren bewirken, in einem einzigen, der Durchführung der Reaktionen dienenden Reaktionskessel vorgesehen werden,
welche Vorrichtungen beispielsweise in Rohren mit geschlossenem Ende bestehen, die über den Katalysatorrohren angeordnet und mit Durchlöcherungen an ihren unteren Enden versehen sind.