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Katalytischer Reaktionsapparat.
Die Erfindung betrifft einen katalytischen Reaktionsapparat, insbesondere einen solchen zur Durchführung stark exothermer oder eine feine Temperaturregelung erfordernder Reaktionen. In der amerikanischen Patentschrift Nr. 1660511 ist ein katalytischer Reaktionsapparat beschrieben, bei welchem eine Anzahl von Katalysatorkammern verwendet wird, deren erste eine Kühlung aufweist, zweckmässig durch die zur Reaktion zu bringenden Gase selbst, die hinreichend kräftig ist, um starke Überlastungen zu gestatten, wobei auf diese erste Reaktionskammer Katalysatorlagen oder Reaktionskammern folgen, die nicht gekühlt oder durch die zur Reaktion zu bringenden Gase schwächer gekühlt sind.
Dieser katalytische Reaktionsapparat arbeitet sehr befriedigend bei Reaktionskammern bis zu einer gewissen Grösse und bei gewissen Reaktionen. Bei stark exothermen Reaktionen oder besonders bei Reaktionen, welche in den ersten Lagen oder Kammern eine andere Temperatur erfordern, als in den folgenden, wie z.
B. bei der Erzeugung von Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren, ist es nicht möglich, die gewünschte Temperaturregelung in den schwach gekühlten Massen in einem für den Grossbetrieb geeigneten Masse zu erreichen, und bei Reaktionen, wie die Erzeugung von Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren, wo es wünschenswert ist, in den letzten Katalysatorlagen oder Reaktionskammern viel niedrigere Temperaturen aufrechtzuhalten, um ein hohes Reaktionsgleichgewicht zu ermöglichen, können die zur Reaktion zu bringenden Gase nicht zur wirksamen Kühlung der letzten Katalysatorlage benutzt werden, da sie selbst eine zu hohe Temperatur haben und durch Zwischenkühler oder Wärmeaustauschvorrichtungen gekühlt werden müssen, die den Raumbedarf des Apparates bedeutend vergrössern und die Temperaturregelung in den letzten Katalysatorlagen oder Reaktionskammern erschweren.
Gemäss der Erfindung sind mehrere Katalysatorlagen oder Reaktionskammern vorgesehen, von welchen die erste oder die ersten mittels Hochleistungs-Kühleinrichtungen gekühlt werden und die letzte oder die letzten Katalysatorschichten oder Reaktionskammern mit Kühleinrichtungen versehen sind, welche unabhängig von der Temperatur der aus der ersten Kammer oder Katalysatorschicht austretenden Gase arbeiten. Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform besteht die Hochleistungs-Kühleinrichtung der ersten Kammer oder Schicht in Doppelgegenstrom- Wärmeaustauschelementen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die unabhängige Kühlung der letzten Katalysatorschicht oder Reaktionskammer durch einen Teil der zur Reaktion zu bringenden Gase, bevor diese durch die erste Reaktionskammer gehen.
Der Raumersparnis wegen können die verschiedenen Katalysatorlagen oder Reaktionskammern in einem einzigen Gehäuse untergebracht sein, man kann aber auch eine andere Aufstellung, etwa getrennt nebeneinander, vorsehen.
Es hat sich ferner als sehr vorteilhaft erwiesen, die Kühleinrichtung in einer oder beiden Reaktionskammern des erfindungsgemässen Reaktionsapparates von so ungleichmässiger Lage, Anordnung oder Kühlfähigkeit zu wählen, dass die Ungleichmässigkeit der Kühlung der Reaktionen, welche durch Wärmestrahlung des Gehäuses herbeigeführt wird, kompensiert wird.
Der vorliegende Apparat eignet sich ausser zu zahlreichen katalytischen Umwandlungen organischer Verbindungen in dampfförmiger Phase auch zur Synthese und Oxydation von Ammoniak und besonders zur Erzeugung von Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren, wobei er hohe Reaktionstemperaturen und dementsprechend hohe Reaktionsgeschwindigkeiten in den ersten Lagen oder Reaktionskammern und im Verein damit eine niedrigere Temperatur für das beste Umwandlungsgleichgewieht in den späteren Lagen oder Reaktionskammern zu erreichen gestattet. Dementsprechend soll die Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf das Kontaktverfahren der Schwefelsäureerzeugung beschrieben werden, doch ist das über dieses Verfahren Gesagte auch auf andere exotherme Katalysen in Dampfform anwendbar.
Fig. 1 der durchwegs schematischen Zeichnung ist ein lotrechter Schnitt einer Reaktionskammer mit einer inneren Wärmeaustauschvorrichtung, Fig. 2 ist ein Schnitt nach der Linie 2, 2 der Fig. 1, Fig. 3 ist ein lotrechter Schnitt eines abgeänderten Reaktionsapparates, Fig. 4 ist ein lotrechter Schnitt eines Reaktionsapparates mit Kühlung der zweiten Lage im geschlossenen Kreislauf ; Fig. 5 zeigt eine Einzelheit von Fig. 4, Fig. 6 ist ein lotrechter Schnitt eines Reaktionsapparates zur Veranschaulichung der Verwendung der zur Reaktion zu bringenden Gase zur Kühlung der zweiten Lage sowie einer Abänderung der Kühlung der ersten Lage, Fig. 7 ist ein Schnitt nach der Linie 7, 7 Fig. 6.
In Fig. 1 ist die erste Lage oder Reaktionskammer vom Gehäuse 1 umschlossen, der Katalysator ruht auf dem Sieb 2. An einem Ende geschlossene Röhren 4 reichen durch den Katalysator bis unter das Sieb 2 und von einem Rohrboden 6 nach abwärts gehende Rohre 5 mit offenen Enden reichen in die geschlossenen Rohre 4 bis nahe an deren geschlossene Enden herab. Zur Einfüllung des Katalysators dienen im Rohrboden 6 angebrachte, durch Pfropfen 7 verschliessbare Öffnungen. Die zweite Katalysator-
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lage oder Reaktionskammer ist in einem etwas verengten Teil 8 des Gehäuses enthalten.
Der Katalysator ruht dort auf dem Sieb 9 und durch ihn erstrecken sich waagrecht Zweifachgegenstrom-Wärmeaustauscher, die aus an einem Ende geschlossenen Rohren 10 und in diese reichenden Rohren 11 mit offenen Enden bestehen. Die letzteren sind in Parallelschaltung an die Zuleitungsrohre 12 angeschlossen, während die Rohre 10 an die Rohre 13 angeschlossen sind. 14 ist der Deckel und 15 der Boden des Gehäuses.
Beim Betrieb treten die Gase, z. B. ein Gemisch von schwefliger Säure und von sauerstoffhaltigem Gas, am Deckel ein und gehen gewünschtenfalls an Ablenkplatten vorbei, durch die offenen Rohre 5, wobei sie mit dem Katalysator in mittelbarem Wärmeaustausch stehen. Die Strömungsrichtung der am unteren geschlossenen Ende der Rohre 4 anlangenden Gase wird umgekehrt, und sie streichen in dem Ringraum zwischen den Rohren 4 und 5 nach oben, wobei sie mit dem Katalysator im unmittelbaren Wärmeaustausch stehen und streichen nach einer abermaligen Umkehrung der Strömungsrichtung durch die Katalysatorlage nach abwärts, um nach dem Durchgang durch das Sieb 2 die unteren Enden der Zweifachgegenstrom-Wärmeaustauscher zu bespülen und durch die zweite Katalysatorlage oder Reaktionskammer zu streichen, deren Temperatur dadurch geregelt wird,
dass man ein kühlendes Gas, beispielsweise Luft, durch die Rohre 12 in die Zweifachgegenstrom-Wärmeaustauscher 11, 10 eintreten und durch die Rohre 13 abströmen lässt. Nach dem Durchgang durch die zweite Katalysatorlage oder Reaktionskammer gelangen die Gase über den Boden und ziehen durch einen Stutzen ab.
Beim Durchgang durch die erste Katalysatorlage oder Reaktionskammer, werden die Gase infolge der hohen Geschwindigkeit und des langen Weges einem derart vollkommenen Wärmeaustausch unterzogen, dass die Kühlwirkung der einströmenden Gase innerhalb weiter Grenzen im wesentlichen ihrer Menge proportional ist, und da die beim Durchgang der Gase durch die Katalysatorlage entwickelte Wärmemenge im wesentlichen gleichfalls der Menge der durchströmenden Gase proportional ist, so ersieht man, dass selbst bei starken Schwankungen der durch den Reaktionsapparat strömenden Menge der zur Reaktion zu bringenden Gase, eine gleichmässige Kühlung erreicht wird.
Bei Reaktion, wie die Schwefelsäureerzeugung nach dem Kontaktverfahren, ist es wünschenswert, in der ersten Reaktionskammer oder Katalysatorlage eine hohe Temperatur einzuhalten, um eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit zu erzielen, aber diese Temperatur hat dann herabgesetzt zu werden, bevor die Gase durch die letzte Reaktionskammer oder Lage streichen, um für das beste Temperaturgleichgewicht Sorge zu tragen. Das wird gleichfalls zum Teil dadurch erreicht, dass die die erste Katalysatorlage verlassenden Gase mit den unter das Sieb 2 reichenden und als Wärmeaustauscher wirkenden Enden, der Zweifachgegenstromwärmeaustauscher in Berührung treten.
Die Temperatur in der zweiten Reaktionskammer oder Katalysatorlage wird durch eine geeignete Bemessung des durch die daselbst befindlichen Zweifachgegenstrom-Wärmeaustauscher streichenden Kühlgases nach Menge und Temperatur genau geregelt. Man hat es somit in der Hand, in der zweiten Reaktionskammer oder Katalysatorlage eine viel niedrigere Temperatur aufrechtzuhalten, als in der ersten und auf diese Weise wird einerseits die günstigste Temperatur für hohe Reaktionsgeschwindigkeiten, und anderseits ein vortreffliches Umwandlungsgleichgewicht erreicht.
Statt dass man die Zweifachgegenstrom-Wärmeaustauscher in der ersten Katalysatorlage oder Umwandlungskammer bis unter das Sieb 2 reichen lässt, kann man sie auf die Katalysatorlage selbst beschränken. In diesem Falle bleiben die das Sieb 2 verlassenden Gase ungekühlt.
Man kann nicht nur in beiden Reaktionskammern oder Katalysatorlagen bei der Optimaltemperatur arbeiten, sondern kann auch die Durchflussgeschwindigkeit und Berührungsdauer der Gase in den verschiedenen Kammern und Lagen ändern. Gewöhnlich ist in der oberen Lage eine kürzere Berührungsdauer erwünscht als in der unteren, was für gewöhnlich einfach dadurch erreicht wird, dass man in der oberen Lage dichter stellt, als in der unteren.
In den schematischen Fig. 1 und 2 ist dies nicht deutlich veranschaulicht ; in diesen Figuren sind die Zweifachgegenstrom-Wärmeaustauseher der Deutlichkeit wegen weit auseinandergerückt, die in der Praxis sehr dicht gestellt sind, so dass die zwischen ihnen befindliche Katalysatormenge entsprechend verkleinert, die Durchflussgeschwindigkeit der Gase gesteigert und die Berührungsdauer derselben mit dem Katalysator verringert wird. Die geeignete Berührungsdauer in den verschiedenen Reaktionskammern oder Katalysatorlagen richtet sieh nach den jeweils durchzuführenden Reaktionen. Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dem Reaktionsapparat eine Anpassungsfähigkeit zu verleihen, welche die Optimalbedingungen in diesem wichtigen Punkt zu erreichen gestattet.
Fig. 3 zeigt eine Reaktionskammer, deren Bestandteile von jenen nach Fig. 1 und 2 etwas abweichen, die aber in der gleichen Weise arbeitet. Die obere Kammer oder Lage ist wieder in einem Gehäuse 1 mit Deckel 14 untergebracht, an dessen unterem Ende ein Siebboden 16 angebracht ist, von dem die mit dem Katalysator gefüllten Rohre 1'7 aufsteigen, über welche an den oberen Enden geschlossene, in der Nähe der unteren Enden seitlich gelochte Rohre 18 gestülpt sind. Eine Prallplatte 20 unter dem Deckel-M bewirkt eine bessere Vermischung der Gase. In dem Gehäuse 8 der unteren Reaktionskammer sind ein oberer und ein unterer Rohrboden 21 bzw. 22 durch mit dem Katalysator gefüllte Rohre 24 verbunden, die von Sieben 23 gehalten werden. 15 ist der Boden der unteren Kammer.
Kühlgas tritt in die untere Kammer 8 durch eine Öffnung 25, streicht unter Ablenkung durch die Ablenkplatten 26 an den Rohren 24 hin und entweicht schliesslich durch die Austrittsöffnung 27.
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Beim Betrieb treten die zur Reaktion zu bringenden Gase durch den Deckel 14 ein, werden durch die Prallplatte 20 verteilt und streichen entlang der Röhren 18 hin, wobei sie mit dem Katalysator in den Rohren 17 im mittelbaren Wärmeaustausch stehen. Sodann streichen die Gase durch die Löcher 19h in den Ringraum zwischen den Rohren 17 und 18, um in diesem aufwärtszuströmen, wobei sie mit dem Katalysator und den aussen an den Rohren 18 herabstreichenden Gasen im inmittelbaren Wärmeaustausch stehen, und schliesslich nach nochmaliger Umkehrung der Strömungsrichtung durch den Katalysator in den Rohren 17 strömen. Hierauf streichen die Gase durch den Katalysator in den Rohren 24 und entweichen durch einen Stutzen am Boden 15.
Die Temperaturregelung in der oberen Reaktionskammer ist dieselbe wie in Fig. 1, d. i. sie wächst proportional mit der Strömungsgeschwindigkeit der zur Reaktion zu bringenden Gase, und es findet ein zweifacher Gegenstrom-Wärmeaustausch statt, wenn auch die gegenseitige Lage von Katalysator und Wärmeaustauschern umgekehrt ist. Da die Katalysatorröhre beliebig eng gewählt werden können, erzielt man eine äusserst wirksame Temperaturregelung. In der unteren Kammer erfolgt die Temperaturregelung durch ein Kühlgas und kann ohne Rücksicht auf die in der oberen Kammer erzielte Temperatur eingestellt werden.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte untere Reaktionskammer kann bei einer oberen Reaktionskammer nach Fig. 3 verwendet werden und umgekehrt, die Vereinigung eines Typus einer durch die zur Reaktion zu bringenden Gase gekühlten Reaktionskammer mit einer unabhängig gekühlten Reaktionskammer soll nur zur Veranschaulichung der Anpassungsfähigkeit der Erfindung dienen, und es können auch andere Anordnungen verwendet werden.
Fig. 4 zeigt eine weitere Abänderung des in Fig. 1 dargestellten Apparates, bei der Gase zuerst durch eine untere und dann durch eine obere Reaktionskammer streichen. Die untere Kammer enthält Zweifachgegenstrom-Wärmeaustauscher der in Fig. 1 dargestellten Art, nur sind sie umgekehrt ; die gleichen Bezugszahlen dienen zur Bezeichnung gleicher Teile. Die obere Reaktionskammer enthält gleichfalls Zweifachgegenstrom-Wärmeaustauscher, nur sind sie lotrecht angeordnet, statt wie in Fig. l und 2, waagrecht angeordnet zu sein. Auch hier sind die gleichen Teile mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Nachdem das Kühlmittel aus den Wärmeaustauschern der zweiten Lage ausgetreten ist, strömt es durch ein Rohr 27 und eine Kühlvorrichtung 28, die schematisch als Rauchrohrkessel angedeutet ist.
Hierauf wird das Kühlmittel durch eine Pumpe 29 und das Rohr 30 zu den Wärmeaustauschern zurückgefördert.
Eine zur Kühlvorrichtung 28 parallel geschaltete Umleitung 31 nebst Absperrorganen 32 in der Umleitung 31 und 33 im Rohr 27 gestattet das Verhältnis der Menge des durch die Kühlvorrichtung und die Umleitung gehenden Kühlmittels zu regeln.
Selbst bei guter Wärmeisolation äussern die Wände der Reaktionskammer eine gewisse Kühlwirkung, die dadurch kompensiert werden kann, dass man die Katalysatorlage in der Mitte der Reaktionkammer stärker kühlt, als am Umfang. Das ist in Fig. 4 durch Propfen 34 angedeutet, welche den Gas- durchfluss durch die Wärmeaustauscher in der oberen Reaktionskammer drosseln. Eine ähnliche Drosselung, welche einen vom Umfang gegen die Mitte steigenden Kühlmitteldurchfluss herbeiführt, kann auch bei den Wärmeaustauschern in der unteren Reaktionskammer oder bei der oberen Reaktionskammer der Fig. 1 verwendet werden.
Fig. 5 zeigt eine Einzelheit der Zweifachgegenstrom-Wärmeaustausch-Vorrichtung nach Fig. 4, wobei das innere Rohr gelocht ist, um zu verhindern, dass die Gase so kräftig gegen das geschlossene Ende des äusseren Rohres treffen, dass dort eine kalte Stelle entsteht, was die Arbeitstemperatur des Katalysators ungleichmässig machen würde.
Fig. 6 zeigt einen Reaktionsapparat, bei welchem der Gasdnrchfluss derselbe ist, wie in Fig. 4 und die obere Reaktionskammer dieselben Wärmeaustauscher wie in Fig. 4 aufweist, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Die untere Reaktionskammer ist mit einer andern Art von Zweifachgegenstrom-Wärmeaustauschern ausgestattet, u. zw. in Form konzentrischer, ineinandergeschobener Ringe 35,36, wobei der Katalysator in die Ringräume zwischen den Ringen 35 eingefüllt ist. Diese Ringe sind an den unteren Enden 37 seitlich gelocht, so dass die Gase aus ihnen in den Katalysator eintreten können. Der Gasdurchfluss ist derselbe, wie in Fig. 1 und 4.
Die Gase streichen zuerst zwischen den Ringen 30 hin, in mittelbarem Wärmeaustausch mit dem Katalysator, dann nach Umkehrung der Strömungsrichtung durch die Ringräume zwischen den Ringen 35,36 nach abwärts im unmittelbaren Wärmeaustausch mit dem Katalysator und dann nach nochmaliger Umkehr der Strömungsrichtung durch die Löcher 37 und den Katalysator nach aufwärts. Die in Fig. 6 und 7 dargestellte Anordnung bietet insofern einige Vorteile, als die Ringe ohne Anwendung von Rohrböden ineinandergeschoben werden können und der Katalysator in den Ringen eine grössere Oberfläche für den Wärmeaustausch bietet, als nach Fig. 1 und 4.
Die Kühlung an der Mantelwand kann dadurch kompensiert werden, dass man die Dicke der Katalysatorringe von der Mitte gegen den Umfang hin vergrössert oder den Gasdurchfluss durch die verschiedenen Teile drosselt.
Die Bauart der ersten Reaktionskammer nach Fig. 1, 4 und 6 bietet den grossen Vorteil, dass dichte Verbindungen nicht nötig sind. Ein geringes Durchlecken von Gas hat bloss zur Folge, dass etwas weniger Gas durch die Wärmeaustauscher hindurchgeht und das durchgeleckte Gas nicht aus der Reaktionskammer entweicht, im Gegensatz zu den alten Röhrenreaktionskammern, wie die im unteren Teil der
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Fig. 3 dargestellte, bei denen die Dichtigkeit der Röhren wesentlich und schwer zu erreichen ist, weil die Reaktionskammern bei hohen Temperaturen betrieben werden und ein Verziehen stets zu befürchten ist.
Nebst der aus Fig. 6 und 7 ersichtlichen Abänderung der unteren Reaktionskammer zeigt Fig. 6 auch die Verwendung von Wärmeaustauschern in der oberen Reaktionskammer zur Vorwärmung der einströmenden zur Reaktion zu bringenden Gase. Das wird dadurch erreicht, dass die durch das Gebläse 38 eingeführten Gase durch das Rohr 39 und dann durch die Zweifachgegenstrom-Wärmeaustauscher streichen und schliesslich durch das mit Absperrorganen versehene Rohr 40 in die Kammer 41 gelangen, wo das zu behandelnde Material verflüchtigt werden kann. Diese schematisch dargestellte Kammer ändert sich mit der Beschaffenheit des zu behandelnden Materials. Bei der Oxydation von Schwefeldioxyd zu Schwefeltrioxyd kann sie ein Schwefelbrenner sein.
Bei Oxydationen organischer Stoffe oder andern Katalysen in dampfförmiger Phase, welche flüchtige organische Verbindungen voraussetzen, kann sie ein Verdampfer irgendwelcher Art sein. Nachdem die zur Reaktion zu bringenden Gase gebildet worden sind, streichen sie durch das Rohr 42 in die Reaktionskammer, in der mit Bezug auf Fig. 1 und 6 beschriebenen Weise.
Der Durchfluss durch die Zweifachgegenstromaustauscher erfolgt entgegengesetzt zum gewöhnlichen Durchfluss, d. h. die Gase gehen zuerst durch den Ringraum und strömen dann durch die mittleren Rohre und können durch Drosselpfropfen 43 oder andere Drosselorgane so verteilt werden, dass die Kühlung durch das Gehäuse kompensiert wird, wie mit Bezug auf einige andere Figuren beschrieben wurde. Die Gase können auch gewünschtenfalls in der entgegengesetzten Richtung durch die Wärmeaustauscher strömen. Die Kühlung kann durch Änderung der Geschwindigkeit des Gebläses oder durch Umleitung eines Teiles des Kühlmittels durch das Umleitungsrohr 44 geregelt werden. In manchen Fällen, z. B. beim Anlassen, kann es wünschenswert sein, die gesamten Gase durch das Umleitungsrohr gehen zu lassen.
Bei Absperrungen der unteren Reaktionskammer oder Lage können die Gase unmittelbar durch die Umleitung gehen gelassen werden, indem man sie durch das mit Absperrorganen versehene Rohr 45 eintreten lässt. Dies gestattet auch die Strömungsrichtung durch die Zweifachgegenstromwärmeaus- tauscher umzukehren, wenn dies gewünscht wird, da, wenn die Absperrorgane in den Rohren 45 und 44 geöffnet werden und im Rohr 40 geschlossen wird, das durch das Rohr 45 gehende Gas durch die mittleren Röhren herabstreicht, um sodann durch die Ringräume zwischen den mittleren und den an einem Ende geschlossenen Röhren hinaufzustreichen und schliesslich durch die Rohre 39 und 44 abzuziehen.
Die Leitungsanlage, welche für die Vorwärmung der gesamten zur Reaktion zu bringenden Gase oder eines Teiles derselben Sorge trägt, indem diese Gase als Kühlmittel für die zweite Reaktionskammer dienen, kann auch bei den in den übrigen Figuren dargestellten Ausführungsformen verwendet werden.
Die schematisch dargestellte Leitungsanlage eignet sich zur Hervorrufung aller jeweils gewünschten Gasströmungen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Katalytischer Reaktionsapparat, gekennzeichnet durch zwei oder mehrere Katalysatorschichten oder Kammern, von welchen die erste mittels Hochleitungskühleinrichtungen gekühlt wird und die letzte Katalysatorschicht oder Reaktionskammer mit Kühleinrichtungen versehen ist, welche unabhängig von der Temperatur der aus der ersten Kammer oder Katalysatorenschicht austretenden Gase arbeiten.