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Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff oder Stickstoff.
Zur Erzeugung von Wasserstoff bzw. Stickstoff wird Wasserdampf bzw. Luft über eine Kontaktmasse geleitet, die im erhitzten Zustande rasch Sauerstoff bindet, z. B. über Eisen oder eisenhaltige Massen. Der im Wasserdampf enthaltene gebundene Sauerstoff bzw. der freie Sauerstoff der Luft wird von der Kontaktmasse aufgenommen, und Wasserstoff bzw. Stickstoff wird in Gasform frei. Durch Behandlung der Kontaktmasse mit reduzierenden Gasen, in der Praxis hauptsächlich mit Wassergas, wird der aufgenommene Sauerstoff wieder abgespalten und die Kontaktmasse von neuem für die Sauerstoffbindung brauchbar gemacht.
Beide Vorgänge werden abwechselnd durchgeführt. Zur Durchführung dieser Verfahren werden im Grossbetriebe Retorten oder Schächte (Generatoren) als Kontaktraum verwendet, in dem die eingebrachte Kontaktmasse entweder indirekt durch Wärmeübertragung oder direkt durch Hindurchleiten von Heizgasen erhitzt wird. Allgemein werden hierbei Gase und Dampf in der Längsrichtung des Schachtes oder der Retorte durch die Kontaktmasse geleitet.
Um auf grössere Leistungen zu kommen, muss der Querschnitt und die Höhe des Kontaktraumeb vergrössert werden. Dadurch wird aber die gleichmässige Verteilung der durch den Kontaktraum geleiteten Stoffe (Wasserdampf, Luft, Heiz-und Reduktionsgase) auf den ganzen Querschnitt und auf die ganze Höhe, sowie die gleichmässige Erwärmung der Kontaktmasse erschwert. Es ist deshalb an Stelle des vollen Querschnittes ringförmiger Querschnitt für den Kontaktraum gewählt worden.
Aber dadurch werden die Verhältnisse nicht wesentlich gebessert, denn auch bei ringförmigem Querschnitt des Kontaktraumes ist die Leistung, wie die Praxis ergeben hat, im Vergleich zu dem Aufwand an Kontakt-
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querschnitte bedingte, mehr oder weniger ungünstige Ve, teilung der durch die Kontaktmasse'geleiteten Stoffe zurückzuführen, sondern in viel grösserem Masse auf den Einfluss von Nebenreaktionen.
Der während des Oxydationsvorganges erzeugte Wasserstoff wirkt beim Durchströmen des Kontaktraumes reduzierend und der während des Reduktionsvorganges entstehende Wasserdampf oxydierend auf die nächsten Schichten der Kontaktmasse ein. Neben dem Hauptvorgang spielen sich also ständig umgekehrt wirkende Reaktionen ab, und zwar umsomehr, je höher der Kontaktraum ist. Hieraus erklärt sich nicht nur die verhältnis-
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an Dampf und Wassergas, kurz, der schlechte Wirkungsgrad der bisherigen Wasserstofferzeuger.
Bei der Stickstofferzeugung ist während des Reduktionsvorganges der ungünstige Einfluss der Nebenreaktionen, die durch die Einwirkung des aus dem Wassergas durch die Sauerstoffbindung entstehenden Wasserdampfes verursacht werden, ähnlich wie bei der Wasserstofferzeugung ; dagegen macht sich während des Oxydationsvorganges der ungünstige Einfluss der Höhe des Kontaktraumes in anderer Weise geltend. Der freie Sauerstoff der Luft wird von der Kontaktmasse ausserordentlich schnell gebunden. Die ersten Schichten der Kontaktmasse, auf welche die Luft trifft, werden also sehr stark beeinflusst, so dass sie leicht zum Schmelzen kommen, bevor die Sauerstoffbindung in den später von der Luft durchströmten Schichten stattfindet.
Auch bei der Wasserstofferzeugung wird im praktischen Betriebe Luft durch die Kontaktmasse geleitet. Da nämlich die Verunreinigungen, hauptsächlich Schwefel und Kohlenstoff (Russ), die durch die reduzierenden Gase und bei direkter Beheizung auch durch die Heizgase in die Kontaktmasse gelangen, diese in ihrer Wirksamkeit beeinträchtigen, wird die Kontaktmasse nach jedem geschlossenen Arbeitsvorgang oder nach einigen Stunden Betriebszeit mit Luft behandelt. Hierbei tritt derselbe Nachteil ein, der zuvor bei der Stickstofferzeugung beschrieben wurde, d. h. die ersten Schichten der Kontaktmasse schmelzen leicht, da sie verhältnismässig lange Zeit von Luft durchströmt werden müssen, um den Sauerstoff bis zu den tieferen verunreinigten Schichten der Masse zu bringen.
Durch die Erfindung werden die angeführten Nachteile beseitigt. Der Grundgedanke der Erfindung beruht darauf,'dass die durch die Kontaktmasse zu leitenden Stoffe nicht parallel zur Längsrichtung des Kontaktraumes (Schacht, Retorte), sondern quer zur Längsrichtung durch die Kontaktmasse geführt werden. Zu diesem Zwecke ist der Kontaktraum mit Lenk-und Verteilungswänden für die in der Querrichtung durchzuleitenden Stoffe versehen. Dadurch wird erreicht, dass auch bei grosser Ausführung der Erzeuger die Höhe der
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Kontaktmasse in der Durchströmungsrichtung gering gehalten werden kann, ferner der Einfluss von Nebenreaktionen auf ein Mindestmass beschränkt und schliesslich ein Schmelzen der Kontaktmasse beim Durchleiten von Luft verhindert wird.
Die nach der Erfindung ausgeführten Wasserstoff-und Stickstofferzeuger ergeben daher bei gleichem'Inhalt des Kontaktraumes bedeutend grössere Leistungen als die bisher bekannten Erzeuger.
Das Verfahren, gasförmige Stoffe, die mit festen Stoffen in Wechselwirkung treten sollen, quer zur Längsrichtung des Reaktionsraumes durch das feste Reaktionsmittel hindurchzuführen (Querstromverfahren), ist bisher nur für die Durchführung solcher chemischer Reaktionen bekannt geworden, bei denen das feste Reaktionsmittel in den Reaktionsraum wandert. So behandelt z. B. die deutsche Patentschrift Nr. 281137 eine Einrichtung zur Ausübung chemischer oder physikalischer Reaktionen, bei der ein Fallschacht für das "ständig niedergehende, bewegte Reaktionsmittel"verwendet wird, um einen fortlaufenden Betrieb zu ermöglichen. Hierbei wird also das Reaktionsmittel durch den Fallschacht ständig im Längsstrom bewegt und das zu verarbeitende Gut im Querstrom dazu hindurchgeführt.
Der hier verfolgte Zweck, durch dauerndes Wandern des im Längsstrom bewegten Reaktionsmittels einen ununterbrochenen Betrieb zu ermöglichen, kommt bei der Wasserstoff-oder Stickstofferzeugung nach dem Kontaktverfahren überhaupt nicht in Betracht. Vielmehr wäre es bei diesem Verfahren technisch'ein Fehler, die hocherhitze Kontaktmasse ständig aus dem Kontaktraum abzuführen, weil sie bei der Bewegung schnell zerfallen und unbrauchbar werden würde und ferner grosse Wärmeverluste auftreten müssten. Bei dem Kontaktverfahren wird deshalb die Kontaktmasse vor jeder Bewegung geschützt und bleibt solange in dem Kontaktraum, bis sie zwecks Regenerierung herausgenommen werden muss.
Während also bei der Einrichtung der deutschen Patentschrift Nr. 281137 durch das Querleiten des zu verarbeitenden Gutes lediglich bezweckt wird, das Reduktionsmittel im Längsstrom bewegen zu können und dadurch einen fortlaufenden Betrieb zu schaffen, wird bei dem vorliegenden Verfahren durch die Querführung des Reaktionsmittels ein ganz anderer Zweck angestrebt, der vor allem dahin geht, den Einfluss von Nebenreaktionen auf das zu verarbeitende Gut zu vermindern und dadurch den Wirkungsgrad der Reaktionen zu erhöhen, sowie ferner ein Schmelzen der ruhenden Kontaktmasse zu verhüten.
In den Zeichnungen sind einige Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. i veranschaulicht einen senkrechten Schnitt durch einen Erzeuger ; Fig. 2 und 3 sind wagrechte Querschnitte von Abänderungsformen des Erzeugers ; Fig. 4 ist ein senkrechter Längsschnitt eines zweiteiligen Erzeugers, von dem Fig. 5 einen wagrechten Querschnitt nach der Linie A-B der Fig. 4 darstellt ; Fig. 6 und 7 zeigen zwei Ausführungsformen eines Erzeugers mit Wärmespeicher in senkrechtem Schnitt.
Das aus dem Metallmantel 1 und dem feuerfesten Futter 2 bestehende Gehäuse des
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geringem Abstand von dem Ofenfutter : 2 gleichachsig zu diesem angeordneten Verteiler 3 und innen durch das in der Mitte des Erzeugers stehende Verteilerrohr 5 begrenzt wird. Die Verteiler 3 und 5 sind entweder mit Schlitzen 7 bzw. 7'versehen oder als poröse Wände ausgeführt, durch welche die in den Raum 8 einzuführenden Stoffe quer zur Längsrichtung des Erzeugers durch die Kontaktmasse hindurchgeleitet werden. Die von den Verteilern 3 und 5 begrenzten Kammern 3'bzw. 5'stehen mit den Rohranschlüssen 4 bzw. 6 in Verbindung. Bei der Ausführungsform der Fig. i besitzt der Kontaktraum ringförmigen Querschnitt. Das Innere des Kontaktraumes 8 ist durch den abnehmbaren Deckel 9 des Gehäuses zugängig.
Die Kontaktmasse kann durch mit Verschlüssen 10 versehene Öffnungen des Deckels 9 in den Kontaktraum 8 eingefüllt und durch die im unteren Teile des GeGehäuses 1 vorgesehenen, verschliessbaren Öffnungen 11 herausgenommen werden. Der Deckel 9 ist mit einer Sicherheitsklappe 12 versehen.
Die Querschnittsform des Kontaktraumes 8 kann verschieden gewählt werden. Beispielsweise kann der eine Verteiler 3 auf der einen Seite und der zweite Verteiler 5 auf der anderen Seite des Gehäuses 1, 2 angeordnet sein. Die Fig. 2,3 und 5, die wagrechte Schnitte durch Erzeuger darstellen, geben verschiedene Ausführungsformen des Kontaktraumes wieder, auf die natürlich die Erfindung nicht beschränkt ist.
Bei kreisrundem Querschnitt des Kontaktraumes (Fig. 2) sind zwischen den beiden Verteilern 3 und 5 zweckmässig Vorsprünge 13 an dem Ofenfutter 2 angebracht, um zu bewirken, dass der durch Pfeile angedeutete Weg, den die durch die Kontaktmasse zu leitenden Stoffe zwischen den Schlitzen 7,7'der beiden Verteiler 3 und 8 zurücklegen, überall ungefähr gleich lang ist.
Auch können zur Unterteilung der die Kontaktmasse durchströmenden Stoffe eine oder mehrere Zwischenwände 14 (Fig. 3) aus feuerfestem Material in dem Raum 8 angeordnet sein. Diese Zwischenwände 14 dienen ebenso, wie die Vorsprünge M bei der Aus-
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angedeutet ist.
Die Höhe des Kontaktraumes kann so gross gewählt werden, wie dies der Druck des Eigengewichtes der Kontaktmasse zulässt. Wenn die Höhe des Erzeugers noch grösser sein soll, z. B. zur Erzielung einer grossen Leistung auf kleiner Grundfläche, so kann der Kontaktraum durch ein oder mehrere Zwischendecken unterteilt sein. Fig. 4 veranschaulicht einen senkrechten Schnitt durch einen solchen Erzeuger mit zwei durch die Zwischendecke 16 voneinander getrennten Kontakträumen 8, 8a. Der obere Kontaktraum 8 ist durch den Deckel 9 und durch die im Deckel befindlichen, verschliessbaren Öffnungen 10 und 11 und der untere Kontaktraum 8a durch die oben und unten im Gehäuse befindlichen verschliessbaren Öffnungen lla, llb zugängig.
Die Verteiler 3 und 5 des oberen und unteren Kontaktraumes können entweder besondere Zu-und Ableitungen für die durch die Kontaktmasse strömenden Stoffe erhalten, oder beide Kontakträume können, wie in Fig. 4 angenommen ist, gemeinsame Zu- und Ableitungen 4 und 6 haben. In diesem Falle werden die Verteiler beider Kontakträume dz 8a durch Kanäle 17 und 18 verbunden, die'punktiert angegeben sind.
Die Durchströmrichtung der durch die Kontaktmasse zu leitenden Stoffe ist beliebig änderbar, indem die Zuleitung für sämtliche oder nur für einen Teil der Stoffe durch den Rohranschluss 4 und die Ableitung durch den Rohranschluss 6 oder umgekehrt erfolgen kann. Die Einrichtung kann in bestimmten Fällen so getroffen sein, dass nur ein Teil der Stoffe, z. B. der Wasserdampf in der Querrichtung. durch den Kontaktraum geführt wird, während der andere, Teil, z. B. die Heizgase, den Kontaktraum in der Längsrichtung durchströmt.
Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff oder Stickstoff kann nach der Erfindung so durchgeführt werden, dass beispielsweise durch den Rohranschluss 4 (Fig. i) zunächst zum Erwärmen nach der Verteilungskammer 3'Heizgase geleitet werden, die von dieser durch die Schlitze 7 in den Kontaktraum 8, von da durch die Schlitze 7'der Verteilungs-
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dem umgekehrten Wege durch den Erzeuger geleitet, wobei die ersten Mengen zur Spülung benutzt werden. Schliesslich kann die Luft zur Behandlung der Kontaktmasse bei der Wasserstofferzeugung den Erzeuger in der einen oder anderen Richtung durchströmen.
Bei der Wasserstofferzeugung werden allgemein die Reduktionsgase, soweit sie nicht schon durch Reduktionswirkung verbraucht sind, durch Zuführen von Luft vollständig verbrannt, um damit Wärmespeicher zu heizen, durch die in der Gasungsperiode der Dampf geleitet und hoch überhitzt wird. Ferner wird der Wasserstoff durch Wärmespeicher geführt an die er seine Eigenwärme zum Teil abgibt und die dazu dienen, um während der Reduktionsperiode das Reduktionsgas vo, zuwärmen. Beim abwechselnden Arbeiten in zwei Richtungen wird wechselweise der eine Wärmespeicher für das Überhitzen des Dampfes und der andere für das Vorwärmen des Reduktionsgases benutzt. In ähnlicher Weise werden Wärmespeicher bei der Stickstofferzeugung angewendet.
Die Wärmespeicher werden bei den nach der Erfindung gebauten Erzeugern an die Verteilungskammern 3'bzw. 5'angeschlossen. Sie können hierbei in besonderen Gehäusen untergebracht sein und durch die Rohranschlüsse ± und 6 mit den Verteilungskammern 3' und 5'in Verbindung stehen. Erzeuger und Wärmespeicher können aber auch in einem gemeinsamen Gehäuse vereinigt sein ; die Wärmespeicher werden alsdann mit den Verteilungskammern 3'und 5'durch Kanäle im Ofenmauerwerk verbunden. Dabei kann der eine Wärmespeicher unter dem Erzeuger und der andere über diesem angeordnet sein, oder beide Wärmespeicher können unter dem Erzeuger liegen, wie in Fig. 6 dargestellt ist.
Auch können die Wärmespeicher seitlich vom Erzeuger angeordnet sein, entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7.
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duktionsgas wird auf dem gleichem Wege eingeführt und im Wärmespeicher 22 vorgewärmt, so dass es heiss in den Kontaktraum 8 gelangt. Durch Zuführung von Wind aus der Leitung 23, durch den Schieber 30 und den Kanal 31 werden die im Kontaktraum 8 nicht verbrauchten Reduktionsgasmengen vor dem Eintritt in den Wärmespeicher 27 verbrannt. Die Gase heizen den. Wärmespeicher 27 auf hohe Temperatur und entweichen durch die Leitung 28 und die Abgasklappe 29. Nach Beendigung des Reduktionsvorganges wird Dampf durch die Leitung 32 bei geöffnetem Schieber 33 in den Wärmespeicher 27 eingeführt, der von da hochüberhitzt durch die Verteilungskammer 3'und die Schlitze 7 in den Kontaktraum 8 gelangt.
Der nun erzeugte Wasserstoff strömt durch die Schlitze 7'derVerteilungswand 5 nach der Kammer 5'und von da durch den Kanal 25 in den Wärmespeicher 22, an den er einen Teil seiner Eigenwärme abgibt. Sodann gelangt der Wasserstoff durch den Rohranschluss 21 und die Leitung 36 nach der Klappe 34, durch welche die ersten Mengen des erzeugten Wasserstoffes ins Freie gelassen werden, bis der ganze Apparat ausgespült ist. Dann wird die Klappe 34 geschlossen, der Wasserstoff strömt nun durch das Tauchrohr 37 in die Vorlage 35 und durch die Leitung 38 nach der Kühler-. und Reinigeranlage. Luft zur Behandlung der Kontaktmasse kann auf dem Wege 23, 24,
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25,22, 21, 36, 34 durch den Apparat geleitet werden.
In ähnlicher Weise erfolgt die Stickstofferzeugung, nur dass bei der Gasungsperiode an Stelle des Dampfes Luft zur Anwendung gelangt.
PATENT-ANSPRÜCHE : I. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff oder Stickstoff, bei dem durch eine sauerstoffbindende Kontaktmasse abwechselnd Wasserdampf bzw. Luft zwecks Freiwerdens von Wasserstoff bzw. Stickstoff und reduzierende Gase zwecks Reduktion der Kontaktmasse geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Kontaktmasse in Wechsel-
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diesen hindurch geleitet werden.