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Katalytischer Konverter für die synthetische Herstellung von Ammoniak und ähnliche
Gasreaktionen bzw. Verfahren.
Die Erfindung bezieht sich auf katalytische Öfen, wie sie z. B. für die synthetische Herstellung von Ammoniak oder bei ähnlichen Gasreaktionen oder Verfahren verwendet werden, die unter hohen Druck und bei erhöhter Temperatur ausgeführt werden.
Bei solchen Verfahren, wie z. B. bei der synthetischen Herstellung von Ammoniak wird nur ein verhältnismässig kleiner Teil der Gase der Umwandlung während eines einzigen Durchganges über den Katalysator unterworfen und da Wärmeverluste während der Umwandlung unvermeidlich sind, tritt häufig der Übelstand auf, dass, obgleich die Reaktion exothermisch vor sich geht, die erforderliche Temperatur in dem System nicht aufrecht erhalten werden kann, wenn nicht von aussen Wärme zugeführt wird. Dies kann erfolgen durch eine äussere Brennstoff-Feuerung, welche wohl verhältnismässig billig ist, jedoch beträchtliche Übelstände durch die Aussetzung von stark beanspruchten Metallen auf Temperaturen von 400 bis 7000 C im Gefolge hat.
Wenn das Verfahren bei Temperaturen über ungefähr 4000 C ausgeführt wird, ist es überdies notwendig, kohlenstoffreie Spezialstähle zu verwenden, um eine Verringerung der Festigkeit der kohlenstoffhaltigen Stähle zu vermeiden, welche bei solchen Temperaturen unter der Wirkung von gespannten Wasserstoff unvermeidlich ist.
Die Nachteile durch die Wärmezufuhr mittels einer äusse. en Brennstoffeuerung können beseitigt werden durch Anwendung elektrischer Energie, in geeigneter Weise innerhalb der Wände des Behälters, der die Katalysatoren enthält oder in anderen Behältern, die von dem Gasstrom auf seinem Wege zu den Katalysatoren durchströmt werden, wobei die Druckstützwände eines solchen Behälters bzw. der Behälter durch eine Auskleidung oder eine Wärmeaustauschvorrichtung oder sowohl eine Auskleidung als auch eine Wärmeaustauschvorrichtung bei einer verhältnismässig niederen Temperatur erhalten werden.
Der Nachteil der elektrischen Heizung liegt jedoch darin, dass sie verhältnismässig teuer ist und es ist daher wünschenswert, die Wärmeverluste und den Wärmeaustausch des Katalysatorenbehälters oder eines anderen Teiles des Systems, welcher Katalysatoren enthält, auf den möglichst geringsten Wert herabzusetzen. Solche Wärmeverluste können auf zweierlei Weise entstehen, nämlich erstens durch einen ungenügenden Wärmeaustausch zwischen den Gasen, welche in den Katalysatorraum eintreten und austreten oder zweitens durch Wärmeverluste des erhitzten Katalysators und durch Wärmeverluste zwischen den erhitzten Teilen der Wälmeaustauschvorrichtung und den Wänden des Gefässes bzw. durch Wärmeverluste zwischen einem Teil der Wärmeaustauschvorrichtung und einem anderen kühleren Teil derselben.
Gegenstand der Erfindung ist, die elektrische Heizung dadurch vorteilhaft zu gestalten, dass die Wärmeverluste soweit als möglich herabgesetzt werden, um den Verbrauch an elektrischer Energie und dadurch die Kosten herabzusetzen und gleichzeitig die ganze Vorrichtung auf einen verhältnismässig kleinen Raum zu beschränken, da die Grösse, bei welcher die äussere drucksichere Umschliessung oder der Behälter ökonomisch hergestellt werden kann, begrenzt ist.
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Die Erfindung besteht in einem Katalysatorofen für Verfahren der genannten Art, welcher aus einem Katalysatorraum und aus einer Wärmeaustauschvorrichtung besteht, die den Katalysatorraum einschliesst, und eine oder mehrere thermisch isolierende Zwischenwände enthält, die derart beschaffen sind, dass sie den sich ändernden Temperaturgefälle in der Wärmeaustauschvorrichtung entsprechen.
Zweckmässig ist eine Ausführungsform des Katalysatorofens, der aus einem zentralen Katalysatorraum und einer Wärmeaustauschvorrichtung besteht, die den Katalysatorraum einschliesst und Schlangen für den Durchtritt der Gase in einer Richtung enthält, die durch keilförmige Zwischenwände aus thermisch isolierendem Material voneinander und von dem Katalysatorraum, sowie von der äusseren drucksicheren Wand getrennt sind.
In der Zeichnung ist im Schnitt ein Ausführungsbeispiel eines Katalysatorofens gemäss der Erfindung veranschaulicht.
Bei der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsform des Katalysatorofens z. B. für die synthetische Herstellung von Ammoniak, ist der Ofen mit einem zentralen rohrförmigen oder anders gestalteten Katalysatorraum a innerhalb einer drucksicheren Wand b versehen, die in geeigneter Weise mit oberen und unteren Kappen bzw, Deckeln c, d abgeschlossen ist, die durch Schrauben oder auf andere Weise festgelegt sind. Zwischen dem Katalysatorraum a und der äusseren Druckstützwand b ist der Wärmeaustauscher angeordnet, durch welchen Wärmeaustausch zwischen den eintretenden und austretenden Gasen hervorgerufen wird.
Zweckmässig ist eine Ausführungsform, bei welcher die Wärmeaustauschvorrichtung Schlangen oder Gruppen von Schlangen e enthält, vorteilhaft von kreisförmigem Querschnitt, durch welche die eintretenden oder austretenden Gase, am besten die letzteren, auf ihrem Wege zu oder von den zentralen Katalysatorraum durchgehen.
Die Schlangen sind in schräg stehenden Reihen angeordnet, so dass sie voneinander und von dem Katalysatorraum und von der äusseren Druckstützwand durch abgeschrägte oder keilförmig gestaltete Zwischenwände/" aus wärmeisolierendem Material von geeigneter Zusammensetzung getrennt werden können, welche gasdichte Durchgänge bilden, die die Schlangen o. dgl. umgeben oder einschliessen und durch welche die eintretenden Gase auf ihrem Wege nach dem Katalysatorraum strömen, wobei Vorkehrungen getroffen sind, um die Möglichkeit eines anderen Weges auszuschliessen. Auf diese Weise wird ein vollständiger Wärmeaustausch zwischen den eintretenden und austretenden Gasen bewirkt, wobei die Form und durch die Anordnung der isolierenden Ablenkungs-bzw.
Zwischenwände so gewählt ist, dass die grösste Stärke des Isolationsmaterials an die Stellen des grössten Temperaturgefälles kommt. Da die Zwischenwände derart gestaltet sind, dass sie dem sich änderten Temperaturgefälle entsprechen, ist der Raum innerhalb des äusseren drucksicheren Behälters vorteilhaft ausgenutzt.
Einzelne Windungen der Wärmeaustauschschlangen oder Gruppen von Windungen, wenn mehrere Rohre in ein und demselben Satz parallel geschaltet sind, können durch schraubenörmig angeordnete Wände g voneinander getrennt werden, um einen Gegenstrom für die Gase zu bewirken. Gegebenenfalls können diese Ablenkungs-bzw. Zwischenwände gleichfalls aus wärmeisolierendem Material hergestellt sein, um die Wärmeverluste von einer Windung oder von einer Gruppe von Windungen, zu einer benachbarten Windung, oder benachbarten Gruppen von Windungen, auf ein Minimum herabzusetzen.
Die wärmeisolierenden Ablenkungs-bzw. Zwischenwände können aus Flacheisen mit einer Füllung aus einem Wärmeisolator, beispielsweise in wollartiger oder pulverförmiger Form gebildet sein. Durch Anbringung einer oder mehrerer Öffnungen (in der Zeichnung nicht angegeben) in jeder Zwischenwand, kann ein Druckausgleich im Innern der Vorrichtung erreicht, und dadurch Brüche der Zwischenwände bei einem Druckwechsel innerhalb des Hauptbehälters vermieden werden. Wenn mehr als eine Öffnung verwendet wird, ist es zweckmässig, dass die Öffnungen in unmittelbarer Nähe oder im Punkte des Druckabfalles selbst angeordnet sind derart, dass eine Wegabkürzung bzw. ein Kurzschluss des Normalweges der Gase vermieden wird.
Auf dem Wege der heissen Gase, welche aus der Wärmeaustauschvorrichtung kommen, können geeignete elektrische Heizvorrichtungen an passender Stelle, bevor die Gase zur Kontaktmasse gelangen, angeordnet werden.
Die Schraubengänge der Schlangen sind zweckmässig abwechselnd rechts-und linksgängig gewunden.
Es ist selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Teile der Konstruktion beschränkt ist und dass die Form, die Gestalt und die Anordnung der Schlange bzw. der Schlangen oder Leitungen oder der Behälter, durch welche die Gase entweder nach oder aus dem Katalysatorraum strömen, abgeändert werden kann, ferner auch der Katalysatorraum und der äussere Behälter, sowie die Einrichtungen zur Bildung und Vereinigung der verschiedenen Teile, je nach dem besonderen Charakter des Verfahrens
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zu welchem der Ofen verwendet werden soll, oder anderen praktischen Bedingungen, welche erfüllt werden sollen.
PATENT-ANSPRÜCHE : i. Katalytischer Konverter für die synthetische Herstellung von Ammoniak und ähnliche Gasreaktionen, gekennzeichnet durch einen Katalysatorraum und eine Wärmeaustauschvorrichtung, welche den Katalysatorraum umgibt und wärmeisolierende Zwischenwände enthält, die die Wärmeaustauschvorrichtung entsprechend unterteilen und in dem Masse als die Temperaturänderung grösser wird, an Dicke zunehmen.