Zersetzungsofen zur Ausführung von Gasreaktionen unter hohem Druck und bei hoher Temperatur. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zersetzungsofen zur Ausführung von Gasreaktionen, die unter hohem Druck und bei hoher Temperatur vor sich gehen.
Bei solchen Arbeitsvorgängen, wie zum Beispiel bei der synthetischen Erzeugung von Ammoniak, erfährt während eines einzigen Überganges über den Katalyten nur ein ver hältnismässig kleiner Teil der Oraase eine Um wandlung. Dabei geschieht es häufig, dass, obschon die Reaktion exothermisch verläuft, die erforderliche Temperatur in der Anlage nicht aufrecht erhalten werden kann, ohne dass dieser von aussen Wärme zugeführt wird. Es lässt sich dies durch äussere Feuerung bewerkstelligen, was verhältnismässig billig ist, aber dadurch beträchtliche Gefahr in sich birgt, dass hochbeanspruchtes Metall, wie es für den den Katalyten aufnehmenden Kessel gebraucht wird, Temperaturen in der Höhe von 400-700 ausgesetzt wird.
Werden die Reaktionen bei Temperaturen von über etwa 400 C ausgeführt, so muss man für den Ka- talytkessel besonderen kohlenfreien Stahl an wenden, um der bei solchen Temperaturen unter der Wirkung von komprimiertem Was serstoff eintretenden Verringerung der Festig keit von Kohlenstahl auszuweichen.
Die Nachteile, welche mit der Zufuhr von Wärme zum Zersetzungsofen mittelst äusserer Feuerung verbunden sind, lassen sich bei Anwendung elektrischer Energie vermeiden. Solche kann in geeigneter Weise freigemacht werden zwischen den Wänden des den Kata- lyten enthaltenden Kessels oder in einem oder mehreren andern Kesseln, die'von dem Gasstrom auf seinem Wege zum Katalyten durchflossen werden. Die druckaufnehmenden Wände dieser Kessel werden durch Verklei dung und Wärmeaustausch oder letzteren allein auf einer verhältnismässig niedern Tem peratur gehalten.
Der Nachteil der elektrischen Heizung liegt jedoch darin, dass sie verhältnismässig kostspielig ist und es deshalb wünschbar er scheint, am Katalytbehälter oder einem andern, Katalyt und Wärmeaustauscher in sich schliessenden Teil der Anlage die Wärmever luste auf den Beringst möglichen Betrag zu verringern.
Wärmeverluste können auf zwei Arten auftreten, nämlich erstens infolge un- genügender (Gelegenheit zum Wärmeaustausch zwischen den in die Katalytenkamrner ein tretenden und den sie verlassenden (lasen, oder zweitens durch Entweichen von Wärme us dem erhitzten Katalyten oder aus den a a erhitzten Teilen des Wärmeaustausehers nach aussen oder von einem Teil des Wärmeaus- tauschers zu einem andern, kühleren Teil desselben.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine vorteilhafte Verwendung der elektrischen Heizung zu ermöglichen durch möglichst weitgehende Verringerung der Wärrneverluste, um den Betrag der zu liefern den elektrischen Energie und dementsprechend die Kosten dafür möglichst herabzusetzen und gleichzeitig ein Zusammenfassen des Apparates auf einen verhältnismässig kleinen Raum zu ermöglichen.
Denn es besteht eine bestimmte Grenze in der Grösse, bis zu der die äussere rmhüllung wirtschaftlich gebaut werden kann.
Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Zersetzungsofen für die Verwendung von Ar beitsvorgängen der oben erwähnten Art, bei dein um den Zersetzungsraum ein Wärme- austauscher vorhanden ist mit einer Mehrzahl von Scheidewänden, die eine Reihe von Räu men bilden, in denen eine Gasleitung ange ordnet ist, wobei diese und die genannten Räume an die Gaszuführung, den Zersetzungs raum und die Gasableitung des Ofens so an geschlossen sind, dass die eintretenden und die austretenden Gase diese Räume. und die Leitung im Gegenstrom durchfliessen.
Die Scheidewände sind in dem ,Sinne verjüngt, dafi die Dicke von jeder von ihnen dort am grössten ist, wo im austretenden und im ein tretenden Gase der Temperaturunterschied zwischen dem auf der einen und dem auf der andern Seite der Wände strömenden Gase am grössten ist, und am geringsten, wo der kleinste Temperaturunterschied herrscht. Die Zeichnung veranschaulicht im Längs schnitt ein Ausführungsbeispiel des Erfin dungsgegenstandes, das besonders für die Synthese von Ammoniak bestimmt ist.
Der dargestellte Ofen besitzt einen zen tralen, zylindrischen Zersetzungsraum a, der sich innerhalb einer äussern Wand b befindet. An letzterer ist eine obere Deckplatte c und eine untere Abschlussplatte d .festgeschraubt. Zwischen dein Zersetzungsraum a und der Wand L ist der Wärmeaustauscher, d. h. eine Einrichtung angeordnet, durch welche zwischen den einströmenden und den ausströmenden Gasen ein Austausch von Wärme bewirkt wird. .
Der Wärmeaustauseher enthält zwei Rohre e, in welche die (fase, die den zentralen Zer setzungsraum a durch dessen durchbrochenen, mit einer Traverse t verschraubten Deckel 1r, verlassen, an den in der Zeichnung oberhalb des letzteren durch wagrechte Pfeile ange gebenen Stellen eintreten, um durch sie und das an sie angeschlossene Rohr l aus dein Ofen weggeleitet zu werden.
Jedes Rohr ist, nieder- und aufwärtssteigend, so gewunden, dass die Windungen gruppenweise auf kon- axialen, verschieden weiten Kegelmänteln liegen, die sich an konischen oder im Längs schnitt keilförmigen Wänden f aus wärme isolierendem Material befinden. Die innerste dieser Wände trennt die innerste Rohrgruppe (Rohrschlange) von einem Rohre in, das den Mantel des den Zersetzungsraum a uni- schliessenden Rohres n bildet. Die äusserste der Wände /'trennt die äusserste Rohrschlange von der Wand b.
Das Material der Wände f ist überdies gasdicht, so dass Gas, das arn einen Ende des von je zweien von ihnen ein geschlossenen Ringraumes eintritt, an das andere Ende des letzteren strömen muss. Jeder andere Weg ist dem Gase verwehrt. Die gröf@te Dicke des keilförmigen Querschnittes der isolierenden Wände f befindet sich an deren abgeschlossenem Ende, also an der Stelle, wo zwischen den auf der Innenseite und den auf der Aussenseite der Wände befindlichen Teilen der Rohrschlangen und des von diesen geleiteten Gases der grösste Temperaturunterschied vorhanden ist.
Die geringste Dicke ist dort, wo die-Rohrschlan- gen von einer Seite der Wände auf die an dere übertreten, wo also der Temperaturunter schied zwischen den auf der einen und den auf der andern Wandseite befindlichen Gas und Rohrteilen am geringsten ist. Dem Rohr paare entlang ist ein schraubenförmig ver- laufendesTrennungsbandgangeordnet, welches mit den benachbarten Wänden f zusammen einen dem Rohrpaar entlang laufenden und dessen ganzer Länge nach seine Windungen umgebenden Kanal für das zwischen die Wände feintretende Gas bildet.
Dieses tritt durch ein Rohr k von unten her in den zwi schen der äussersten und der zweitäussersten Wand f befindlichen Raum ein, steigt in diesem durch den genannten Kanal dem Rohrpaare entlang auf dessen Aussenseite auf wärts, tritt oben (siehe Pfeile) in den folgen den Ringraum über, strömt in diesem abwärts bis zum untern, freiliegenden Ende von dessen innerer Wand; unten in den innersten Ring raum über und hier wieder aufwärts.
Hier gelangt es (siehe Pfeile) durch Öffnungen o des Rohres m in den zwischen diesem und dein Rohre n befindlichen Raum, in dem es abwärts strömt, um schliesslich in das unten offene Rohr n und den Zersetzungsraum a einzutreten. Auf diese Weise werden die ein strömenden und die@ausströ tuenden Gase längs eines langen Weges im Gegenstrom anein ander vorbeigeführt und wird zwischen ihnen ein vollkommener Wärmeaustausch erzielt.
Für das Verhältnis zwischen der Dicke der Wände f und dem Temperaturunterschied zwischen dem die Aussenseite und dem die Innenseite der Wände bestreichenden Gase gilt augenscheinlich das oben in bezug auf das in den Rohrschlangen strömende Gas Gresagte. Wenn gewünscht, lassen sich Tren nungsbänder der angegebenen Art auch aus wärmeisolierendem Material herstellen, um die Wärmeübertragung von einer Windung oder Windungsgruppe zu einer andern auf ein Mindestmass herabzusetzen.
Dadurch, dass die Gase im Gegenstrom zwischen den Zersetzungsraum umgebenden Wänden beschriebener Gestalt geführt wer den, ist es möglich, den ganzen Ofen auf einen verhältnismässig kleinen Raum zusam menzufassen.
Die wärmeisolierenden Trennungsbänder können als Hohlkörper aus Eisenblech gebil det und mit einem Wärmeisolator, z. B. Wolle oder Pulver, gefüllt sein. Man kann an ihnen eine oder mehrere (nicht gezeichnete) Öffnungen anbringen, um ihren Bruch bei irgendwelchen Druckwechseln zu verhindern. Wird mehr als eine solche Öffnung ange bracht, so ist es wünschenswert, dass sie sich nahe beeinander befinden.
In der Bahn der den Wärmeaustauscher verlassenden heissen Gase, vor dein Eintritt, der letzteren in die Kontaktmasse, können elektrische Heizvorrichtungen angebracht wer den. Auf der Zeichnung sind solche im Zer setzungsraume<I>a</I> angenommen und mit<I>i</I> be zeichnet.
Die beschriebene Anordnung' des Zer setzungsraumes und der Trennungswände bietet ausser den schon erwähnten noch andere Vorteile, so zum Beispiel das Vermeiden irgendwelcher nennenswerter Beanspruchung infolge unterschiedlicher Ausdehnung wegen Ungleichheit der Temperatur in den verschie denen Teilen des Wärineaustauschers, indem weder die Wände des letzteren noch die Wandung des Zersetzungsraumes mit beiden Abschlussplatten des Ofens starr verbunden sind.
Die Wände des Austauschers sind je nur mit der einen dieser Platten fest (durch Schraubenp) verbunden. Das den Zersetzungs raum<I>a</I> umschliessende Rohr<I>n</I> ist an seinem obern Ende auf einer innern Schulter r des Rohres m abgestützt, unten freiliegend. Die elastische Beschaffenheit der Rohrschlangen genügt, um irgendwelche leichte Unterschiede in der Ausdehnung aufzunehmen.
Ein weiterer Vorteil in der Anordnung von Trennungswänden mit Kegelflächen liegt in der Leichtigkeit, mit der die verschiedenen Teile zusammengestellt werden können, indem keine nennenswerte Reibung auftritt, bis die Teile in ihre endgültige Lage gebracht sind. Die Windungen der Rohrschlange sind vorzugsweise abwechselnd rechtsgängig und linksgängig gelegt.
Die Erfindung ist nicht auf die oben be schriebenen konstruktiven Einzelheiten be schränkt, sondern es lassen sich Änderungen treffen hinsichtlich der Form, Grösse des Querschnittes und der Anordnung -der Rohr schlangen oder anderer Leiter, durch welche die Gase zum Zersetzungsraum oder von diesem wegströmen, der Ausbildung des Zer setzungsraumes und der äussern Ofenteile und der Mittel zum Verbinden der verschiedenen Teile in richtiger Lage. Diese Einzelheiten hängen ab vom besonderen Charakter des Arbeitsvorganges, für den der Ofen benutzt werden soll, oder von andern praktischen Be dingungen, die erfüllt werden sollen.