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Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Prozesse Es ist bekannt,
bei katalytischen Prozessen meistens zylinderförmige Reaktionsräume zu verwenden,
bei denen zur Abführung der auftretenden Reaktionswärme Austauscher vorgesehen sind.
Diese Austauscher dienen dazu, die erzeugte Wärme an das ankommende Gas abzugeben.
Im allgemeinen werden die Austauscher außerhalb des Kontaktraumes angeordnet. Es
ist auch bekannt, solche Austauscher in dem Kontaktraum anzuordnen, wobei sie meist
zu einzelnen Paketen zusammengefaßt sind. Beide Anordnungen haben den Nachteil,
daß zur ausreichenden und gleichmäßigen Gasverteilung über dem Querschnitt zusätzliche
Gasverteilungsvorrichtungen notwendig sind; diese verursachen Druckverluste. Bei
außerhalb des Kontaktraumes angeordneten Wärmeaustauschern sind für die Gasführung
umfangreiche Rohrleitungen notwendig, die Druck- und Wärmeverluste ergeben. Diese
Bauweise hat außerdem den Nachteil, daß durch die erhöhten Abstrahlungsverluste
bei längeren Stillständen Kondensation und dadurch Schäden der Austauscher auftreten
können. Die bisher bekannten Ausführungen von Wärmeaustauschern, die innerhalb des
Kontaktraumes angeordnet und nicht zu Paketen zusammengefaßt sind, haben den Nachteil,
daß die Gasführung in den Rohren, da diese nicht gleich lang sind, ungleichmäßig
ist. Allen diesen bekannten Ausführungen haftet außerdem der Nach teil an, daß die
Wärmeaustauscher unzugänglich sind und bei auftretenden Schäden eine Demontage des
gesamten Apparates notwendig ist.
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Die Erfindung betrifft eine die aufgezeigten Nachteile vermeidende
Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Prozesse, bei denen ein Wärmeaustausch
stattfindet bzw. erwünscht ist, insbesondere zur katalytischen Überführung von S
°2 in SO3.
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Die Vorrichtung, in welcher eine Mehrzahl ringförmig angeordneter
Kontaktschichten und Wärmeaustauschelementen abwechselnd übereinander aw geordnet
ist, wobei die Wärmeaustauschelemente radial über dem Ringquerschnitt verteilt sind,
ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschelemente aus gleichlangen
Nadel-oder Rippenrohren bestehen und daß der innere Zylinder der Vorrichtung befahrbar
ausgebildet und mit der Zuführungsleitung für die zu katalysierenden Gase verbunden
ist. Dadurch wird in den Austauschelementen angewärmtes Röstgas durch den inneren
Zylinder den ringförmigen Kontaktschichten zugeführt und eine gleichmäßige Gasverteilung
des kontaktierten Gases über dem Ringquerschnitt gewährleistet.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann in der Weise ausgestaltet
sein, daß die Wärmeaustauschelemente aus legiertem oder unlegiertem Gußeisen mit
eingegossenen Enden aus schweißbarem Werkstoff bestehen Zweckmäßig können die Wärmeaustauschelemente
auch mit dem inneren und äußeren Zylinder des Ringraumes verschweißt sein. Man kann
die radial angeordneten Wärmeaustauschelemente durch Regulierorgane mit verschieden
großen Gasmengen beaufschlagen.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Vorrichtung die Wärmeaustauschelemente in der Weise übereinander anzuordnen, daß
das aufzuwärmende Gut die Reaktionswärme durch ein- oder mehrfache Umkehrung der
Gas richtung in radialer Richtung gleichmäßig über dem Ringquerschnitt abführt.
Auch hat sich eine Ausgestaltung der Vorrichtung als zweckmäßig herausgestellt,
bei der zur Einstellung optimaler Temperaturbedingungen die Wärmeaustauschelemente
einzeln oder gemeinsam gegen Gasverteilungselemente für die direkte Zumischung von
Gas ausgetauscht werden können.
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In den Abb. 1 und 2 ist schematisch eine beispielsweise Ausführung
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, die z. B. zur katalytischen Oxydation
von Schwefeldioxydgas zu Schwefeltrioxyd geeignet ist.
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Die Vorrichtung besteht aus einem äußeren Zylinder 1, der isoliert
ist, aus einem inneren Zylinder 2, in dem schematisch angedeutete Gaswege angeordnet
sind. Der Ringraum wird abwechselnd für die Unterbringung der Kontaktschichten 3,
4 5, 6 und der Wärmeaustauscher 7, 8 und 9 benutzt.
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Das zu oxydierende Röstgas wird zum größeren Teil in einem Teilstrom
10 dem unteren Teil der Vorrichtung zugeführt. Ein kleinerer Teil 16 wird dem oberen
Teil der Vorrichtung zugeleitet, entweder von außen, wie gezeigt, oder er wird in
der Vorrichtung innen in einer besonderen Leitung hochgeführt.
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Im allgemeinen werden 900/0 des gesamten Röstgases als Teilstrom
10 zugeführt. Dieser Prozentsatz kann jedoch zwischen etwa 85 und etwa 95 O/cr schwan
ken; er richtet sich insbesondere nach der Röstgaskonzentration und der Belastung
der Vorrichtung.
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Der Teil 10 des Röstgases tritt mit 500 C in den Austauscher 9 ein
und verläßt ihn mit einer Temperatur von 2800 C. Der Teilstrom 11 dieses Gases wird
im Wärmeaustauscher 8 auf 4600 C, der Teilstrom 12 im Wärmeaustauscher7 auf 4800
C aufgewärmt. In dem Raum 13 mischen sich die Teilströme 11, 12 und 16 zu einer
Mischtemperatur von 4700 C. Das Röstgas mit dieser Mischtemperatur durchströmt die
Kontaktschicht 3 und erhitzt sich durch die Reaktionswärme auf 6000 C. Im Austauscher
7 werden die Gase auf 4700 C abgekühlt, wobei bei einer Beaufschlagung von 36000
Nm3/h Röstgas mit 7,50/0 SO, 1 058 000 kcal/h ausgetauscht werden. In der Kontaktschicht
4 erwärmt sich das Gas auf 5100 C und wird im Austauscher 8 auf 4500 C abgekühlt,
entsprechend 713 000 kcal/h. In der Kontaktschicht5 erwärmt sich das Gas auf 4650
C. Anschließend wird das Gas in dem Luftkühler 14 auf 4300 C abgekühlt, wobei 420000kcal/h
durch Luft abgeführt werden. In der Kontaktschicht 6 erwärmt sich das Gas auf 4350
C und wird in dem Endwärmeaustauscher 9 auf 2000 C abgekühlt. Bei der 5 Katalyse
empfiehlt es sich, die Wärmeaustauschelemente aus Gründen der Korrosion und der
Wirtschaftlichkeit aus unlegiertem oder legiertem Gußeisen herzustellen. Um eine
schweißbare Verbindungsmöglichkeit mit den Zylindern 1 und 2 zu erhalten, sind in
das Gußeisen der Wärmeaustauschrohre Enden aus schweißbarem Werkstoff eingegossen.
Das aufzuwärmende Gas durchströmt die Austauschelemente in zwei- oder mehrfachem
Durchgang. Hierdurch wird erreicht, daß das kontaktierte Gas seine Wärme an allen
Stellen des Ringquerschnittes gleichmäßig abgibt. Durch Regulierorgane 15 hietet
sich die Möglichkeit, gegebenenfalls auftretende örtliche Abweichungen von der optimalen
Temperatur durch Variierung der Gasmengen in den einzelnen radialen Austauschelementen
zu korrigieren.
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Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Ausführungsform ist, daß
man den inneren Zylinder 2 so groß bemessen kann, daß man die Wärmeaustauschelemente
ohne Demontage des Kontaktapparates, da dieser durch den Zylinder 2 befahrbar ist,
gegen Verteilungselemente zur Zumischung von Gas auswechseln kann, wobei durch die
große Zahl der radial angeordneten Elemente eine vollständige Durchmischung und
gleichmäßige Verteilung des Gases über den Ringquerschnitt gewährleistet ist. Bei
Unterbrechung von Katalysen, die bei höheren Temperaturen exotherm verlaufen, besteht
durch Abkühlung die Gefahr, vor allem bei außenliegenden Wärmeübertragern, daß die
Anspringtemperatur in der Katalysatorschicht unterschritten wird. Man ist dann gezwungen,
durch zusätzliche Heizquellen die notwendige Energie dem Apparat wieder zuzuführen.
Durch die schachtförmige Anordnung der Wärmeaustauschelemente zwischen den Kontaktschichten
wird erreicht, daß infolge des thermischen Antriebes die oberen Horden auch nach
längeren Stillständen, die bei großen Einheiten einen
Tag betragen können, die Anspringtemperatur
nicht unterschritten wird. Beim Wiederanfahren des Apparates heizt die Reaktionswärme
auch die unteren Kontaktschichten wieder so weit an, daß der ganze Apparat in sein
thermisches Gleichgewicht gebracht wird. Diese Anordnung bewährt sich besonders
bei Anlagen mit größerer Abstrahlung, wie sie bei Freiluftanlagen in der kalten
Jahreszeit auftreten kann.
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Mit den in den Abb. 1 und 2 beispielsweise gezeigten Vorrichtungen
können auch weitere katalytische Prozesse durchgeführt werden, so z. B. die Umsetzung
von CO mit Wasserdampf unter Druck in Gegenwart von Katalysatoren. Das Kohlenoxyd
tritt nach Zumischung des Wasserdampfes durch 10 in den Wärmeaustauscher 9 und durchströmt
ganz oder teilweise die Wärmeaustauscher 8 und 7; die in 13 gesammelten Gase, denen
gegebenenfalls durch 16 kaltes Gas zugemischt ist, passieren die Kontaktschichten
3, 4, 5 und 6 und die dazwischenliegenden Wärmeaustauscher 7, 8, 14 und 9. Zur Regelung
der Temperatur kann außer der Zugabe von kaltem Gas durch 16 der Durchgang des kalten
Frischgases durch die Wärmeaustauscher mit den Regelorganen 15 gesteuert werden.
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Es ist zwar schon eine Vorrichtung zur Durchführung katalytischer
Gas- und Dampfreaktionen bekannt, in welcher eine Mehrzahl ringförmig angeordneter
Kontaktschichten und Wärmeaustauschelemente abwechselnd übereinander angeordnet
ist, wobei die Wärmeaustauschelemente radial und gleichmäßig über den Ringquerschnitt
verteilt sind. Diese bekannte Vorrichtung betrifft aber nicht die vorliegende Erfindung.
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Im übrigen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber der bekannten
Vorrichtung insofern vorteilhaft, als sie nicht den Nachteil der letzteren zeigt,
nämlich daß die Gasführung in den verschieden langen Wärmeanstauschrohren ungleichmäßig
ist und daß ferner die Wärmeaustauschelemente von außen sehr unzugänglich sind.
Bei auftretenden Schäden ist somit ein umständlicher Ausbau der einzelnen Vorrichtungsteile
nötig. Durch die Verwendung von gleichlangen, geraden, radial und gleichmäßig über
den Ringquerschnitt verteilten Nadel- oder Rippenrohren gemäß der Erfindung wird
sowohl innerhalb als auch außerhalb der Wärmeaustauschelemente ein vollkommen gleichmäßiger
Wärmeübergang und somit ideale Temperatur- und Druckverhältnisse im gesamten Wärmeaustauschersystem,
als auch vor den folgenden Katalysatorschichten mit gleichgroßem Ringquerschnitt
wie die Wärmeaustauschelemente gewährleistet. Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ferner der innere Zylinder befahrbar ausgebildet ist, können durch Öffnen des Mantels
des äußeren Zylinders 1 sowie durch Entfernen der an dem inneren Zylinder 2 angebrachten
Trennbleche einzelne defekte Wärmeaustauschelemente jederzeit leicht ausgewechselt
werden, ohne daß beispielsweise benachbarte unbeschädigte Wärmeaustauschelemente
oder Katalysatorschichten und ihre Tragroste herausgenommen werden müssen. Auf die
gleiche Weise kann der Katalysator jeder einzelnen Schicht durch den befahrbaren
inneren Zylinder ausgewechselt werden, ohne daß Deckel oder Austauschelemente entfernt
werden müssen.
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Es ist auch schon eine Vorrichtung zur katalytischen Überführung
von S °2 in S 03 bekannt, bei der Kontaktschichten und Wärmeaustauschelemente in
Form von Rohren in einer Vielzahl von Schichten übereinander in einem ringförmigen
Reaktionsgefäß
angeordnet sind und das Frischgas durch einen inneren
Zylinder den Kontaktschichten zugeleitet wird.
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Hiervon unterscheidet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch,
daß die Wärmeaustauschrohre radial angeordnet sind, die Strömungswege des Gases
in allen parallel geschalteten Rohren gleich lang sind, so daß infolge dieser Anordnung
durch jedes Rohr die gleiche Gasmenge strömt und daher über dem ganzen Kontaktquerschnitt
ein gleichmäßiger Wärmeaustausch erfolgt. Außerdem gewährleistet die radiale Anordnung
der Wärmeaustauschrohre zwischen dem äußeren Zylinder 1 und dem inneren Zylinder
2 eine gute Zugänglichkeit bei notwendigen Reparaturen.
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PATENTANSPROCHE: 1. Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Prozesse,
in welcher eine Mehrzahl ringförmig angeordneter Kontaktschichten und Wärmeaustauschelemente
abwechselnd übereinander angeordnet ist, wobei die Wärmeaustauschelemente radial
über dem Ringquerschnitt verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschelemente
aus gleich langen Nadel- oder Rippenrohren bestehen und daß der innere Zylinder
der Vorrichtung befahrbar ausgebildet und mit der Zu-
führungsleitung für die zu
katalysierenden Gase verbunden ist.