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Verfahren zur katalytischen Umsetzung mehrerer gasförmiger Reaktionsteilnehmer
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalytischen Umsetzung mehrerer
gasförmiger Reaktionsteilnehmer mit dem Ziel, die Bildung der gewünschten Umsetzungsprodukte
zu steigern.
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Bei katalytischen Umsetzungen mehrerer gasförmiger Reaktionsteilnehmer
sieht man sich oft einer Begrenzung des Umsetzungsgrades gegenüber, die durch die
Lage des Gleichgewichtes sowie durch die thermodynamischen Verhältnisse der betreffenden
Umsetzung, aber auch durch katalytisch oder thermisch geförderte Nebenreaktionen
und ähnliche Momente bedingt ist.
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Bei dem Verfahren zur Umsetzung mehrerer gasförmiger Reaktionsteilnehmer
in einer langgestreckten Umwandlungszone in Gegenwart eines feinkörnigen Katalysators
nach vorliegender Erfindung werden diese Nachteile vermieden. Dieses Verfahren ist
dadurch gekennzeichnet, daß man in die Katalysatorzone kontinuierlich unter Umsetzungsbedingungen
einen ersten Reaktionsteilnehmer einführt, dessen Durchflußgeschwindigkeit durch
diese Zone verschieden ist von derjenigen eines zweiten Reaktionsteilnehmers, den
man stoßweise in die Umwandlungszone einleitet, wobei jedoch die Zeiträume zwischen
dem Einleiten der einzelnen Stöße des zweiten Reaktionsteilnehmers so bemessen sein
müssen, daß sich die bei jedem vorangehenden Stoß entstandenen Reaktionsprodukte
nicht mit den sich beim Einführen des nächsten Stoßes bildenden Reaktionsprodukten
vermischen können.
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Es ist zwar bereits ein Verfahren zur Durchführung katalytischer
Reaktionen in der Weise bekanntgeworden, daß einer von zwei Ausgangsstoffen dauernd
mit der gesamten Katalysatormasse in Berührung steht, während der andere Bestandteil
zusammen mit dem ersten nur mit Teilmengen des Katalysators in Berührung kommt.
Zwar wird hierbei der Durchlauf der Reaktionsteilnehmer über die verschiedenen Katalysatorschichten
periodisch gewechselt, jedoch immer erst nach längeren Zeiträumen und nicht so,
daß man von einer stoßweisen Zuführung eines Teiles der Mischung sprechen kann,
während ein anderer Teil kontinuierlich durch die Reaktionszone fließt. Bei dieser
bekannten Arbeitsweise wird deshalb auch nicht eine dauernd wechselnde Verschiebung
des chemischen Gleichgewichts erreicht, und damit auch keine Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts
insgesamt, mit dem Ziel der Erreichung einer höheren Ausbeute an den gewünschten
Stoffen.
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Das vorliegende Verfahren hat auch nichts mit einer anderen Arbeitsweise
zu tun, bei dem die Gase oder Dämpfe mit festen Körperteilchen in der Weise in Berührung
gebracht werden, daß man zur Vermeidung von Kanalbildungen innerhalb der Feststoffschicht
die gesamte strömende gasförmige Beschickung in einzelnen Stößen zuführt, wodurch
die Festkörperschicht abwechselnd aufgewirbelt und gelockert wird, um nach Aufhören
des Stoßdruckes wieder auf die ursprüngliche Schütthöhe zusammenzusinken. Von einer
stoßweisen Änderung der Zusammensetzung der Reaktionsgemische, wie bei dem vorliegenden
Verfahren, kann auch hierbei keine Rede sein.
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Der für die vorliegende Arbeitsweise zu verwendende Katalysator muß
natürlich eine für die angestrebte Reaktion günstige Zusammensetzung und Korngröße
haben. Die Korngröße soll z. B. zwischen 0,25 und 6,7 mm liegen.
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Die Erfindung ist anwendbar für die verschiedensten Reaktionen, bei
denen sich unter bestimmten Druck-, Temperatur- und Katalysatorbedingungen Gleichgewichte
zwischen den Reaktionsteilnehmern einstellen. Beispiele solcher Reaktionen findet
man in dem Buch »Principles of Organic Chemistry« von English und Cassidy.
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Die Umsetzungsbedingungen, wie Temperatur und Druck, hält man dabei
in der Umwandlungszone in bekannter Weise aufrecht. Die Geschwindigkeiten, mit der
die Reaktionsteilnehmer durch die Umwand-
lungszone ziehen, und
die Länge der Umwandlungszone sind so zu bemessen, daß sie die Erreichung des gewünschten
Umwandlungsgrades ermöglichen und daß dabei zumindest eine Teilfraktionierung wenigstens
eines der Reaktionsprodukte während des Durchgangs durch die Umsetzungszone möglich
ist.
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Die Zeitabstände zwischen den Beschickungsstößen des zweiten Reaktionsteilnehmers
sind je nach Länge der Umwandlungszone und der durchgesetzten Mengen der Reaktionsteilnehmer
derart, daß die sich langsamer bewegenden Reaktionsteilnehmer eines vorhergehenden
Stoßes von den schnelleren Reaktionsteilnehmern des folgenden Stoßes nicht eingeholt
und mit diesen vermischt werden. Maßgebend ist dabei, daß das chemische Gleichgewicht
der katalytischen Reaktion immer abwechselnd in der Umwandlungszone nach rechts
verschoben wird und darauf wieder zurückpendelt. Dadurch erreicht man bei im übrigen
feststehenden Umwandlungsbedingungen einen weit höheren Prozentsatz der Gesamtumwandlung,
oder man kann umgekehrt bei einem gegebenen Umwandlungsgrad unter milderen oder
sonstwie günstigeren Arbeitsverhältnissen arbeiten und so die Bildung von unerwünschten
Nebenprodukten verhindern oder sogar ganz unterbinden.
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Fig. 1 zeigt ein Fließschema, das allgemein die Arbeitsweise nach
der Erfindung veranschaulicht; Fig. 2 ist ein Schema, das zeigt, wie sich beim Arbeiten
nach der Erfindung die aufeinanderfolgenden Störungen des Gleichgewichtes auswirken.
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In F i g. 1 ist 10 eine Reaktionszone, die eine Schicht eines feinkörnigen
Katalysators 11 enthält.
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Ein Strom eines langsam fließenden Reaktionsteilnehmers tritt kontinuierlich
in die Reaktionszone 10 durch eine Leitung 12 ein. Ein zweiter Reaktionsteilnehmer
wird periodisch, aber mit größerer Geschwindigkeit durch die Leitung 14 eingeleitet,
wobei das Ventil 16 zeitlich darauf eingestellt ist, die periodischen Einleitungen
dieses Reaktionsteilnehmers in den Strom des langsameren Reaktionsteilnehmers zu
regulieren. Auf diese Weise werden in kurzen Zeitabständen Stöße des schnelleren
Reaktionsmittels periodisch in den Strom des langsamen Reaktionsmittels eingedrückt.
Jeder Stoß des schnellen Reaktionsteilnehmers kommt beim Eintritt in die Reaktionszone
10 über den feinkörnigen Katalysator mit dem langsameren Reaktionsteilnehmer in
innige Berührung, wodurch die chemische Umsetzung ausgelöst wird. Da der schnellere
Reaktionsteilnehmer dauernd durch von der Umsetzung noch nicht betroffene Bereiche
des Stromes des langsameren Reaktionsteilnehmers hindurchwandert, sind die beiden
Stoffe in Gegenwart des Katalysators in dauernder Berührung miteinander. Daneben
aber werden dadurch Reaktionsbestandteile und -produkte, die eine andere Durchgangsgeschwindigkeit
als die der Beschickungsbestandteile haben, ununterbrochen wenigstens teilweise
von den Beschickungsbestandteilen getrennt, die sich durch die Katalysatorzone hindurch
bewegen. Als Folge werden diese Umwandlungsprodukte mindestens teilweise dauernd
physikalisch voneinander getrennt, sobald sie sich bilden. Dadurch entsteht ein
ununterbrochener Wechsel des chemischen Gleichgewichtes infolge von Störungen. Das
hat zur Folge, daß sich, insgesamt gesehen, gegen Ende der Umsetzungen das Gleichgewicht
immer wieder nach rechts verschiebt, wodurch der Wirkungsgrad der Umsetzung bedeutend
höher wird.
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Dies ist in F i g. 2 schematisch dargestellt: Ein Stoß des schnelleren
Reaktionsteilnehmers ergibt beim Eintrit in die Reaktionszone 10 zu einem Zeitpunkt
t1 eine Gleichgewichtslage, bei der die katalytische Umsetzung einsetzt. Zu einem
späteren Zeitpunkt t. hat sich ein leichteres Reaktionsprodukt a, das während der
Zeitspanne t-t2 entstanden ist, von den anderen Bestandteilen physikalisch getrennt.
Infolgedessen geht die Umsetzung der Beschickungsbestandteile beim weiteren Durchlauf
durch die Katalysatorzone t1 unter noch weiterer Bildung des Bestandteils a weiter.
Als Folge davon sondern sich dann zu den Zeitpunkten t3, t4 usw. immer größere Mengen
des Bestandteils a von den Ausgangs-Bestandteilen ab.
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Auf diese Weise wird durch ununterbrochene Störung des Gleichgewichtes
der Verlauf der Umsetzung immer weiter in dem gewünschten Sinne vorwärts getrieben.
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Beispiel 1 Man füllt einen Reaktor aus rostfreiem Stahl von etwa
3 m Länge und 6,35 mm Innendurchmesser mit einem gekörnten Katalysator von 0,25
bis 0,6 mm Korngröße, der 100 Teile Eisen und 1 Teil Cerdioxyd auf 100 Teile Kieselgur
enthält.
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Dann leitet man auf etwa 6000 C erwärmten Wasserstoff in einer durchschnittlichen
Menge von stündlich 9,3 cm3 Wasserstoff je Gramm des Katalysators in ununterbrochenem
Strom durch den Reaktor hindurch, und zwischendurch in Abständen und in gleichstarken
Stößen Kohlendioxyd in solcher Menge, daß die durchschnittlich hindurchströmende
Menge davon etwa 3,7 cm3 je 1 g Katalysator in der Stunde beträgt. Folglich sind
die durchschnittlich durch den Reaktor hindurchströmenden Mengen von Wasserstoff
und Kohlendioxyd insgesamt etwa 13 cm8 beider Reaktionsteilnehmer auf 1 g Katalysator
in der Stunde.
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Während des Durchströmens des Wasserstoffs und des Kohlendioxyds
durch den Reaktor ist jeder Stoß des letzteren mit einer umkehrbaren Umsetzung zwischen
den beiden Gasen verbunden, wobei sich Wasser und Kohlenmonoxyd bilden. Die als
Folge der stoßweise wechselnden Zusammensetzung der Reaktionsgemische wenigstens
teilweise auftretende Trennung des Wassers und des Kohlenoxyds von dem Kohlendioxyd
bewirkt eine etwa 800/oige Umwandlung des Kohlendioxyds in Kohlenmonoxyd.
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Wenn man dagegen von einer vorher hergestellten Mischung aus 5 Teilen
Wasserstoff und etwa 1 Teil Kohlendioxyd ausgeht und sie kontinuierlich in einer
Menge von etwa 13 cm3 Reaktionsgemisch auf 1 g Katalysator in der Stunde bei 5903
C durch den Reaktor leitet, erreicht man nur eine Umwandlung von Kohlendioxyd in
Kohlenoxyd von durchschnittlich 454wo.
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Beispiel 2 Ein Reaktor aus rostfreiem Stahl, etwa 3 m lang und 6,35
mm im Durchmesser, wird mit einem Katalysator gefüllt, der aus mit Cuprochlorid
(CuCl) gesättigtem Bimsstein einer Korngröße von 0,25 bis 0,4 mm besteht. Man leitet
kontinuierlich etwa 4500 C warme Luft mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 cms
in der Minute durch den Reaktor und gleichzeitig stoßweise Chlorwasserstoff. Jeder
dieser Stöße umfaßt etwa 0,1 cm3; die Abstände zwischen
zwei aufeinanderfolgenden
Stößen betragen etwa 5 Minuten.
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Hierdurch erreicht man es, daß sich bei der umkehrbaren Umsetzung
des Chlorwasserstoffs mit dem Sauerstoff das anfallende Chlor und das Wasser mindestens
teilweise von dem Chlorwasserstoff trennen, wobei der Umwandlungsgrad des Chlorwasserstoffs
in Chlor ungewöhnlich hoch ist, nämlich etwa 950/0.
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Wenn man hingegen von einem zuvor hergestellten Gemisch von Chlorwasserstoff
und Sauerstoff ausgeht und es mit einer Durchflußgeschwindigkeit von etwa 30 cm3
in der Minute bei derselben Temperatur durch den Reaktor leitet, so erreicht man
lediglich eine Umwandlung von etwa 700/0 des Chiorwasserstoffes in Chlor.