DE1517977A1

DE1517977A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Gases mit niedrigem Sauerstoffgehalt

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Publication number: DE1517977A1
Application number: DE19661517977
Authority: DE
Inventors: Jensen William Paul
Original assignee: Atlantic Research Corp
Current assignee: Atlantic Research Corp
Priority date: 1965-05-14
Filing date: 1966-05-14
Publication date: 1970-03-12
Also published as: IL25701A; BE680981A; GB1118943A; US3451782A; NL6606564A

Description

rv i '. 101/

Dipl.-Ing. . 51 AACHEN, den 12. Mai 1966

BRUNOSCHMETZ - AuguitastraBe 14-16 · Telefon 34731

Patentanwalt

• Atlantic Research Corporation in Alexandria, Virginia (V.St.A) ■ Beschreibung zu Patentanmeldung

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Gases mit niedrigem Sauerstoffgehalt

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Gases mit niedrigem Sauerstoffgehalt, insbesondere auf einen verbesserten katalytischen Gasgenerator zur Verringerung des Sauerstoffgehaltes eines Gases bei einem Verfahren, bei dem eine vollständige Verbrennung eines unter Sauerstoffverbrauch verbrennenden Brennstoffs erfolgt.

Die Lösung des Problems der Lagerung von verderblichen oder oxydierbaren Nahrungsmitteln wie tierischen oder pflanzlichen Materialien über längere Zeiträume bei beschränkter physiologischer und mikrobiologischer Zersetzung ist lange Zeit unbefriedigend geblieben. Es ist allgemein bekannt, daß sowohl tierische als auch pflanzliche Lebensmittel nach Abtrennung von ihren Mutterkörpern ihre Atmungswirksamkeit fortsetzen, wobei Sauerstoff von der umgebenden Atmosphäre assimiliert und Kohlendioxyd und Wasserdampf abgegeben werden. Es ist weiterhin bekannt, daß die Verringerung des verfügbaren Sauerstoffs in der umgebenden Atmosphäre die Atmungswirksamkeit des gelagerten Materials verlangsamen oder bei

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vollständiger Säuerstoffentfernung sogar beenden. Eine vollständige Sauerstoffentfernung aus der Lagerraumatraosphäre sollte jedoch vermieden werden, da das Aufhören der AtmungaWirksamkeit unerwünscht ist, wenn das gelagert Gut "frisch¹* bleiben soll.

« Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß auch eine hohe Kohlendioxydkonzentration, die in ähnlicher Weise die Atmungswirksamkeiten des gelagerten Materials verlangsamt, unerwünscht ist, weil dadurch Veränderungen in der Struktur des gelagerten Materials unter Bildung eines faserartigen Zustande angeregt werden. Zwar ist das Material noch brauchbar, man erhält jedoch häufig ein unerwünschtes Produkt, da die Faserung oder der Geschmack des gelagerten Materials gegenüber dem natürlichen Zustand verändert sind. Es wurde weiterhin festgestellt, daß durch Entfernung von Kohlendioxyd aus dem Lagerraum das Eigenleben des gelagerten Materials erheblich verlängert wird. Es ist daher offensichtlich, daß die wünschenswerteste Lageratmosphäre neben Wasserdampf und anderen Inertgasen, die üblicherweise in Luft vorliegen, einen Sauerstoffanteil enthalten soll, der geringer ist, als er üblicherweise in Luft vorliegt und beispielsweise im Bereich von 2 bis 5 % liegt. Es wurde daher eine neuartige Vorrichtung zur Aufbewahrung von tierischen und pflanzlichen Lebensmitteln entwickelt, bei der die Sauerstoffentfernung durch Verwendung von Verbrennungsaniagen oder Brennern beschleunigt wird und nicht nur die normale Atmung des gelagerten Materials dazju dient, den verfügbaren Sauerstoff zu verbrauchen. Das Verbrennungsverfahren soll die vollständige Verbrennung des Brennstoffs gewährleisten. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte werden anschließend gereinigt und dabei Kohlendioxyd entfernt. Die dabei entstandene Atmosphäre,

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die zum Lagern von Nahrungsmitteln verwendet wird, besteht im wesentlichen aus Stickstoff, Wasserdampf und Spuren von Inertgasen.

Um den Sauerstoffgehalt' in einem Nahrungsmittellagersystem wirksam verringern zu können, hat sich ein geschlossenes System als wünschenswert herausgestellt, bei dem die Lageratmosphäre innerhalb eines Lagerraums durch Gas erzeugende und reinigende Mittel umläuft und zurück in den Lagerraum geführt wird. Auf Grund dieser Behandlung in einem geschlossenen System ist der Sauerstoffgehalt in der Lagerrauraatmosphäre nach einer gewissen Behandlungsdauer geringer als in normaler atmosphärischer Luft und deshalb wird verunreinigte Luft durch den Gasgenerator zugeführt, der in Form einer Verbrennungsvorrichtung ausgebildet iet. Wenn der Sauerstoffgehalt unter einen bestimmten Wert verringert ist, der von dem Brennstoff abhängt, mit dem gearbeitet wird, dann reicht der Sauerstoff nicht mehr aus, um die Verbrennungsflamme aufrecht zu halten, wenn nicht die mit dem Brennstoff vermischte verunreinigte Luft ausreichend vorerhitzt wird, so daß die Vorwärme plus der Verbrennungswärme den Reaktionsprodukten eine Temperatur verleihen, die der adiabatischen Flammentemperatur der Brennstoff-Luft-Mischung, die die minimale Sauerstoffmenge enthält, durch die die Verbrennungsflamme aufrecht erhalten wird, bei üblichen atmosphärischen Temperaturen entspricht. Wenn der Sauerstoffspiegel abfällt, steigt die Temperatur, auf die die Brennstaff-Luft-Mischung vor dem Eintritt in die Verbrennungszone erhitzt werden muß, wobei zusätzlich die Gefahr von Explosionen bei dem Verbrennungsverfahren entsteht und die wirtschaftliche Wirksamkeit des Systems verringert wird.

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Verwendet man einen katalytischen Reaktor anstelle eines Flammenbrenners, dann ist die Oxydation bei einer erheblich niedrigeren Temperatur als bei Verwendung eines Flammenbrenners möglich, da die einzige Temperaturbedingung darin besteht, daß das katalytische Material oberhalb einer Minimumtemperatur gehalten wird, bei der seine Aktivität wirksam ist. Wenn der verfügbare Sauerstoff weniger wird, kann die Brennetoff-Luft-Mischung auf eine weit unterhalb der Entzündungsgrenze der Mischung liegende Temperatur vorerhitzt v/erden, so daß die Möglichkeit einer Explosion vermieden wird und die Temperatur.doch ausreichend hoch genug ist, um eine wirksame Umwandlung des Sauerstoffs in Kohlendioxyd sicherzustellen. Dies wird erreicht,

indem man mit Brennstoffmengen arbeitet, die genau gleich oder vorzugsweise geringer sind als die dem verfügbaren Sauerstoff entsprechende stöchiometrische Brennstoffmenge.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auf sichere Weise bei verhältnismäßig niedriger Temperatur ein Gas mit den gewünschten Bestandteilen hergestellt, wobei der Sauerstoffgehalt von zur direkten Verwendung ungeeigneter Luft sicher verringert wird und wobei die Verbrennungsprodukte bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehalten werden. Ferner wird gemäß der Erfindung ein Gasgenerator verwendet, der wirksam den Sauerstoffgehalt in einem Gas verringert, dessen Sauerstoffgehalt innerhalb eines verhältnismäßig weiten Bereiches schwankt.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung besteht der Gasgenerator aus einem senkrecht ausgerichteten katalytischen Reaktor mit einem länglichen röhrenförmigen Gehäuse, in dem am unteren Ende ein Gaseinlaß und am Qberen Ende eine Austrittsöffnung vorgesehen sind. Das

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sauerstoffhaltige Gas tritt am unteren Ende in das Gehäuse ein und . wird mit einem bei der Verbrennung Sauerstoff verbrauchenden Brennstoff gemischt, der an einer dem Gaseinlaß benachbarten Stelle in das Gehäuse eingeführt wird. Die Zufuhrgeschwindigkeit für den Brennstoff wird so geregelt, daß eine geringere Brennstoffmenge zugeführt wird, als der dem verfügbaren Sauerstoff entsprechenden stöchiometrischen Menge entsprechen würde. Die Gas-Brennstoff-Mischung steigt nach oben und wird dabei über elektrische Heizelemente geführt, die die Mischung auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzen. Am oberen Ende des Gehäuses liegt ein Bett aus einem katalytischen Material vor, durch das die Mischung strömt. Das Katalysatorbett wird oberhalb einer vorbestimmten Minimumtemperatur gehalten, damit es für ein wirksames Arbeiten des katalytischen Reaktors ausreichend reaktionsfähig ist. Das katalytische Material wird durch eine Kombination der bei der Brennstoffoxydation entwickelten Reaktionswärme mit der der Mischung vor dem Hintritt in da3 Katalysatorbett verliehenen Wärme bei oder oberhalb des gewünschten Temperaturspiegels gehalten. Um die Energiezufuhr beim Vorerhitzen zu regeln, sind Temperaturfühler im.Katalysatorbett vorgesehen und der Grad der Vorerwärmung der Gas-Brennstoff-Mischung wird durch geeignete Regler verändert. Die Strömungsgeschwindigkeit der Mischung wird so geregelt, daß die Mischung turbulent durch das Katalysatorbett fließt, um die Wirksamkeit des katalytischen Reaktors auf ein Maximum zu erhöhen. Die aus Sauerstoff, Kohlendioxyd, Stickstoff, Wasserdampf und Spuren von Inertgaseh bestehenden Verbrennungsprodukte strömen dann durch die Austrittsöffnung am Kopf des katalytischen Reaktors nach außen.

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Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Fließdiagramm eines Verfahrens, bei dem ein

katalytischer Reaktor gemäß der Erfindung verwendet wird,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen katalytischen Reaktor, und

Fig. 3 einen auseinander-gezogenen Teil einer in dem kata-

lytischen Reaktor gemäß Fig. 2 verwendeten elektrischen Heizvorrichtung.

Fig. 1 der Zeichnung stellt ein typisches Verfahrenssystem dar, bei dem ein Gasgenerator oder katalytischer Reaktor gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Der Gasgenerator kann natürlich auch noch in anderen Systemen zur Anwendung gelangen. In dem beispielsweise gezeigten System ist ein Lagerraum 10 vorgesehen, in dem Lebensmittel 12 wie Früchte oder Fleisch gelagert werden können. Wenn die Lebensmittel 12 in den Lagerraum 10 eingebracht werden, enspricht die Atmosphäre in dem Lagerraum im wesentlichen der Normalatmosphäre, die etwa 21$ Sauerstoff, 79$ Stickstoff und 0,04$ Kohlendioxyd, Wasserdampf und Spuren von Inertgasen enthält. Um den Sauerstoffgehalt auf einen gewünschten Wert von zwischen 2 und 5°/o zu verringern, ohne daß dabei der Kohlendioxydgehalt auf über 1,5% erhöht wird, wird die Lagerraumatmosphäre in einem geschlossenen Kreislauf durch ein Reinigungssystem 14 geführt. Das System 14 umfaßt einen Gasreiniger 16, beispielsweise eine Adsorptionsvorrichtung für die selektive Entfernung von Kohlendioxyd, Äthylen und anderen Atmungsprodukten oder Verunreinigungen. Das den Reiniger 16 verlassende Gas besteht im wesentlichen aus Stickstoff, Sauerstoff und Ineitgasen. Es wird in den erfindungsgemäßen Gasgenerator oder katalytischen Reaktor 18 geführt, der auch zu dem System 14 gehört*

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Durch den Gasgenerator 18 wird der Sauerstoffgehalt verringert und die Verbrennungsprodukte werden anschließend durch eine Berieselungs-. anlage 20, in der die Verbrennungsprodukte gekühlt und befeuchtet werden, in den Lagerraum 10 geführt. Die Sauerstoffmenge in den Verbrennungsprodukten muß nicht notwendigerweise dem letztlich gewünschten Wert entsprechen, da der ständige Umlauf der Lagerraumatmosphäre eine schnelle Verringerung auf den gewünschten Wert erlaubt.

Nachdem das System 14 eine ausreichend kurze Zeit gearbeitet hat, ist die Sauerstoffmenge in der Lagerraumatmosphäre unter die Normalmenge verringert worden und daher betritt weniger Sauerstoff den Gasgenerator 18, als in üblicher atmosphärischer Luft vorliegt. Durch den erfindungsgemäßen Gasgenerator wird dann weiter Sauerstoff entfernt, auch wenn der Sauerstoffgehalt dabei erheblich weniger wird als üblich ist, bis der Sauerstoff- und Kohlendioxydgehalt der Lagerraumatmosphäre den gewünschten Wert erreicht hat.

Der in Fig. 2 dargestellte Gasgenerator bzw. katalytische Reaktor besteht au3 einem Behälter oder Gehäuse 22, das eine Kammer 23 von im, wesentlichen zylindrischer Form, die senkrecht ausgerichtet ist, enthält. An den untersten und obersten Enden des Gehäuses sind Paare von Verbindungsteilen 24, 26 vorgesehen, um die Herstellung von geeigneten Verbindungen zur Einlaßleitung 28 bzw. Austrittsleitung zu erleichtern. Wenn man das unterste Ende als Einlaßende und das oberste Ende als Austrittsende bezeichnet, dann ist deutlich zu erkennen, daß die Gasströmung durch die Kammer 23 in einer senkrecht nach oben gerichteten Richtung erfolgt.

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Wenn die Luft die Kammer 23 durch das Einlaßverbindungsteil 24 betritt, wird sie mit einem unter Sauerstoffverbrauch verbrennenden Brennstoff gemischt, der durch eine Brennstoffzuführeinrichtung 32 '. in die Kammer 23 geführt wird. Der Brennstoff wird vorzugsweise in Form eines Gases in den Luftstrom eingeführt, um eine vollständige und gleichmäßige Vermischung zu erleichtern. Brennstoffe wie Wasserstoff, Alkane mit bis zu 5 Kohlenstoffatomen und deren Mischungen können verwendet werden. Ein bevorzugter Brennstoff ist Propan, da es billig ist und leicht gehandhabt werden kann, jedoch haben sich auch andere verflüssigte Erdölgase und Brennstoffe wie natürliche Gase und Waseergas als geeignet erwiesen. Die Brennstoffzuführein-

richtung 32 kann jede übliche Form haben und umfaßt eine Mehrzahl von Brennstoffaustrittsoffnungen 34, durch die der Brennstoff in die Kammer 23 eingeführt wird. Da es gewöhnlich wünschenswert ist, daß der Abstrom aus dem katalytischen Reaktor etwas Sauerstoff enthält und damit eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs erreicht wird, wird der Brennstoff in einer vorbestimmten Menge zugeführt, die unter der dem jeweiligen Sauerstoffgehalt der eintretenden Luft entsprechenden stöchiometrischen Menge Brennstoff liegt. Außerdem wird durch Zuführung einer geringeren als der stöchiometrischen Menge Brennstoff erreicht, daß der Reaktor erheblich sicherer arbeitet, als beim Betrieb mit der stöchiometrischen Menge, da die Neigung zur Funkenbildung oder Explosion auf ein Minimum verringert wird. Um zu jeder Zeit ein sicheres Arbeiten des Reaktors zu erreichen, wird ein zusätzlicher Brennstoff-Regler 36 verwendet. Der Brennstoff-Regler 36 umfaßt ein übliches Brennstoffregelventil 38, das eine Veränderung des BrennstoffZuflusses durch die Leitung 40 erlaubt, und eine in Reihe zu dem Brennstoffregelventil 38 angeordnete fest Öffnung 42, die den maximalen Brennstoffzufluß

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durch die Leitung 40 begrenzt. Das Brennstoffregelventil 38 kann von Hand oder automatisch, wie nachstehend beschrieben wird, gesteuert werden.

Die Brennstoff-Luft-Mischung strömt aufwärts durch einen Vorwärraabschnitt 44, in dem die Brennstoff-Luft-Mischung über eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, die durch die Bedingungen im Verbrennungsabschnitt 46 stromabwärts vom Vorwärmabschnitt 44 gegeben ist. Das Erhitzen wird mit Hilfe einer elektrischen Heizvorrichtung 48 vom offenen Typ bewirkt. Die elektrische Heizvorrichtung 48 um faßt eine Mehrzahl von Säulen 50 aus elektrisch isolierenden Rollen 52, die vorzugsweise aus keramischem Material bestehen. Es werden vier solcher Säulen 50 verwendet, von denen in Fig. 2 jedoch nur drei zu sehen sind. Es kann aber auch jede gewünschte andere Anzahl derselben verwendet werden. Die Rollen 52 sind zylinderförmige Isolierkörper, von welchen jede eine tiefe Ringnut 54 aufweist, durch die ihre Zylinderwandung in Scheibenteile 56, 57 unterteilt wird, die als Trennmittel oder Abstandshalter wirken. Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß jede Rolle 52 eine axiale Bohrung 58 zur Aufnahme einer Trägerstange 60 mit Gleitsitz aufweist, und zwar zwecks Anordnung der Rollen 52 in einer Isolierrollensäule 50 jeder gewünschten Länge. Die Stangen 60 werden an ihren Enden von mit Abstand voneinander befindlichen^plattenartigen Haltern 62, 64 getragen, die mit die Stangen 60 aufnehmenden Löchern 66 ausgerüstet sind. Die Halter 62, 64 sind ringförmig ausgebildet, daß heißt, daß sie eine große zentrale Öffnung 68 bzw. 70 haben, um der Durchströmung der Brennstoff -Luft-Mischung den geringsten Widerstand zu bieten. Ein schraubenlinienförmig aufgewickeltes elektrisches Widerstandifrahtelement 72, z.B. ein Standard-Chromnickel-Element, ist um die Säulen 50 im

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^Scheiben oder

wesentlichen .schraubenlinienförmig von einem Halter 62 zum anderen Halter 64 derart aufgewickelt, daß das Element 72 in einem Teil jeder Rollennut 54 festgehalten wird. An jedem Ende der Heizvorrichtung 48 befinden sich Leitungsdrähte 76, 78 zur Verbindung mit einem Regler 80 für die Heizvorrichtung.

Die Heizvorrichtung 48 ist in dem Gehäuse 22 dadurch befestigt, daß sie in die Kammer 23 eingeschoben wird, bis ein Halter bei der dargestellten Ausführungsform der Halter 64, an einen ringförmigen Vorsprung 81 anstößt, der an der inneren Wandfläche 82 der Kammer 23 vorgesehen ist. Der andere Halter 62 wird dann mit üblichen Mitteln, z.B. durch Verbolzen an einem Tragring 83 durch Bolzenlöcher 84, die dicht an der äußeren Kante des Halters 62 vorgesehen sind, befestigt.

Stromabwärts von dem Vorwürmabschnitt 44 der Reaktorkammer 23 befindet sich angrenzend an das Auslaßverbindungsteil 26 der Reaktoroder Verbrennungsabschnitt 46. Der Verbrennungsabschnitt 46 wird an den senkrechten oberen und unteren Enden durch durchlässige Teile 85 bzw. 86 und an den Seiten durch das Gehäuse 22 oder, genauer gesagt, durch die Innenwandoberfläche 82 der Kammer 23 begrenat. Im Verbrennungsabschnitt 46 befindet sich ein Bett 88 aus fein zermahlendem, katalytischem Material zur Förderung der Geschwindigkeit der Verbrennung des Brennstoffs mit dem Sauerstoff der Luft. Die Teile 85 und 86 sind ausreichend durchlässig, um Reibungsverluste während des Gasdurchtritts durch sie so klein wie möglich zu _t halten, und sie sind ausreichend dicht, um das katalytische Material in der gewünschten Lage zu halten. Als katalytisches Material, bzw. Katalysator sind viele handelsmäßig verfügbare Materialien geeignet, z.B. Platin, Iridium oder Palladium, die auf inerten Trägern, wie Aluminiumoxyd, niedergeschlagen sind.

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Wie vorstehend bereits erwähnt, ist der katalytische Reaktor 18 senkrecht ausgerichtet und die Strömungsrichtung geht senkrecht nach ■oben. Der hauptsächliche Vorteil einer solchen Ausrichtung besteht darin, daß eine Verdichtung des pulverförmigen oder granulierten katalytischen Materials zu einer Beschaffenheit, die eine ungleichmäßige Verteilung des Katalysators über den Querschnitt des Bettes 88 bewirken würde, bei der Kanäle mit geringerem Widerstand gegen den Durchtritt der Strömung gebildet .werden würden, verhindert wird. Dadurch, daß der Reaktor 18 senkrecht ausgerichtet ist und der Durchtritt durch das Bett 88 in entgegengesetzter Richtung zur Richtung der Schwerkraft erfolgt, wird vielmehr die Neigung zur Kanalbildung und zur Verdichtung des Katalysators auf ein Minimum verringert.

Die katalytische Oxydationsurasetzung erfolgt an der Katalysatoroberfläche. Brennstoff- und Sauerstoffmoleküle werden zunächst an der Oberfläche und in den Poren des Katalysatormaterials, die als v/irksame Stellen dieser Materialien bekannt sind, adsorbiert. Die Art der katalytischen¹ Oxydation läßt zu, daß die Umsetzung weitergeht, wenn die Sauerstoffkonzentration weit unterhalb der von normaler Luft und unterhalb derjenigen liegt, die für eine Fortsetzung der Umsetzung bei einer üblichen Flammenumwandlung erforderlich ist. Daher ist, je größer'die Berührung von Sauerstoff- und Brennstoffraelokülen mit der zur Verfügung stehenden Oberfläche des katalytischen Materials ist, die Wirksamkeit und die Geschwindigkeit der Umsetzung umso größer. Um eine noch bessere Arbeitsweise und eine optimale Wirkung des katalytischen Bettes 88 zu erreichen, soll die durch das Bett 88 hindurchtretende Brennstoff-Luft-Mischung im Zusta»d einer turbulenten Strömung und nicht in dem einer laminaren Strömung vorliegen. Wenn laminare Strömungsbedingungen überwiegen,

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können die Diffusion der Luft- und Brennstoffmoleküle in und aus den Poren des Katalysators und nicht die katalytische Wirksamkeit des Materials selbst der die" Reaktionsgeschwindigkeit regelnde Faktor werden. Das Kriterium'zur Einstellung einer turbulenten Strömung ist die Reynold'sche Zahl, die vom Durchmesser des Kanals, durch den die Flüssigkeit fließt, der Geschwindigkeit der Flüssigkeit und der kinematischen Viskosität der Flüssigkeit abhängt. Es wurde gefunden, daß mit einem Katalysatormaterial mit einem mittleren Durchmesser von 0,318 cm eine Brennstoff-Luft-Mischung einer Temperatur von zwischen 316 und 427 C eine Geschwindigkeit von über 76,2 m je Minute erfordert, um die gewünschte turbulente Strömung zu erhalten.

Die Wirkung des katalytischen Materials auf die Verbrennung der Brennstoff-Luft-Mischung ist gering, bis die Temperatur des katalytischen Materials über seine Aktivierungstemperatur erhöht worden ist, die von dem besonderen verwendeten Katalysator abhängt. Für Katalysatoren der vorstehend erwähnten Art beträgt die Aktivierungstemperatur etwa 26O⁰C. Wenn die Sauerstoffkonzentration der Luft ausreichend unterhalb der Konzentration liegt, die üblicherweise in Luft vorliegt, oder wenn die Brennstoffmenge geringer ist als die stöchiometrische Menge, die der Sauerstoff menge in der Luft entspricht, dann reicht die durch die Umsetzung entwickelte 7ärme nicht aus, um die Temperatur des Katalysatorbettes bei oder über der Aktivierungstemperatur zu halten. Es kommt hinzu, daß der stromaufwärts liegende Teil des Bettes 88 mit der kalten Brennstoff-Luft-Mischung zusammentrifft, die die Temperatur des Katalysators im vorderen Teil des Bettes verringert, sogar wenn die durch die Umsetzung entwickelte Wärme relativ hoch ist. Dadurch wird die Wirksamkeit des vorderen Teiles verringert, wodurch dann die in diesem Bereich entwickelte

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. . " Wärme geringer wird. Es wird daher zusätzlich Wärme dem System zugeführt, um die erforderliche Temperatur über das gesamte Bett aufrecht zu halten» Bei der gezeigten Ausführungsform wird die zusätzliche Wärme durch die elektrische Heizvorrichtung 48 erzeugt, "die . der Brennstoff-Luft-Mischung während der Vorwärmstufe ausreichend Energie verleiht, sodaß die Ergänzung durch die Reaktionswärme die Verbrennungsprodukte eine ausreichend hohe Temperatur haben, um. die Temperatur des katalytischen Bettes oberhalb der Aktivierungstemperatur zu halten.

Um sicherzustellen, daß das Bett 88 auf der gewünschten Temperatur gehalten wird, ist es notwendig, die Temperatur des katalytischen Materials abzufühlen. Es sind daher Temperaturfühler oder Thermoele mente 90 im Katalysatorbett 88 vorgesehen, wobei die Leistung des Thermoelements 90 zum Regler 80 für die Heizvorrichtung geführt wird, damit die Leistung der elektrischen Heizvorrichtung 48 bei ei nem Wert gehalten wird, der die erforderliche Energieabgabe in die Brennstoff-Luft-Mischung bewirkt. Der Regler 80 für die Heizvorrich tung kann jeder elektrische oder elektro-mechanische Regler sein, der in Antwort auf die Abgabe des Thermoelementes 90 die Heizvorric tung 48 mit Energie versieht, wenn die Temperatur des Bettes 88 unter einen vorbestimmten Wert abfällt.

Wie vorstehend erwähnt, kann das Brennstoffregelventil 38 von Hand

oder automatisch gesteuert werden. Die beiden regelnden Parameter, ο
° ' von denen die Brennstoff-Zufuhrgeschwindigkeit abhängt, sind die

* Temperatur des katalytischen Materials und die Saueratoffmenge in.

>. der eintretenden Luft. Zu Beginn iat ea wesentlioh, daß der Brenn-

-* stoff nicht in die Kammer 23 geführt wird, ehe die Temperatur des

—* ■ *

*" - katalytischen Materials oberhalb der Aktivierungatemperatur liegt. Es wird daher nur Luft durch die Kanter 23 geführt und von der .Uk

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trischen Heizvorrichtung 48 erwärmt, die danach das katalytische Material erwärmt, bis dessen Temperatur oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt. Wenn die Temperatur des katalytischen Materials oberhalb dieses vorbestimmten Viertes liegt, wird das Brennstoffventil 38 entweder von Hand oder durch automatische Mittel geöffnet, die durch die Leistung des Thermoelementes 90 geregelt werden, beispielsweise durch eine (nicht gezeigtejMagnetspule.

Um eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs sicherzustellen, wird die Brennstoffzuführgeschwindigkeit zunächst bei einem Wert gehalten, der unter der dem Sauerstoffgehalt der eintretenden Luft entsprechenden stöchiometrischen Brennstoffmenge liegt. Bei dem in Fig. 1 erläuterten System ist der Sauerstoffgehalt der Luft zu Beginn gleich dem von normaler Luft, das heißt 21 %, und der Brennstoff wird in einer Menge zugeführt, die der Luft mit einem Gehalt von 10 bis 12 % Sauerstoff entsprechenden stöchiometrischen Menge entspricht. Wenn das System arbeitet, fällt der Sauerstoffgehalt im Lagerraum 10 ab und es wird daher notwendig, entsprechend die Brennstoffzuführgeschwindigkeit zu verringern. Wenn beispielsweise der Sauerstoffgehalt etwa 12 % beträgt, muß die Brennstoffmenge auf einen Anteil verringert werden, der etwa Luft mit einem Sauerstoffgehalt von 6 % entspricht. Eine übBche Sauerstoff-Analysevorrichtung, die schematisch dargestellt und mit der Bezugszahl 92 versehen ist, ist stromaufwärts von den Brennstoffaustrittsöffnungen 34 eingebaut, um den Sauerstoffgehalt der eintretenden Luft zu ermitteln. Die Analysenangaben der Sauerstoff-Analysevorrichtung 92 werden zu üblichen Reglerventilen 94, beispieleweise Solenoiden, geleitet, die wiederum den Brennstoffzuflufl durch die Brennstoffzuführleitung 40 verändern. Die Brennstoffzufuhr kann kontinuierlich.

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oder absatzweise verändert werden. Durch Einstellung der Brennstoff-. menge auf einen VL rt unter der der eintretenden Sauerstoffmenge entsprechenden stöchiometrischen Menge wird bei diesem System sichergestellt, daß der Brennstoff nicht einen Teil des Abflusses aus dem katalytischen Reaktor 18 bildet. Ein weiter Vorteil besteht darin, daß durch das A_rbeiten mit einer brennstoffarmen Brennstoff-Luft-Mischung eine verstärkte Sicherheit erreicht wird.

Um die erforderliche Energiezufuhr durch die Heizvorrichtung 48 durch Verringerung von äußeren Wärmeverlusten so gering wie möglich zu halten und um eine verbesserte gleichmäßige Temperatur über das gesamte Katalysatorbett 88 zu erhalten, ist die Kammer 23 mit. einer thermischen-Isolierschicht 96, beispieleweise aus Magnesiumoxyd, versehen. Die Isolierung reicht von dem stromaufwärts gelegenen Ende des Heizabschnittes 44, der durch den Halter 62 begrenzt wird, bis zu dem stromabwärts gelegenen Ende des Verbrennungsabschnittes 46, der durch das §ieb 85 begrenzt wird. Um die Isolierung 96 befestigen zu können, ist das Gehäuse 22 aus konzentrisch zueinander sowie mit Abstand voneinander angeordneten Wänden 98, 100 hergestellt, zwischen denen die Isolierschicht 96 eingefügt ist. Wenn gewünscht,

kann die Dicke der Isolierung im Verbrennungsabschnitt 46 verstärkt werden, indem eine zusätzliche Innenwand 102 vorgesehen und zwischen dieser und die nächste angrenzende Wand 100 eine Isoliermasse angeordnet wird.

Ein anderes Verfahren zur Verringerung von Wärmeverlusten und zur Erreichung einer thermischen Stabilität oder von großem thermischen Beharrungsvermögen besteht darin, ein tiefes Bett von relativ großer Gesamtmasse vorzusehen. ' ·

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Die durch das Austrittsverbindungsteil 26 austretenden Verbrennungsprodukte enthalten Stickstoff, Kohlendioxyd, Spuren von Inertgasen und Sauerstoff in einer gewünschten Konzentration, die geringer ist, als die in den katalytischen Reaktor eingeführte Menge. Da der Reaktor bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen im Vergleich zu Flammenbrennern arbeitet, beispielsweise der Reaktor bei 482⁰C und der Flammenbrenner bei 1371°C, ist auch die Temperatur der Verbrennungsprodukte erheblich niedriger.

In der in Fig. 2 dargestellten und vorstehend erläuterten Ausführungsform ist gezeigt, daß die Brennstoff-Luft-Mischung vorerwärmt

wird, ehe sie in den Verbrennungsabschnitt 46 eintritt. Es sei darauf hingewiesen, daß die zusätzliche Energie auch direkt in das katalytische Material eingeführt werden kann, wenn man Heizelemente (nicht gezeigt) im Katalysatorbett 88 selbst vorsieht. Die Vorerwärmung wird jedoch vorgezogen, da sie die Zugänglichkeit der Heizelemente für Reparaturen und Instandhaltung erleichtert und eine gleichmäßigere Wärmeverteilung über den Querschnitt des Reaktors 18 erlaubt, weil in das Katalysatorbett 88 eingebettete Heizelemente dazu neigen, den Katalysator auf Grund der Unterschiede in der Wärmeausdehnung zwischen Katalysatormaterial und den Heizelementen abzuschaben oder zu korrodieren.

Es sei des weiteren darauf hingewiesen, daß die Temperaturfühler oder das Thermoelement 90 auch stromabwärts vom Katalysatorbett 88 angeordnet sein können und nicht, wie vorstehend beschrieben, darin eingebettet zu sein brauchen. V/enn sie stromabwärts vom Katalysatorbett angeordnet sind, ist es notwendig, die Temperatur der Verbren- , nungsprodukte als Funktion der Katalysatorbettemperatur zu eichen, sodaß die Messung der Temperatur der Verbrennungprodukte als Maß

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für die Temperatur des*Katalysatorbettes dienen kann.

Die vorstehenden Ausführungen zeigen deutlich, daß der erfindungsgemäße Reaktor eine völlig sichere Vorrichtung ist, die den Sauerstoffgehalt eines Gasstromes auf jeden gewünschten Wert verringert. Der Reaktor '18 wirkt unabhängig vom Sauerstoffgehalt und arbeitet wirksam mit als solcher ungeeigneter Luft, wodurch er besonders vorteilhaft in einem geschlossenen System wird, in dem eine erzeugte Lageratmosphäre umläuft, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Der Reaktorabfluß hat darüberhinaus eine verhältnismäßig niedrige Temperatur, wodurch die zur Senkung der Abflußtemperatur auf eine gewünschte Lageratmosphäre von z.B. 0 bis 5°G erforderliche Kühlung auf ein Minimum verringert wird. Die Konstruktion des erfindungsgemäßen Reaktors 18 erleichtert die Instandhaltung und benötigt nur minimale Betriebskosten. Außerdem ist eine im wesentlichen vollständige automatische Regelung über das Gesamtverfahren des Reaktors möglich.

Abweichungen von den vorstehend erläuterten Ausführungsformen sind möglich. Beispielsweise kann statt des senkrecht ausgerichteten Reaktors mit zylindrischem Querschnitt, der bevorzugt wird, ein waagerecht ausgerichteter Reaktor mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden.

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Claims

Dipl.-lng. 51 Aachen, den 12. Kai 1966

RUNO SCHMETZ AugustasfraBe 14-Id- Telefon34731

Patentanwalt Aw 1517977

Atlantic Research Corporation in Alexandria, Virginia (V.St.A.) Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Gases mit niedrigem Sauerstoffgehalt aus sauerstoffhaltigen Gasen unter Verwendung eines Gasgenerators mit Katalysatorbett, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gas mit einem Sauerstoffgehalt unter dem Sauerstoffgehalt von normaler atmosphärischer Luft mit einem Sauerstoff verbrennenden Brennstoff in solchen Anteilen vermischt, daß die Menge des zugeführten Brennstoffs geringer ist als die dem Sauerstoffgehalt entsprechende stöchiometrische Menge, die Mischung über ein auf eine vorbestimmte Temperatur erhitztes katalytisches Ilaterial führt und dabei die Erhitzungsgeschwindigkeit des katalytischen Ilaterials entsprechend der Temperatur der Gas-Luft-Mischung so verändert, daß das katalytische Material bei einer Temperatur oberhalb der vorbestimmten Vorwärmtemperatur bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dai. man eine erhitzte Gas-Luft-Mischung in turbulenter Strömung durch das Bett des katalytischen Materials führt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Sauerstoffgehalt des sauerstoffhaltigen Gases während der Verfahrensdurchführung in dem Gasgenerator zwischen dem Sauerstoffgehalt von normaler Luft und einer wesentlich darunter liegenden Konzentration schwankt.

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4· Gasgenerator zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An- *. sprüche 1 bis 3 mit einem Behälter, einer Kammer und einem Katalysatorbett, gekennzeichnet, durch-eine Vorwärmzone (44), eine Verbrennungszone (46), Mittel"für die Zufuhr (32, 34) und Regelung (36, 38) des Brennstoffs beim Zumischen einer vorbestimmten Menge des Brennstoffs zu einem sauerstoffhaltigen Gas vor der katalytischen Behandlung, Mittel (48) zum Erwärmen des katalytischen Bettes (88) auf eine vorbestimmte Temperatur sowie Temperaturregler (80) und Temperaturfühler (90) zur Regelung der Heizvorrichtung (48) entsprechend der Temperatur des Katalysatorbettes (88).

5· Gasgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dai; zwischen dem Temperaturfühler (90) und dem Katalysatorbett (88) eine Wärmeübertragung erfolßt oder der Temperaturfühler (90) stromabwärts vom Katalysatorbett (88) angeordnet ist und eine Wärmeübertragung auf diesem von dem Reaktorabstrom stattfindet.

6. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dal. die Mittel zur Regelung der Brennstoffzufuhr eine feste öffnung (42) umfassen, durch deren Gröi.e die zugeführte Menge Brennst off beschränkt wirtl und die vorzugsweise in Reihe irdt einem Regelventil (38) angeordnet ist.

7. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, da£ die Brennstoffzuführmittel mit einer Analysenvorrichtung (92) für Sauerstoff in Verbindung stehen, die den Sauerstoffgehalt des säuerst off haltigen -Gases prüft und die Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von diesen Sauerstoffgehalt regelt.

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3,0

0. Gasgenerator nach einen der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dai er ein Katalysatorbett (88) aus fein zerkleinertem, katalytischem Ilaterial aufweist.

9. Gasgenerator nach eine:.; der Annjräche U bis 8, dadurch gekennzeichnet, ciaJ er offene elektrische "./iderstandsheizelemente (72) zum Erhitzen des Katalysatorbettes (88) enthält.

10. Gasgenerator nach einem der Ansprüche A bis 9, dadurch gekennzeichnet, dai. die Heizvorrichtung (48) für das Katalysatorbett (88) stromaufwärts von diesen angeordnet ist und zur Krv/ärmung des sauerstoffhalt igen Gaises dient.

11. Verwendung deo Verfalirens nach einer, der Ansprüche 1 bis 3 und/ oder des Gasgenerators nach einem der Ansprüche 4 bis 10 zur Verringerung des Sauerstoffbehälter in einem geschlossenen System, vorzugsweise einem La^ersystei.. für I.'ahrungsiüittel, bei dei:: die Lageratmosphäre innerhalb eines La^crraur.s durch Gas erzeugende und reinigende .\ittel u: .läuft und zurück in den Lagerraum geführt v.'ird.

BAD ORiGiNAL

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