DE187077C

DE187077C -

Info

Publication number: DE187077C
Application number: DENDAT187077D
Authority: DE

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE'12«. GRUPPE

. Dr. MAX NEUMANN in BERLIN.

in Kesselapparaten.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 1. Juli 1904 ab.

Bei den Kontaktkesseln gebräuchlicher Art zur Darstellung von Schwefelsäureanhydrid ist die Eintrittsgeschwindigkeit der durch Kompressoren oder Rotationsluftpumpen beförderten Gase in die Kessel eine sehr große; auch wirkt Saugkraft sowohl bei Eintritt der Gase in die Kontaktkessel, weil sich hier 2VoL-SO₂ und ι Vol. O zu 2VoL₁SO₃ verdichten, als auch hinter diesen durch weitere erhebliche Vqlumverminderung, hervorgerufen durch Abkühlung der 400 bis 500⁰ C. heißen Kontaktofengase auf etwa 50⁰ C. und durch Absorption des S O₃ und schließlich, weil meist die Endgase in einen Schornstein abgeleitet werden. Irrtümlich wird nun angenommen, daß die durch A nach B (Fig. 3 und 4) einströmenden Gase unter gleichmäßiger Verteilung ihre Geschwindigkeit sehr stark reduzierend, mit gleichmäßiger Geschwindigkeit, die verschiedenen Kontaktmassen gleichmäßig durchdringen, um sich • am Ende des Apparates wieder zu vereinigen und den Apparat durch C zu verlassen. Der Gang der Gase würde dann eben der in Fig. 3 und 4 angedeutete sein. Daß diese Annahme irrig und der Gang der Gase vielmehr nur ein solcher sein kann, wie ihn Fig. ι und 2 zeigen, ergibt sich aus folgendem: Bei einem beispielsweise für die Produktion von 6000 kg Schwefelsäuremonohydrat gebräuchlichen Durchmesser des Gaszuleitungsrohres von 225 mm, ' entsprechend rund 40000 qmm Querschnitt, muß der Gasstrom in dem für die Beweisführung ungünstigten Falle, daß der Kontaktkessel mit nicht porösen Kontaktkörpern beschickt ist, 40

auf 80 000 qnim (entsprechend einem Durchmesser von 320 mm) ausgedehnt bezw. verteilt werden, da die Kontaktkörper als Kugeln gedacht annähernd ebensoviel Raum einnehmen, als sie zwischen sich in den Passagen frei lassen nach der Formel

r ^T j* j,

J= -^-Tt-d⁶ = 0,5236 · d⁶.

45

Selbstverständlich wird der Reibungswiderstand, den die Kontaktkörper den durchströmenden Gasen entgegensetzen, eine Verringerung der Geschwindigkeit und damit eine Ausdehnung des Gasstromes zur Folge haben. Auf Grund der kinetischen Energie der Gase muß auch das Diffusionsbestreben eine weitere Vermischung der Gase bewirken, so daß der ursprüngliche Gasstrom unzweifelhaft unter weiterer Verminderung seiner Geschwindigkeit einen erheblich größeren Querschnitt einnehmen wird, als jenem Durchmesser von 320 mm entspricht. Hauptsächlich werden es die äußeren Gasschichten sein, die besonders zu diffundieren bestrebt sind, und zwar je mehr, desto weiter sie sich vom Eingange entfernen, bis etwa von der Mitte des Kessels ab sich wieder die sammelnde Saugwirkung bemerkbar machen wird. Außer dieser Diffusionstension, deren Wirksamkeit nicht geleugnet werden soll, ist aber auch die ihr entgegenwirkende, die Gase zusammenhaltende Durchströmungsbewegung in Rechnung zu ziehen, die bisher vollständig vernachlässigt worden ist. Wie ein in einen See sich ergießender Strom trotz des vorhandenen osmotischen Druckes diesen ohne

besonders wahrnehmbare Mischung mit dem Wasser des Sees zu durchfließen vermag, so ist im entsprechenden Sinne ein derartiges Bestreben auch bei jedem in einen mit Gasen gefüllten Raum sich ergießenden Gasstrom vorhanden, und zwar in um so größerem Maße, je größer die Geschwindigkeit ist, mit welcher der Gasstrom in dies Medium eintritt. Diese Durchströmungstension bei einer

ίο Eintrittsgeschwindigkeit der Gase von 1500 cm in der Sekunde wird bei einer etwa 250 cm betragenden Länge des durchströmten Raumes der üblichen Kontaktkessel, eine ganz bedeutende Wirkung haben, und zwar noch um so mehr, als ja am Ende des Kessels andauernd starke Saugwirkung vorhanden ist. Selbst in · dem höchst unwahrscheinlichen Falle, daß trotz jener starken zusammenhaltenden Wirkung der Gasstrom auf diesem kurzen Wege durch kinetische Energie und Reibung einen zehnmal so großen Querschnitt erreiche, als er unbedingt erlangen muß, d.h. bei 10 X 8000ό qmm = 800000 qmm Querschnitt einem Rohrdurchmesser von etwa 1000 mm entspräche, während die bisher für die angenommene Produktion von 6000 kg H₁ S O₄ beispielsweise gebräuchlich gewesenen zwei hintereinander geschalteten Kontaktkessel einen Durchmesser von etwa 1750 mm = 240 000 qmm Querschnitt haben, würde somit in diesem Falle in diesen Kesseln tatsächlich der größte Teil der Kontaktmasse, etwa '²/₃ derselben, bisher nicht zur Wirksamkeit gelangt sein.

Durch das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Verfahren wird der Gasstrom genötigt, sich, wie bisher als selbstverständlich angenommen, sofort beim Eintritt in den Reaktionsraum gleichmäßig zu verteilen, so daß die Kontaktmasse an allen Punkten von dem Gasstrom annähernd mit der gleichen, stark reduzierten Geschwindig-

. keit passiert wird, während bei der bisher üblichen Arbeitsweise nur' die äußeren Schichten des Gasstromes eine wesentlich geringere Geschwindigkeit erhielten, die inneren, achsialen aber mehr oder minder mit der Eintrittsgeschwindigkeit die Kontaktschichten passieren müssen. Durch ein solches Verfahren werden die in dem obigen Beispiel bisher zur Inaktivität verurteilt gewesenen ²/₈ der Kontaktmasse gleichfalls zur vollen Wirksamkeit gelangen und der bisher nur zur Fabrikation von 6000 kg H₂ S O₄ ausreichende Apparat wird somit eine Fabrikationskapazität von 3x6000 = 18 000 kg H₂ S O₄ erhalten.

Den Gasen wird gemäß vorliegender Erfindung der freie direkte Durchgang durch den Apparat dadurch erschwert, daß man für alle übereinander gelagerten Kontaktschichten eine feinste, also den größten Widerstand bietende Kontaktmasse in 1 (Fig. 5 und 6), d. h. um die Achse herum verlegt, worauf man eine zweite, weniger feine, ringförmige, konzentrische Schicht folgen läßt und so fort, bis an der .Mantelwand die gröbste Schicht lagert; den Gasen wird somit die Passage von der Achse nach dem Mantel zu fortschreitend erleichtert und dementsprechend werden Gasteile nach dorthin abgelenkt.

Die Größe der Kontaktkörperchen und" damit ihr den Gasen entgegen zu setzender jeweiliger Reibungswiderstand kann für jeden Punkt der Passage so berechnet und gewählt werden, daß die Gasgeschwindigkeit, gewissermaßen die Komponente aus Durchströmungstension und Reibungswiderstand, für jeden Punkt der Apparatur annähernd dieselbe ist, also somit eine gleichmäßige Gasverteilung erzielt wird.

Zweckmäßig verfährt man in der Weise, daß man auf die zwei oder mehr Siebböden jedes Apparates, welche die Kontaktmasse zu go tragen haben, oben und unten offene konzentrische Blechzylinder stellt, und zwar beispielsweise den ersten achsialen von 782 mm Durchmesser, den zweiten von 1100 mm Durchmesser, den dritten von 1350 mm Durchmesser, den vierten von 1560 mm Durchmesser, während der fünfte bei 1750 mm Durchmesser durch den Kesselmantel gebildet wird. Die hierdurch gebildeten Abteilungen — Zylinder bezw. Ringe — werden mit verschiedenartig gekörntem Kontaktmaterial so ausgefüllt, daß in 1 das feinste und in 5 das gröbste zu liegen kommt, wie Fig. 5 und 6 zeigen. Natürlich kann man auch noch mehrere solcher Ablenkungsabteilungen bilden und noch andere Verteilungsverhältnisse wählen. "

Die Oberflächenberechnung dieser Kontaktkörperchen — Kugeln —■. ergibt, daß die Summe aller ihrer Oberflächen, in diesem Falle also der Reibungswiderstand, den sie den durchdringenden Gasen entgegensetzen, mit abnehmendem Durchmesser wächst, und zwar so, daß er diesem umgekehrt proportional ist, d. h. bei Kugeln von z. B. 2,5 mm Durchmesser achtmal größer als bei Kugeln von 8 X 2,5 = 20 mm Durchmesser. Füllt man z. B.

Zylinder 1 mit Korngröße von 5 mm Durchmesser

Ring. .. 2 - - - 5,7 - -

Widerstand ⁸/₈>

- ■ V₈,

- 7s.

V₈

/S'

so ist auf diese Weise die zwangsweise gleiche mäßige Verteilung des eintretenden Gasstromes mit gleichmäßig reduzierter Geschwindigkeit während des Durchganges durch den Kontaktraum mit Leichtigkeit zu erreichen und damit bei geeigneter Ableitung der Reaktionswärme eine nahezu theoretische Umsetzung gewährleistet.

Obwohl bei dieser Gasverteilung, falls es

ίο sich um eine Produktion von nur 6000 kg H₂ S O₄ handeln würde, die Gefahr der Überhitzung der achsialen Teile an und für sich in dem Maße nicht zu befürchten wäre wie bei den jetzt gebräuchlichen Kontaktapparaten und ihren Kontaktmassen, so erfordert der Apparat doch, zumal er bei der vorgeschlagenen Kontaktmaterialanordnung das dreifache, also 18000 kg H₂SO₁ leisten soll, zur besseren Ableitung der achsialen Wärme, da

sonst hier Überhitzungen unvermeidlich wären, einer besonderen Vorrichtung, darin bestehend, daß ein unter der ersten Hälfte der untersten Schicht einmündendes Rohr in die Achse des Kessels gelegt wird, welches letzteren bis über die' oberste Schicht hinaus durchzieht und den Kessel oben neben dem Gasaustrittstutzen verläßt (Fig. 7). Das Rohr ist an seinem Eingange mit einem Hahn versehen, mittels dessen der Zufluß der Kühlluft nach Bedürfnis geregelt wird; das auf 200 bis 300⁰ C. erhitzte Rohr wirkt wie ein Schornstein und hat starke Saugkraft. Es ist notwendig, das Rohr über der unteren Hälfte der ersten Schicht eintreten zu lassen,

35- da in den meisten Fällen das Temperaturoptimum in der ersten Schicht erst erreicht werden soll, eine zu frühe Kühlwirkung hier also geradezu nachteilig sein würde.

Beschrieben ist bereits die Regelung der Temperatur durch horizontal oder vertikal eingebaute Kühlrohre, die den Kontaktraum durchlaufen, jedoch ohne Angabe einer bestimmten Stelle in ihm. Demgegenüber findet bei der vorliegenden Erfindung die Kühlung in der Achse selbst statt, da erkannt worden ist, daß gerade hier sich die größte Schädlichkeit der Überhitzung der Kontaktmasse zeigt, indem das bereits gebildete 5 O₃ an dieser Stelle am leichtesten der Dissoziation in S O₂ und Sauerstoff ausgesetzt ist.

Die energischste Reaktion findet in der oberen Hälfte der ersten Schicht und in der zweiten statt. Hier muß deshalb am stärksten gekühlt werden, einerseits durch die mittels des Kühlrohres einzulassende kalte Luft, andererseits durch die geringste Isolation der Kesselwände gerade an dieser Stelle.

Ist es so möglich geworden, während dieses Hauptoxydationsprozesses das Temperaturoptimum einzuhalten, also Dissoziationen zu vermeiden, so wird es auch leicht sein, den Oxydationsprozeß der noch restierenden 20 bis 30 Prozent S O₂ unter denselben günstigen Bedingungen in der dritten und vierten Schicht in demselben Apparat oder in einem zweiten zu Ende zu führen, bei natürlich progressiv verstärkter Isolation und einer Rohrkühlluft, die, von unten emporsteigend und sich erwärmend, hier ohne Mühe auf 200 bis 300 ° C. zu halten sein wird. Befürchtet man, daß bei einer derartigen Intensivproduktion, die anstatt 6000 kg H₂ S O₄ in demselben Apparat 18000 kg erzeugen soll, es trotz der achsialen Kühlung nicht möglich sein sollte, die große Menge der entwickelten Reaktionswärme zu entfernen und so verhängnisvolle Überhitzungen zu veranlassen, so können entweder weitere Kühlmittel zur Regelung der Temperatur zur Anwendung kommen oder der Apparat kann in seiner Form in Durchmesser und Höhe so reduziert werden, daß er beispielsweise gerade zur Produktion von 6000 kg H₂ S O₄ ausreichen würde. Der Wert der Anwendung der Kontaktmasse und der achsialen Kühlung bleibt auch für diesen Fall derselbe.

Die technischen Vorteile dieses Verfahrens sind:

1. Eine bedeutende Ersparnis des bisherigen Platinaufwandes, da kein Punkt der Kontaktmasse von den durchströmenden Gasen unberührt bleibt und keine inerten Räume mehr entstehen;

2. eine längere Wirksamkeit der Masse, die nicht wie bisher hauptsächlich nur in ihren achsialen Teilen, sondern überall gleichmäßig in Anspruch -genommen wird;

3. die Erhöhung der Umsetzung von 95 bis 97 Prozent auf 99 bis 100 Prozent, da Dissoziationen des bereits gebildeten S O₃ in S O₂ und O in den achsialen Teilen durch geregelten, weniger stürmischen Verlauf der Reaktion ausgeschlossen sind.

Claims

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren zur Darstellung von Schwefelsäureanhydrid mittels Kontaktsubstanzen in Kesselapparaten, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kontaktkesseln nach seiner Korngröße getrenntes Kontaktmaterial in der Weise angeordnet ist, daß das feinste Material in der Achse der Kessel und um dieses herum, nach der Wandung der Kessel zu immer weniger feines Material gelagert wird, und daß man das Gasgemenge in den Kontakt- · kesseln in der Richtung ihrer Achse abkühlt.

2. Apparat zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den zur Aufnahme der

Kontaktsubstanz dienenden Siebträgern beiderseitig . offene konzentrische Blechzylinder angeordnet sind, . zum Zwecke, zylinder- oder ringförmige Räume für das Kontaktmaterial von verschiedener Korngröße zu schaffen, und daß über dem ersten Kontaktmassenträger ein mit Regulierhahn versehenes Rohr in den Kessel eingeführt ist, das die Achse des Kessels von unten nach oben durchzieht und über der obersten Kontaktschicht den Kessel verläßt.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.