DE1907027B2 - Vorrichtung zur Behandlung einer Verbindung in der Gasphase an einem Feststoff - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs I.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (US-PS 43 773) verläuft die Gasströmung von Gaszuströmkanälen aus quer durch Kammern für den Feststoff mit gasdurchlässigen Wänden hindurch zu Gasabströmkanälen. Mit der Feststoffbettdurchströmung ist ein Druckabfall verbunden. Außerdem verstopfen sich durchströmte Feststoffbetten bereits nach kurzer Zeit, wenn feste Teilchen enthaltende Gase behandelt Y) werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Vorrichtung strömungsgünstiger, insbesondere für den Fall von feste Teilchen enthaltenden Gasen, zu gestalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung emndungsgemäß so ausgebildet, wie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben.

Unter »Adsorption« wird vorliegend rein physikalische Adsorption verstanden, wobei weder die adsorbicrte Verbindung noch das Adsorbens selbst chemisch verändert werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können beispielsweise Gasmischungen gereinigt werden, die eine oder mehrere, im Hinblick auf die Luftverschmutzung gefährliche Verbindungen enthalten. Beispiele derartiger Verbindungen sind Schwefeldioxyd, Schwefeltrioxyd und Stickstoffoxyde, sowie verbrennbar Rückstände in den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere auch zur Reinigung von Industriegasen, z. B. Abgasen, die Asche- und Rußteilchen enthalten. Die Gasbehandlung kann bei hohen Temperaturen stattfinden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusammen mit dem Gas an den Kammern für den Feststoff entlangströmende feste Teilchen geben nicht zu einer VergröÜerung des Druckabfalls und auch nicht zu einer unerwünschten Vergiftung des Katalysators oder Adsorptionsmittels Anlaß. Die Gaskanäle sind an beiden Enden offen. Die die Gaskanäle begrenzenden Wände weisen öffnungen und/oder Poreniauf, die groß genug sind, um einen Durchgang der Moijeküle der zu behandelnden Gasmischung mittels Molek'ulardiffusion durch die Wände zu gestatten, so daß das zu behandelnde Gas mit dem hinter den Wänden angeordneten Katalysator oder Adsorptionsmittel in Berührung kommt.

Die Kammern sind parallel zueinander angeordnet, wobei die dadurch gebildeten Gaskanäle sich zu den gegenüberliegenden Gaseinlaß- und Gasauslaßieitungen öffnen. Vorzugsweise haben die Kammern die Form von flachen Kästen. In diesem Fall ist der Querschnitt der Gaskanäle rechteckig und sie haben ein großes Verhältnis von Länge zu Breite. Es können beispielsweise auch mehrere Kammern in Form von koaxialen Hohlzylindern angeordnet sein.

Die Länge der Gaskanäle beträgt üblicherweise ein Mehrfaches des Abstandes zwischen den Kanalwänden. Diese Länge bestimmt sich zur Hauptsache durch die Konzentration der umzuwandelnden Komponenten an der Einlaßseite der Gaskanäle, nach dem gewünschten Umwandlungsgrad, der Lineargeschwindigkeit der Gasmischung in den Gaskanälen, der Breite der Gaskanäle und der Aktivität des angewendeten Katalysators oder Adsorptionsmitiels. Im allgemeinen kann festgestellt werden, daß die Länge der Gaskanäle vorzugsweise ein Mehrfaches der für eine theoretische Massenübergangsstufc erforderlichen Länge ist. In der Praxis wird die Länge der Gaskanäle derart gewählt, daß sie der Länge von mehreren, beispielsweise 5 bis 10 theoretischen Massenübergangsstufen entspricht.

Weitere zur Erfindung gehörende Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine Breite der Gaskanäle von 3 bis 50 mm dient einem sehr geringen Druckabfall über die gesamte Kanallänge. Besonders vorteilhaft ist eine Breite der Gaskanäle zwischen etwa 5 und 20 mm.

Im Hinblick auf die Gasströmung und den Durchtritt des Gases durch die durchlässigen Wände werden die Abmessungen der Kammern und ihr Abstand innerhalb Hes Gehäuses vorzugsweise so gewählt, daß die Breite der Gaskanäle größer als die der Kammern ist.

Die durchlässigen Wände der Gaskanäle können mit einem gasdurchlässigen Filtermaterial bedeckt sein. Dieses Filtermaterial kann auf der Innenseite der Kammern und/oder im Raum des Gaskanals selbst angeordnet sein. Die Moleküle der Gasmischung treten durch das Filtermaterial hindurch und kommen dadurch mit dem Katalysator oder Adsorptionsmittel in Berührung, das in den Kammern angeordnet ist. Das Filtermaterial hält gegebenenfalls im Gas vorhandene Feststoffteilchen besonders wirksam vom Inneren der Kammern fern. Das Filtermaterial verhindert weiterhin, daß Teilchen des Katalysators in die Gaskanäle gelangen, wodurch ein Zerfall der Katalysatorteilchen in sehr kleine Einzelteilchen verhindert wird und damit

auch kein Katalysatorverlust auftritt. Das Filtermaterial kann durch beliebige Mittel festgehalten werden, beispielsweise durch perforierte Platten, durch Drähte oder Grobgaze. Eine Anwendung von Feingaze ist nicht erforderlich. Ein sehr geeignetes Befestigungsmittel ist beispielsweise Drahtnetz. Beispiele für geeignete Filtermaterialien sind Gewebefilter und Filter aus Filz. Das Filtermaterial läßt sich sehr wirksam nutzen, wenn es selbst den Katalysator enthält. Auch die das Filtermaterial abstützenden Mittel, wie perforierte Platten, Drähte oder Grobgaze, können vor oder nach dem Zusammenbau der Vorrichtung mit dem Katalysator überzogen werden.

Die mindestens teilweise gasdurchlässigen Wände der Kammern können aus Gaze bestehen. Diese Gaze kann aus irgendeinem geeigneten Material angefertigt sein, beispielsweise aus Metalldraht oder Kunststoffdraht. Die Maschengröße der Gaze kann dabei der Korngröße des in den Kammern angeordneten Katalysators oder Adsorptionsmittels angepaßt sein. Nach längerer Gebrauchsdauer kann ein Teil des Katalysators oder Adsorptionsmittels in kleinere Teilchen zerfallen. Diese kleineren Teilchen werden jedoch ohne weiteres durch die größeren Teilchen zurückgehalten, selbst wenn die Maschen der Gaze etwas größer als die durch Zerfall gebildeten Teilchen sind. Demgemäß ist der Verlust an Katalysatorteilchen vernachlässigbar klein, selbst wenn kein Filtermaterial vorhanden ist. Es kann daher eine Gaze verwendet werden, deren Maschengröße etwa dem Bereich der Teilchengröße des verwendeten Katalysators entspricht Diese Möglichkeit bedeutet einen wirtschaftlichen Vorteil, weil Gazen mit größeren Maschen weniger kostspielig sind als Feingazen.

Die für die vorliegenden Zwecke angewendete Gaze kann beispielsweise Maschen mit einer Breite von 0,074 bis 0,841 mm aufweisen, wobei Maschenbreiten im Bereich von 0,074 bis 0,500 mm besonders bevorzugt sind. Ein in die Kammern gefüllter Katalysator oder ein Adsorptionsmittel übt einen leichten Druck in Richtung auf die offenen Gaskanäle hin aus. Dadurch kann sich ein leichtes Ausbeulen der Kammerwände ergeben, wenn diese aus Gaze bestehen. In einem solchen Fall werden die Gazewände vorzugsweise mit außerhalb der Kammern angeordneten Stützen versehen, so daß die gasdurchlässigen Wände durch den Katalysator gegen die Stützen gepreßt werden und Befestigungsmittel für die Wand an den Stützen nicht abgelöst werden. Die Stützen können z. B. Bänder, Streifen oder Profiiierungen der Wände sein und können praktisch parallel zur Gasströmungsrichtung verlaufen. Die Profilierungen können auch in die Kammern hineinragen und durch in sie eingelagerte Stützmittel verstärkt sein. Die Wände werden noch besser an Ort und Stelle gehalten, wenn man Hilfsstützen vorsieht, die senkrecht zu den Hauptstützen an der Außenseite der Kammern angeordnet sind. Die Hilfsstützen können in Form von Profilierungen der Wände vorgesehen sein, die sich in die Kammern hineinerstrecken. Ein Beispiel hierfür sind wellenförmig, z. B. in gleichmäßigem Abstand, deformierte Wände. Die Hilfsstützen können innerhalb von Profilierungen der gasdurchlässigen Wände angeordnete Rohre sein. Man kann Bauelemente vorsehen, die aus einem durch die Stützen gebildeten Rahmenwerk mit einer entsprechenden gasdurchlässigen Wand und/oder Abstandsstücken besieht. Mehrere Bauelemente lassen sich dann sehr einfach zu einem Paket zusammenbauen, indem man beispielsweise die Hilfsstützen und/oder die

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Abstandsstücke miteinander verbindet, wodurch die Gaskanäle und die Kammern gebildet werden.

Der längs der Gaskanäle auftretende Druckabfall hängt nicht nur von dem mittleren Durchmesser und der Länge, sondern auch von der Form des Kanalquerschnittes sowie von der Art der Oberfläche der Wände ab, beispielsweise ob letztere rauh oder glatt sind. Bei einer Vorrichtung mit einer Länge des Gaskanals von 5 m und einem Querschnitt des Kanals von 6 χ 25 mm, wobei die Wände des Gaskanals aus Gaze mit einer Maschenweite von 0,500 mm bestehen, beträgt der Druckabfall über die ganze Länge des Gaskanals bei einer Gasgeschwindigkeit von 13—15 m/s beispielsweise 20 cm Wassersäule.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als solche verwendet werden oder kann in eine Gasleitung oder einen Schornstein eingebaut werden, wobei dann die Innenwände der Gasleitung oder des Schornsteines das Gehäuse bilden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Darstellungen mehrerer A.-sführungsbeispiele näher erläutert, wobei zur Vereinfachut g alle Hilfsvorrichtungen, wie Bolzen, Nieten, Ventile usw., fortgelassen sind.

Fig. 1 zeigt einen vertikalen Teilquerschnitt in einer Richtung senkrecht zu den Gaskanälen und Kammern.

F i g. 2 zeigt eine Teilaufsicht auf eine Kammer.

Fig. 3 zeigt in horizontalem Teilquerschnitt eine Möglichkeit zur Anordnung von Stützen in den Gaskanälen.

F i g. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig.3.

Fig. 5 ist ein Radialschnitt einer Ausführungsform mit ringförmigen Katalysatorkammern.

F i g. 6 ist ein Axialschnitl der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt drei parallel zueinander verlaufende offene Gaskanäle I₁ durch welche eine Gasmischung geleitet werden kann, welche die zu behandelnden Komponenten enthält. Diese Gaskanäle 1 werden durch die Wände der Kammern 2 gebildet, die ihrerseits mit Teiichen eines Katalysators oder Adsorptionsmittels 3 angefüllt sind. Die Kammern 2 weisen gasdurchlässige Wandungen 4 auf, welche im dargestellten Fall aus Gaze bestehen, so daß die Teilchen 3 /wischen zwei Gazeschichten angeordnet sind. Die Gaskanäle i und die Kammern 2 erstrecken sich in der gleichen Richtung und sind in einem Rahmen oder Gehäuse 5 angeordnet. Die Wände 4 verlaufen parallel zur Außenwand 5a des Gehäuses 5.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht einen Teil einer solchen Kammer 2. Die gasdurchlässige Wand 4 besteht ans Gaze, welche durch Stützen 6, die innerhalb der Kam.nor 2 angeordnet sind, an ihrem Platz festgehalten wird. In dem dargestellten Fall haben die Wände 4 Rechteckform. Dit einzelnen Kammern 2 sind durch Abstandsstücke 7a—Td voneinander gelrennt (vgl. Fig. I). Die Abstandsstücke werden mittels Bolzen 8 und Muttern 9 zusammengehalten.

In Fig. 3 ist eine sehr geeignete Möglichkeit dargestellt, um die gasdurchlässigen Wände 4 zu stützen. Diese Figur ist ein Querschnitt parallel zu derjenigen Richtung, in welcher sich die Gaskanäie erstrecken, d. h. die Gasströmungsrichtung liegt in der Ebene der F i g. 3. Die Bezugszeichen 1 bis 4 haben dabei die gleiche Bedeutung wie in F i g. I. Die gasdurchlässigen Wände 4 sind mit Stützen 20 versehen. Die Breite des Gaskanals 1 entspricht dabei dem donnellen Diirrhmp?5pr Hpr

Stützen 20. In dem dargestellten Fall bestehen die Stützen 20 aus parallel zu den Gaskanälen 1 verlaufenden Streifen. Die Gaskanäle 1 sind außerdem mit Hilfsstützen 21 versehen, welche sich in einer Richtung senkrecht zu den Hauptstützen 20 erstrecken. Im dargestellten Fall werden diese Hilfsstützen 21 durch Profile 22 in den gasdurchlässigen Wänden 4 gebildet. Die Stützen 21 haben dabei Zylinderform.

Fig. 4 zeigt in Draufsicht die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform und erläutert die Lage der Stützen 20 und 21 und der gasdurchlässigen Wand 4.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den F i g. 5 und 6 dargestellt. In diesem Fall ist eine Anzahl von Ringräumen für den Katalysator und eine Anzahl von ringförmigen Gaska- n nälen vorgesehen, welche koaxial angeordnet sind. Die Bezugszeichen haben dieselbe Bedeutung wie in den F i g. I und 2.

Bei der Behsndlun⁰ einer Vcrbindun** In der Gasphase mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2" ist der Katalysator oder ein Adsorptionsmittel in den Kammern angeordnet. Die gasförmige Verbindung oder die Gasmischung wird durch die praktisch leeren Gaskanälc hindurchgeleitet und kommt dadurch sofort mit dem Katalysator oder dem Adsorptionsmittel in .'"> Berührung, wobei die Diffusion durch die Kanalwändc hindurch erfolgt. Während dieser Berührung findet die Adsorption oder die katalytische Umwandlung statt, beispielsweise eine katalytische Oxydation von schädlichen Verunreinigungen. Andererseits werden in dem Gas vorliegende Ruß- oder Ascheteilchen glatt von einem Ende zum anderen Ende der Gaskanäle hindurchtransportiert, wodurch eine Verstopfung der Vorrichtung vermieden wird. Gleichzeitig kann auch in oder auf den Kanalwänden Katalysatorsubstanz oder J5 Adsorptionsmittel vorhanden sein. Der Katalysator kann beispielsweise als Überzug auf den Kanalwänden vo^r'iegen oder er kann sich in diesem Überzug befinden. Auch ein solcher Überzug muß selbstverständlich gasdurchlässig sein, damit die durchströmende Gasmi- -«o schung freien Zutritt zu dem hinter den Wänden angeordneten Katalysator hat.

Bei einer solchen Behandlung wird die Gasmischung an dem Katalysator oder Adsorptionsmittel entlang geführt. Hierdurch unterscheidet sich die Behandlungs- <*> weise ganz wesentlich von dem Vorgang in einem festen Bett aus Granulaten, Pellets oder anderen geformten Teilchen, wo die Gasmischung durch das Bett selbst hindurchströmen muß. Ein solches Entlangführen der Gasmischung an dem Katalysator oder Adsorptionsmittel führt jedoch niemals zu einer Verstopfung des Katalysators. Ein weiterer Vorteil der Gaskanäle besteht darin, daß ein viel geringerer Druckabfall als in einem festen Katalysatorbett auftritt, insbesondere, wenn die Gaskanäle geradlinig verlaufen.

Der Zustrom der Gasmischung zu den Gaskanälen wird vorzugsweise derart eingeregelt, daß sich eine turbulente Strömung entwickelt, weil so eine innige Berührung zwischen der Gasmischung und den Kaiialwänden und damit auch zwischen der Gasmischung und dem Katalysator oder Adsorptionsmittel begünstigt wird, während gleichzeitig die Ablagerung von Feststoffteilchen verhindert wird. Selbstverständlich kann die Gasströmung aber auch laminar sein.

Der Katalysator oder das Adsorptionsmittel haben vorzugsweise eine Korngröße von 0,05 bis 5 mm. wobei Korngrößen im Bereich von 0,1 und 1 mm besonders bevorzugt sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei atmosphärischem Druck oder leicht darunter oder darüber liegenden Drücken verwendet werden, obwohl selbstverständlich auch Hochdruck angewendet werden kann, beispielsweise eignet sich die Vorrichtung für das Arbeiten im Druckbereich von 1 bis 20 Atm. absolut und selbst bei noch höheren Drücken.

Die lineare Gasgeschwindigkeit in den Kanälen liegt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 20 m/s. Bei derartigen Gasgeschwindigkeiten lagert sich kein Ruß und keine Asche auf den Kanalwänden ab, unabhängig davon, ob die Kanäle horizontal oder vertikal angeordnet sind. Bevorzugte lineare Strömungsgeschwindigkeiten liegen im Bereich von 10 bis 20 m/s.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden. Die angewendete Temperatur hängt im Einzelfall von der für die katalylische Umwandlung oder die Adsorption erforderlichen Temperatur sb. Bci^tr*!e!s\ve!sc könner Temperaturen zwischen 20 und l000°C angcwendcl werden, obwohl sich die Vorrichtung selbstverständlich auch für Temperaturen unterhalb 20⁰C oder oberhalb lOOO'C eignet. Die maximale Arbeitstemperatur hängt von der Wärmebeständigkeit des für den Bau der Vorrichtung verwendeten Materials ab.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich beispielweise sehr gut zur Durchführung eines katalytofen Oxydationsverfahrens, bei welchem mindestens ein Teil der in der gasförmigen Mischung vorliegenden Komponenten in Anwesenheit von Sauerstoff katalytisch oxydiert wird. Es xann sich dabei unter anderem um eine Oxydation von Schwefeldioxyd mittels Sauerstoff handeln. Erforderlichenfalls kann ein Teil oder die Gesamtmenge des Sauerstoffes der gasförmigen Mischung zugesetzt werden, bevor diese in die offenen Gaskanäle eingespeist wird. Für diese Oxydation kann ein beliebiger geeigneter Katalysator angewendet werden, beispielsweise ein Katalysator, welcher Vanadiumpentoxyd enthält. Die Oxydation des Schwefeldioxydes läßt sich bei jeder geeigneten Temperatur durchführen, beispielsweise bei Temperaturen im Bereich von 400 bis 500⁰C. Das durch die Oxydation gebildete Schwefeltrioxyd kann dann als Ausgangsmaterial für die Erzeugung von Schwefelsäure eingesetzt werden.

Bei den schwefeldioxydhaltigen Gasmischungen kann es sich um Abgase handeln, jedoch kann das Schwefeldioxyd auch aus der Verbrennung von elementarem Schwefel Schwefelwasserstoff oder anderen brennbaren Schwefelverbindungen, sowie aus Schwefelsäure stammen, welche sich bei der Be! mailing von Kohlenwasserstoffölen mit Schwefelsäure bilden, beispielsweise bei der Behandlung von Kerosin oder Schmierölen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch für andere katalytische Verfahren eingesetzt werden, bei denen mindestens ein Teil der Komponenten katalytisch umgewandelt wird und beispielsweise aus einem oder mehreren Stickstoffoxyden bestehen. Es kann sich dabei z. B. um ein Verfahren zur Reduktion von ein oder mehl eren Stickstoffoxyden mittels eines reduzierenden Gases handeln. Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich daher auch für die Reinigung von Abgasen einsetzen, welche Stickstoffoxyde enthalten, die in Anlagen gebildet werden, in denen Salpetersäure durch Amnioniakoxydaiiön erzeugt wird. Als reduzierend wirkende Gase eignen sich dafür Wasserstoff, Kohlenmonoxyd sowie in der Gasphase vorliegende Kohlen-

Wasserstoffe. Fun hierfür geeigneter Katalysator besteht aus einem wiirmefesten Trägermaterial mit einem darauf niedergeschlagenem Metall der Platingruppe, wobei Platin selbst für diesen Zweck besonders geeignet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch für die Reinigung von Auspuffgasen von Kraftwagen eingese'tt werden. In diesem Fall kann sie einen Oxydationskdrnlysator für Kohlenmonoxyd und andere Verbindungen enthalten, welche sich bei der unvollständigen

Verbrennung von Kraftstoffen bilden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht für die katalytische Oxydation von schädlichen Verunreinigungen, welche in Abgasen eines Muffelofens vorkommen. Derartige Verunreinigungen können organische Verbindungen sein, welche in Lacken, Firnissen, Farbstoffen und dergl. vorkommen. Beispiele hierfür sind Alkohole, Äther, Ester, Kohlenwasserstoffe, Naturharze, ätherische öle und dergleichen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Behandlung einer Verbindung in der Gasphase an einem Feststoff, insbesondere zur Durchführung von Adsorptions- und katalytisehen Verfahren, bestehend aus einem Gehäuse mit entgegengesetztem Gaseinlaß und Gasauülaß, in dem mehrere, räumlich voneinander getrennte Kammern für den Feststoff mit mindestens teilweise gasdurchlässigen Wänden sowie Gaskanäle vorge- ι ο sehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zueinander angeordneten Kammern (2) jeweils von zwei sich gegenüberliegenden Wänden (4) begrenzt und rechtwinklig zu den Wänden (4) gemessen 1 bis 15 mm breit sind und daß zwischen !1 den Wänden (4) benachbarter Kammern (2) von dem Gaseinlaß zum Gasauslaß führende Gaskanäle (1; 10) gebildet sind, deren Länge ein Mehrfaches des Abstandes der Kanalwände beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (2) 3 bis 10 mm breit sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanäle (1; 10) rechtwinklig zu den Wänden (4) gemessen 3 bis 50 mm, vorzugsweise 5 bis 20 mm, breit sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanäle (1; 10) breiter als die Kammern (2) sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, jo dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (4) aus Gaze beste ocn.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaze eine TVlaschengröße von 0,074 bis 0,841 mm, vorzugsweise von 0,074 bis 0,500 mm, « aufweist.