DE3402713A1 - Verfahren und reaktor zur durchfuehrung einer endothermen reaktion - Google Patents

Verfahren und reaktor zur durchfuehrung einer endothermen reaktion

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DE3402713A1 DE19843402713 DE3402713A DE3402713A1 DE 3402713 A1 DE3402713 A1 DE 3402713A1 DE 19843402713 DE19843402713 DE 19843402713 DE 3402713 A DE3402713 A DE 3402713A DE 3402713 A1 DE3402713 A1 DE 3402713A1
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Description

-X-
LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
(H 1431) H 8.4/
Fa/fl 26.1.1984
Verfahren und Reaktor zur Durchführung einer endothermen Reaktion
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer endothermen Reaktion, bei dem ein reagierendes Fluid durch einen Reaktionsraum geleitet wird, sowie einen Reaktor zur Durchführung des Verfahrens.
Bei endothermen Reaktionen, wie beispielsweise Spaltungen oder Synthesen, wird einem reagierenden Fluid Wärme zugeführt, um es auf die für die Reaktion benötigte Temperatur zu erhitzen. Zum Erhitzen steht der Reaktionsraum und/oder die Fluidzuführung zum Reaktionsraum in wärmetauschender Verbindung mit einem Wärmeträgermedium, beispielsweise Heißdampf. Eine andere oder zusätzliche Möglichkeit ist das Beheizen eines Reaktors durch Brenner. Diese Methode wird beispielsweise bei der thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen angewendet.
Die bisher bekanntgewordenen Verfahren haben jedoch alle den Nachteil, daß relativ viel teure Energie, sei es in Form von fossilen Brennstoffen oder in Form eines heißen Wärmeträgermediums, aufgebracht werden muß, um die endotherme Reaktion durchführen zu können.
Form. 5729 7.78
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das in wirtschaftlicher Weise und mit geringem apparativen Aufwand durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Reaktionsraum zwei Gruppen von Strömungswegen aufweist, die in Wärmetausch miteinander stehen, von denen die eine von dem reagierenden Fluid und die andere von einem eine exotherme Reaktion durchlaufenden Fluid durchströmt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Gegensatz zu bisher üblichen Verfahren nur ein Teil des Reaktionsraumes für die endotherme Reaktion verwendet. Der andere Teil des Reaktionsraumes ist hiervon abgetrennt und wird von einem Fluid durchströmt, das eine exotherme Reaktion durchführt.
Durch die simultane Durchführung einer endothermen und einer exothermen Reaktion in zwei Teilabschnitten eines Reaktionsräumes wird der Einsatz teurer Fremdenergie je nach Anwendungsfall entweder wesentlich verringert oder sogar ganz entbehrlich. Die Frage, ob von außen noch zusätzlich Energie herangeführt werden muß, hängt davon ab, inwieweit die Endothermie und Exothermie der beiden in dem Reaktionsraum ablaufenden Reaktionen aufeinander abgestimmt sind. Die Zuführung äußerer Wärmeenergie kann vollständig unterbleiben, wenn die auf dem erforderlichen Temperaturniveau bei der exothermen Reaktion freiwerdende Wärme für die Aufrechterhaltung der endothermen Reaktion ausreicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich ohne besonderen apparativen Aufwand verwirklichen, es ist lediglich erforderlich, den Reaktionsraum in zwei Teilräume zu unterteilen.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Form. 5729 7.78
wird vorgeschlagen, daß die Strömungswege für die beiden Fluide in Zeitintervallen vertauscht werden.
In einem ersten Schalttakt wird beispielsweise das endotherm reagierende Fluid durch den ersten Strömungsweg und das exotherm reagierende Fluid durch den zweiten Strömungsweg des Reaktionsraumes geleitet. In einem zweiten Schalttakt werden die Zu- und die Abführungseinrichtungen zu und von den beiden Strömungswegen vertauscht, so daß nunmehr das exotherm reagierende Fluid durch den ersten und das endotherm reagierende Fluid durch den zweiten Strömungsweg geleitet wird.
Diese Maßnahme bietet den Vorteil, daß die Wände des Strömungsweges, in welchem die exotherme Reaktion stattfindet, die gespeicherte Wärme im darauffolgenden Schalttakt an das endotherm reagierende Fluid abgeben, so daß die Ausnutzung der freiwerdenden Wärme verbessert wird.
Es erweist sich als zweckmäßig, wenn gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal die endotherme Reaktion in Anwesenheit eines Katalysators durchgeführt wird. Der Katalysator wirkt beim Vertauschen der Strömungswege wie eine Wärmespeichermasse .
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß bei der exothermen Reaktion Rückstände, die sich bei der endothermen Reaktion in dem Reaktionsraum gebildet haben, oxidiert werden.
Bei dieser Verfahrensführung wird neben der Wärmeübertragung zugleich eine Regeneration des Reaktionsraumes erzielt. Bei sämtlichen Reaktionen, katalytischen und nichtkatalytischen, bei denen sich im Beaktionsraum Rückstände bilden, müssen diese von Zeit zu Zeit entfernt werden, da die RückForm. 5729 7.78
stände den Wärmeübergang durch die Wände des Reaktionsraumes verschlechtern und gegebenenfalls vorhandenen Katalysator desaktivieren. Die Entfernung der Rückstände erfolgt im vorliegenden Fall durch Oxidation. Die Oxidation läuft exotherm ab, wobei die freiwerdende Reaktionswärme auf den simultan ablaufenden endothermen Prozeß übertragen wird. Das Abbrennen von Rückständen, das bei derartigen Reaktionen ohnehin von Zeit zu Zeit erforderlich ist, wird demnach in den endothermen Prozeß einbezogen. Damit wird die anfallende Wärme optimal ausgenutzt. Außerdem kann das Verfahren bei periodischem Umschalten der Strömungskanäle kontinuierlich betrieben werden, da die Verbrennung der Rückstände parallel zu der endothermen Reaktion abläuft.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthalten die Rückstände als wesentlichen Bestandteil Koks.
Die Bildung von Koksablagerungen tritt insbesondere bei der thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen sowie bei katalytischen Verfahren, wie der Propan- oder Butan-Dehydrierung zu Monoolefinen oder der Butadienerzeugung auf.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die exotherme Reaktion auf einem höheren Temperaturniveau als die endotherme Reaktion durchgeführt. Auf diese Weise wird ein Wärmefluß von der exothermen zu der endothermen Reaktionszone erreicht.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal erfolgt die Wärmeübertragung über ein Hilfsfluid. Die beiden Gruppen von Strömungswegen sind bei dieser Verfahrensweise nicht unmittelbar benachbart.
Form. 5729 7.78
3A02713
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die beiden Fluide im Gleich- oder Gegenstrom durch die Strömungswege geführt.
Ein Reaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist einen Reaktionsraum auf und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum in zwei in wärmetauschender Verbindung stehende Gruppen von Strömungswegen unterteilt istIf die jeweils an eine Zuleitung und eine Ableitung für zweierlei Fluide angeschlossen sind.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Reaktors sind zwischen den Zu- und Ableitungen und den zwei Gruppen von Strömungswegen Umschalteinrichtungen vorgesehen, durch die beide Zu- und Ableitungen mit jeder Gruppe verbindbar sind.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktors wird vorgeschlagen, daß die Strömungswege innerhalb von in einem Gehäuse verlaufenden Rohren angeordnet sind.
Bei dieser Anordnung wird zumindest ein Teil der Wärme
zwischen den Rohren der beiden Gruppen von Strömung|swegen durch ein Hilfsfluid übertragen, das den Außenraum um die Rohre in dem Behälter ausfüllt.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sind die Strömungswege durch die Zwischenräume zwischen mit Abstand zueinander angeordneten parallelen Platten gebildet, wobei jeweils benachbarte Zwischenräume an verschiedene Zuleitungen und Ableitungen angeschlossen sind.
Hierbei grenzen jeweils zwei Strömungswege der beiden verschiedenen Gruppen aneinander. Jeweils zwei benachbarte Strömungswege weisen eine gemeinsame Trennwand auf.
Form. 5729 7.78
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Hierbei zeigen:
Figur 1 einen Reaktor mit rohrförmigen Strömungsquerschnitten ,
Figur 2 einen Reaktor mit durch Platten begrenzten Strömungsquerschnitten.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Reaktoren dienen beispielsweise zur Durchführung einer katalytischen endothermen Reaktion, wie der Dehydrierung von Isobutan zu Isobuten. Die Reaktion erfolgt nach der Gleichung C4H10- C4Hg+ H2 ; AH298 = + 117,7 kJ
mol
Der Reaktor gemäß Figur 1 ist ein sogenannter Röhrenreaktor. Er weist ein Gehäuse 1 von zylindrischer Gestalt auf, das an seinen Enden kuppeiförmige Böden 2, 3 trägt. In dem Gehäuse 1 läuft eine größere Anzahl von Rohren 4 geradlinig und parallel zu der Zylinderachse. Die Enden der Rohre sind in Rohrböden 5, 6 zusammengefaßt, die sich über den Querschnitt des Gehäuses 1 erstrecken.
Ein Teil der Rohre 4, etwa die Hälfte, ist unmittelbar mit einer Zuführungseinrichtung 7 für ein erstes Fluid verbunden, während die übrigen Rohre auf dieser Seite des Reaktors in den durch den Boden 2 gebildeten Sammelraum münden, der eine Zuführungseinrichtung 9 für ein zweites Fluid aufweist.
Umgekehrt sind die mit dem Sammelraum 8 in Verbindung stehenden Rohre 4 am anderen Ende des Reaktors unmittelbar
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mit einer Abführungseinrichtung 10 verbunden, während die mit der Zuführungseinrichtung 7 verbundenen Rohre 4 in einen Sammelraum 11, der durch den Boden 3 gebildet ist, münden. Der Sammelraum 11 weist eine Abführungseinrichtung 12 auf. Die Zuführungseinrichtungen 7, 9 und die Abführungseinrichtungen 10, 12 stehen über zwei ümschaltungseinrichtungen 19 bzw. 20 mit Zuleitungen 15, 16 für ein erstes bzw. zweites Fluid sowie mit Ableitungen 17, 18 für aus dem Reaktor entnommene Fluide in Verbindung.
Mit den Bezugszeichen 13 und 14 sind eine Zu- und eine Abführungseinrichtung bezeichnet, die mit dem Inneren des Gehäuses 1 in Verbindung stehen.
Die Rohre 4 sind mit einer Schüttung aus einem Katalysatormaterial, beispielsweise Chromoxid auf Aluminiumoxid gefüllt. Das Innere der Rohre stellt den Reaktionsraum für die Dehydrierung dar.
Aufgrund der Verbindung mit zweierlei Zuführungseinrichtungen 7, 9 und zwei Abführungseinrichtungen 10, 12 ist der Reaktionsraum in zwei Gruppen von Strömungswegen unterteilt, nämlich einem ersten Strömungsweg, der von dem durch die Zuführungseinrichtung 7 zugeführten Fluid und einen zweiten Strömungsweg, der von dem durch die Zuführungseinrichtung 9 zugeführten Fluid durchströmt wird. Die hier gezeigte Strömungsrichtung der beiden Fluide (Gleichstrom) ist willkürlich, je nach den Verfahrensbedingungen könnte auch Gegenströmung gewählt werden.
In der durchgezeichneten Position der Umschalteinrichtungen
19, 20 strömt das über die Zuleitung 15 zugeführte Fluid zur Zuführungseinrichtung 7, durchströmt den damit verbundenen Teil des Reaktionsraumes, aus dem die im Reaktionsraum gebildeten Reaktionsprodukte über die Zuführungsein-Form. 5729 7.78
- rf -
• AA'
richtung 12 und die Ableitung 17 entnommen werden- Das über die Zuleitung 16 zugeführte Fluid strömt die Zuführungseinrichtung 9 in den damit verbundenen Teil des Reaktionsraumes, aus dem die dort gebildeten Reaktionsprodukte über die Abführungseinrichtung 10 und die Ableitung 18 entnommen werden.
In gewissen Zeitintervallen (in der Größenordnung Minuten bis einige Stunden, je nach Anwendungsfall) werden die Umschalteinrichtungen 19, 20 umgeschaltet (gestrichelt dargestellte Position), so daß nunmehr die Zulassung 15 mit der Zuführungseinrichtung 9 und die Zuleitung 16 mit der Zuführungseinrichtung 7 verbunden ist. Mit dieser Maßnahme werden die beiden Gruppen von Strömungswegen des Reaktionsraumes vertauscht. Dementsprechend werden auch die Ableitungen 17, 18 vertauscht, d.h. Ableitung 17 ist mit der Abführungseinrichtung 10 und Ableitung 18 mit der Abführungseinrichtung 12 verbunden.
Bei der Dehydrierung von Isobutan wird beispielsweise über Leitung 15 Isobutan in die eine Gruppe der Strömungswege innerhalb der Rohre 4 geleitet. Die Rohre 4 werden durch eine weiter unten beschriebene Wärmequelle auf die für die Durchführung der Dehydrierung beschriebenen Temperatür von ca. 5600C erwärmt. Die Reaktionsprodukte (Isobuten und H~) verlassen den Reaktor über die Abführungseinrichtung 1 2.
Bei der Dehydrierung entsteht als Nebenprodukt Koks, der sich auf den Katalysatorteilchen absetzt. Dieser Belag muß Zeit zu Zeit entfernt werden, da er den Katalysator desaktiviert. Sobald ein vorgegebener Prozentsatz des Katalysators desaktiviert ist, werden daher die Umschalteinrichtungen 19, 20 umgeschaltet, so daß das Isobutan nunmehr in die andere Gruppe von Strömungswegen, die noch
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• /let'
frischen Katalysator enthalten, gelangt. Zugleich wird über die andere Zuleitung 16 und Zuführungseinrichtung 7 ein Sauerstoffhaltiges Gas, z.B. ein Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch in die erste Gruppe von Strömungswegen geleitet.
Der auf den Katalysator abgelagerte Koks wird durch das sauerstoffhaltige Gas in einer exothermenReaktion oxidiert und aus der Reaktionszone ausgetragen. Dabei entstehen Temperaturen von 400 bis 8000C.
Sobald die Koksablagerungen in der zweiten Gruppe von Strömungswegen eine bestimmte Stärke erreicht haben, werden die ümschalteinrichtungen 19, 20 erneut umgeschaltet.
Während somit im einen Teil des Reaktionsraumes die endotherme Dehydrierung stattfindet, findet im anderen Teil des Reaktionsraumes die exotherme Oxidation von bei der Dehydrierung gebildeten Koksrückständen statt. Die bei der Oxidation gebildete Wärme heizt das Katalysatormaterial und die Rohrwände auf. Die Wärme wird über ein Hilfsfluid, das dem Behälter 1 über die Zuführungseinrichtung 13 zugeführt wird, auf diejenigen Rohre übertragen, in denen die Dehydrierung stattfindet, d.h. die bei der Regeneration des Katalysatormaterials freiwerdende Wärmemenge wird unmittelbar zur Durchführung der endothermen Dehydrierung verwendet. Sollten die Wärmeumsätze der beiden simultan ablaufenden Reaktionen nicht genau gleich sein, so kann durch das Hilfsfluid zusätzliche Wärme zu- oder abgeführt werden.
Durch periodisches Umschalten der beiden Strömungswege ist ein kontinuierlicher Betrieb gewährleistet, überdies wirken das Katalysatormaterial und die Rohrwände ■ sowie das HilfsLfluid beim Umschalten als Wärmespeichermasse.
Form. 5729 7.78
Der Reaktor gemäß Figur 2 weist einen Reaktionsraum auf, der durch eine Vielzahl von mit Abstand zueinander angeordneten parallelen Platten in einzelne Strömungswege unterteilt ist. Der Reaktor ist in einem Gehäuse 21 untergebracht, das Header 22, 23 und 24,25 zur Zuführung bzw. Abführung zweier Fluide enthält. In dem Gehäuse 21 sind parallel und mit Abstand zueinander ebene oder gewellte Platten angeordnet, die parallel zur Zeichenebene verlaufen. In der Figur sind zwei Platten 26, 27 angedeutet, tatsächlich enthält der Reaktor eine größere Anzahl von Platten. Der Zwischenraum zwischen den Platten ist mit Katalysatormaterial gefüllt.
Die Platten bilden Begrenzungswände für Strömungswege, in denen die beiden Fluide geführt sind. Die Strömungswege sind seitlich (in der Figur unten und oben) verschlossen. Die Stirnseiten der Strömungswege sind jeweils abwechselnd mit den Headern 22, 24 bzw. 23, 25 verbunden, d.h. der erste, dritte, fünfte usw. Strömungsweg ist auf der einen Stirnseite mit dem Header 22 und auf der anderen Stirnseite mit dem Header 24 verbunden, während der zweite, vierte, sechste usw. Strömungsweg auf der einen Stirnseite mit dem Header 23 und auf der anderen Stirnseite mit dem Header 25 verbunden ist.
Die Header 22 bis 25 sind über Umschalteinrichtungen 19, 20, deren Funktion bereits in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben worden ist, mit Zuleitungen 15, 16 und Ableitungen 17, 18 für das erste und zweite Fluid verbunden.
Bei der beschriebenen Anordnung ist der Reaktionsraum in viele Teilräume unterteilt, die in wärmetauschender Verbindung miteinander stehen, wobei jeweils benachbarte Teilräume von verschiedenen Fluiden durchströmt werden. In der gezeigten Ausführungsform sind die Fluide im Gegenstrom geführt (Pfeile 28, 29), es ist je nach Anwendungsfall auch eine
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Gleichstrom- oder KreuzStromführung der beiden Fluide denkbar.
Eines der beiden Fluide wird in denjenigen Strömungskanälen, die den Reaktionsraum für dieses Fluid bilden, einer endothermen Reaktion unterzogen. Das zweite der beiden Fluide durchläuft in den anderen Strömungskanälen eine exotherme Reaktion, wobei die freiwerdende Reaktionswärme auf die in den benachbarten Strömungskanälen ablaufende endotherme Reaktion übertragen wird.
Beispielsweise wird mit diesem Reaktor im einen Teil des Reaktionsraumes die anhand von Figur 1 beschriebene Dehydrierung von Isobutan durchgeführt, während gleichzeitig im anderen Teil des Reaktionsraumes bei der Dehydrierung in der vorangegangenen Schaltstufe gebildete Koksablagerungen abgebrannt werden. Mittels der Umschalteinrichtungen 19, 20 werden die Strömungswege periodisch vertauscht, wenn der Katalysator mit einer gewissen Koksmenge beladen ist bzw. wenn der Katalysator durch Abtrennen ausreichend regeneriert ist.
Selbstverständlich lassen sich mit dem Reaktor auch andere Reaktionspaare durchführen, beispielsweise
- katalytische Dehydrierung von Propan oder Ethan, endotherm/Regenerierung des Katalysators, exotherm;
- katalytische Dehydrierungen aller Art, endotherm/katalytische Hydrierungen, Hydrodealkylierungen oder Alkylierungen, exotherm;
- katalytische Oxidationen, z.B. Partialoxidation von Ethylen zu Ethylenoxid, Oxidation von Xylol zu Phthalsäureanhydrid Maleinsäureanhydrid aus Benzol oder Buten, alle exotherm/ endotherme Reaktionen aller Art;
Form. 5729 7.78
1 - katalytische Spaltung von Methanol, endotherm/Methanisierung oder Konvertierung von Kohlenoxid, exotherm.
In denjenigen Anwendungsfällen, in denen endotherme und 5 exotherme Reaktion von verschiedener Art sind und an verschiedenen Katalysatorsystemen ablaufen, ist das periodische Vertauschen der Strömungswege nicht notwendig bzw. möglich. Auf die entsprechenden UmschaIteinrichtungen kann dann verzichtet werden. 10
Form. 5729 7.78
- Lee /feite -

Claims (12)

  1. (H 1431) H 84/
    Fa/fl 26.1.1984
    Patentansprüche
    ( 1 .J Verfahren zur Durchführung einer endothermen Reaktion, ^-""^ bei dem ein reagierendes Fluid durch einen Reaktionsraum geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum zwei Gruppen von Strömungswegen aufweist, die in Wärmetausch miteinander stehen, von denen die eine von dem reagierenden Fluid und die andere von einem eine exotherme Reaktion durchlaufenden Fluid durchströmt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Strömungswege für die beiden Fluide in Zeitintervallen vertauscht werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die endotherme Reaktion in Anwesenheit eines Katalysators durchgeführt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der exothermen Reaktion Rückstände, die sich bei der endothermen Reaktion in dem Reaktionsraum gebildet haben, oxidiert werden.
    Form. 57H 7 73
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstände als wesentlichen Bestandteil Koks enthalten .
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die exotherme Reaktion auf einem höheren Temperaturniveau als die endotherme Reaktion durchgeführt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragung über ein Hilfsfluid erfolgt.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
    gekennzeichnet, daß die beiden Fluide im Gleich- oder Gegenstrom durch die Strömungswege geführt werden.
  9. 9. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch mit einem Reaktionsraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum in zwei in wärmetauschender Verbindung stehende Gruppen von Strömungswegen unterteilt ist, die jeweils an eine Zuleitung und eine Ableitung für zweierlei Fluide angeschlossen sind.
  10. 10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zuleitungen und Ableitungen und den zwei Gruppen von Strömungswegen Umschalteinrichtungen vorgesehen sind, durch die beide Zu- und Ableitungen mit jeder Gruppe verbindbar ist.
  11. 11. Reaktor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswege innerhalb von in einem Gehäuse verlaufenden Rohren angeordnet sind.
  12. 12. Reaktor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
    Form. 5729 7.78
    — "5 —
    daß die Ströitiungswege durch die Zwischenräume zwischen mit Abstand zueinander angeordneten parallelen Platten gebildet sind, wobei jeweils benachbarte Zwischenräume an verschiedene Zuleitungen und Ableitungen angeschlossen sind.
    Form. 5729 7.78
DE19843402713 1984-01-26 1984-01-26 Verfahren und reaktor zur durchfuehrung einer endothermen reaktion Withdrawn DE3402713A1 (de)

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