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Verfahren und Vorrichtung zur Ausführung chemischer Reaktionen.
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Zur Ausführung chemischer Reaktionen, wie beispielsweise Denitrieren,
Konzentrieren, Kondensieren u. dgl. sind Reaktionstürme bekannt, bei denen die Reaktionsfiüssigkeiten
oder Gase unter Vermittlung von Füllkörpern untereinander und gegebenenfalls mit
Heiz- oder Kühlmitteln gemischt werden; anderseits sind auch Reaktionstürme mit
gesonderter vollständig abgeschlossener Führung der Heiz- oder Kühlmittel bekannt,
bei denen also eine Mischung zwischen den Heiz- oder Kühlmitteln und den Reaktionsgemischen
nicht erfolgt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht im wesentlichen darin,
daß unter vollständiger Abschließung von den Heiz- oder Kühlmittelführungen die
Reaktionsgemische in ständigem Gefälle abwärts bzw. bei Gasen aufwärts geführt und
zwischendurch in Sammelräumen gemischt werden. Hierbei ist nicht nur die in chemischer
und physikalischer Beziehung schädliche Durchmischung des Reaktionsgemisches mit
Heiz- oder Kühlmitteln verhütet, sondern es ist auch jede Störung der gleichmäßigen
Fortbewegung des Reaktionsgemisches infolge der im Gegenstrom zu ihm verlaufenden
Heiz-oder Kühlmittel verhütet, und durch das dauernde Gefälle in Verbindung mit
den stellenweise eingeschalteten Sammelräumen wird ein besonders stauungsfrei ffießender
und kräftiger Strom gut gemischten Reaktionsgemisches erreicht.
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Zur Durchführung des neuen Verfahrens eignet sich die Anordnung eines
Reaktionsturmes, bei dem die Reaktionskanäle samt den zwischen ihnen verlaufenden
Heiz- oder Kühlmittelkanälen je innerhalb zweier aufeinanderfolgender Platten in
an sich bekannter spiralförmiger Anordnung derart vorgesehen sind, daß die Reaktionskanäle
innerhalb ihrer Spiralform überall èin gleichförmiges Gefälle aufweisen Hiermit
ist auch bei der gedrängten Anordnung in Turmform überall das Auftreten von Stauungen
in den Reaktionskanälen verhütet, während natürlich in den Kiihlkanälen ein Gefälle
nicht erforderlich ist, sondern im Gegenteil durch regelhare Überfallwände eine
regelbare Kühlwasserfüllung mit langsamem Ersatz durchgeführt werden kann.
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Bei dieser Anordnung sind weiter die Misch-und Sammelräume mit Vorteil
als in der Turmmitte liegende Durchbrechungen der je zwei aneinanderstoßenden Platten
vorgesehen; dadurch ergibt sich gleichzeitig eine kaminartige Ausgestaltung dieser
Hohlräume, die für die Behandlung von Reaktionsgasen, deren Aufsteigen durch natürlichen
Zug befördern hilft, und damit weiter das Entstehen störender Stauungen und Überdrucke
verhütet. Diese kaminartigen Räume können endlich in günstiger Weise zur Unterbringung
von Ventilatoren und Schleuderschalen oder Schleudertellern ausgenutzt sein, indem
eine Antriebswelle sich längs durch den ganzen Turm erstreckt. Hierdurch kann für
Gase der natürliche Zug verstärkt und bei herabrieselnden Flüssigkeiten ein Schleudern
oder Verspritzen an die Wandungen erzielt und in beiden Fällen die Durchmischung
vervollkommnet werden, ohne daß verwickelte Getriebe nötig werden oder sonstige
Mißstände entstehen.
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Bei großen Dimensionen des Turmes kann man den Durchzug der Heizgase
regulieren, d. h. in
einer beliebigen Höhe des Turmes mit Hilft
der Saugkraft der auf der vertikalen Welle sitzenden Ventilatoren fördern. Es werden
in dem betreffenden Querschnitt nur die Ineinanderführungen der Heizkanäle und Reaktionskanäle
gewechselt, so daß also in der Mitte die Heizkanäle in den Hohlzylinder münden,
und die Reaktionskanäle um denselben herumgeführt werden. Auch die tangentiale Einleitung
der aus jedem der drei Kanäle mit verschiedener Geschwindigkeit austretenden Gase
in die Hohlzylinder ist bezüglich Ausgleich und Durchmischung von Bedeutung.
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Die Zeichnung stellt eine Ausführungsform des Reaktionsturmes nach
der Erfindung dar, und zwar zeigt Abb. I einen vertikalen Querschnitt, Abb. 2 einen
Horizontalschnitt.
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Die einfach übereinander geschichteten Platten aus Ton, säurefestem
Ruhrsandstein oder Siliciumeisen sind derart gelagert, daß die aufsteigenden Wandungen
der Kanäle an der oberen Fläche der Platten 1, 3, 5 durch die Wandungen der Kanäle
an der unteren Fläche der Platten 2, 4, 6 gedeckt werden, so daß geschlossene Rinnen
oder Züge A, B, C (für Säure) und a, b, c (für Heizgase bzw. Kühlwasser) entstehen,
die in je zwei Platten abwechselnd von außen nach innen und umgekehrt von innen
nach außen führen. Die Abdichtung der genau aufeinander passenden breiten aufgehenden
Wände der Kanäle erfolgt bei Apparaten, durch welche Heizgase geleitet werden, durch
Schleifen und Dichtungskitt. Bei Kondensationstürmen, durch welche Kühlwasser geleitet
wird, haben die schmalen Kanäle a, b, c in den Deckelplatten 2, 4, 6, 8 einen Boden
und das Wasser läuft in jeder Plattenhälfte I, 2, 3, 4, 5, 6 von der Wandung nach
der Mitte oder umgekehrt. In den äußersten Ringen der Platten 4, 8, 12 laufen die
Säurekanäle A, B, C ohne Änderung ihres Querschnittes und ohne Anderung ihrer Drehrichtung
glatt in die Platten 5, 9, I3 über. Ebenso in der Mitte die Heizkanäle a, b, c.
Die Platten 2 und 3, 6 und 7, 10 und II haben in der Mitte zentrale große Durchbohrungen
I2, in welche die Kanäle A, B, C (bzw. a, b, c) tangential ein-und wieder austreten.
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Die Säurekanäle A, B, C sind auf Gefälle angelegt und mit Uberlaufrippen
(Querrippen) auf der Bodenfläche versehen. Die Heizkanäle a, b, c sind in der ganzen
Stärke der Platten zwischen Boden und Deckel ausgeführt.
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Bei Türmen, die für Kondensationszwecke bestimmt sind, sind die Kanäle
a, b, c als Wasser rinnen in jeder Platte an ihren Enden mit einstellbaren Überläufen
versehen, und zwar derart, daß in jeder Plattenhällte I, 2, 3, 4, 5 die Spiralgänge
a, b, c einen Boden haben und nach oben offen sind. Am Ende eines jeden Spiralganges
- je nach dem Durchlauf des Wassers in der Mitte oder am Umfang des Turmes - ist
in den Kanälen a, b, c eine Querwand angeordnet, die in ihrem oberen Teil Öffnungen
hat. Diese Durchbrechungen der Querwand sind von verschiedenem Querschnitt und in
verschiedener Höhe angebracht, so daß der Stand des Kühlwassers in den Kanälen je
nach dem Zufluß außerhalb des Turmes eingestellt wird.
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Zentral durch die Mitte aller Platten im Turm e führt eine Welle
I5, die in den Hohlräumen im oberen Teil Teller 16 zum Auffangen und Abschleudern
der Säure, im mittleren und unteren Teile Ventilatoren I7 zur Regulierung der Gasgeschwindigkeit
trägt, oder umgekehrt Ventilatoren im oberen und Flüssigkeitsteller im unteren Teil.
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Die beschriebene Vorrichtung läßt sich mit Vorteil für eine ganze
Reihe wichtiger Verfahren der chemischen Technik benutzen, beispielsweise zum Denitrieren
von Gemischen von Schwefelsäure und Salpetersäure, ferner zum Konzentrieren von
Salpeter- und Schwefelsäure, zum Kondensieren von Salzsäure, Salpetersäure und anderen
Säuregasen u. dgl.
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Nachstehend sind einige Anwendungen des Turmes beschrieben.
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Bei der bekannten Denitrierung eines Gemisches von Schwefelsäure
und Salpetersäure wird nach dem Gegenstromprinzip die Säure oben im Turm aufgegeben
und von unten werden trockener Dampf, heiße Luft oder heiße Gase eingeführt. Dieses
Verfahren der direkten Einführung des zum Abdestillieren der Salpetersäure nötigen
Wärmemittels in das Gemisch beeinflußt aber die Gewinnung der Säure sehr ungünstig.
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Bei Anwendung des neuen Turmes werden nur die äußeren Wandungen der
Kanäle, in denen die Mischsäure herabfließt, von Heizgasen bestrichen, so daß weder
die Salpetersäure noch die Schwefelsäure verdünnt wird. Die Heizgase werden durch
Rohre direkt in die Kanäle a, b, c an der Stelle, an welcher sie am Umfang der untersten
Platten I, 2 auslaufen, eingeführt.
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Durch Vermeidung einer direkten Einführung der Heizgase werden diejenigen
großen Verluste an Salpetersäure vermieden, welche bei direkter Einführung des Heizmittels
durch Zersetzungen des entstehenden Salpetersäuredampfes und durch erschwerte Kondensierung
und Mitfortreißen der Säuregase entstehen. Ebenso läßt sich durch die Vermeidung
der direkten Einführung der Heizgase ohne nachteilige Beeinflussung der zu gewinnenden
Schwefelsäure ein ruhiges Verdampfen der leicht siedenden Salpetersäure und ein
gleichmäßiges ruhiges Fortführen ihrer Gase errelchen, so daß eine der Zusammensetzung
der Mischsäure entsprechende Hcchstkonzentration der Salpetersäure sowohl wie der
Schwefelsäure erzielt wird.
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Ebenso vorteilhaft läßt sich die Vorrichtung
beim
Konzentrieren von Salpetersäure und Schwefelsäure verwenden.
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Beim Konzentrieren der Salpetersäure in Türmen nach dem Gegenstromprinzip
heizt man die äußere Turmwandung und kann dadurch infolge örtlicher Überhitzungen
die bekannten Nachteile der Zersetzung von Salpetersäure und deren Folgen nicht
vermeiden. Ebenso große Nachteile sind mit denjenigen Verfahren und Apparaten verbunden,
bei denen unten heiße Luft oder heiße Gase dem oben aufgegebenen Flüssigkeitsgemisch
entgegengeblasen werden, weil auch hier Salpetersäurezersetzungen oder ein Verdünnen
und Fortreißen der Salpetersäuregase unvermeidlich ist. Bei Verwendung von Dampf
tritt noch der besondere Nachteil der Verdünnung der Schwefelsäure hinzu. Alle solche
Nachteile werden bei Verwendung der neuen Türme vermieden, weil dem Säuregemisch
kein Dampf und kein nachteilig wirkendes Gas entgegengeblasen wird, die nötige Wärmezufuhr
durch gesonderte Züge für die Heizgase erfolgt und eine Überhitzung und deren schädliche
Folgen sowie eine Verdünnung der Säuren nicht erfolgen kann.
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Mit allen Schwefelsäurekonzentrationsapparaten und-verfahren wird
das Ziel verfolgt, mit Hilfe nicht zu teurer Anlagen bei möglichst geringem Verbrauch
an Heizmitteln das Wasser aus der Schwefelsäure ohne Verluste an Säure auszutreiben.
Verwendet man den neuen Turm, so werden die zur Erhitzung der Schwefelsäure nötigen
Heizgase aus einem Koksofen mittels im Turme angeordneter Ventilatoren durch die
spiralförmig gewundenen, von dem Säurelauf getrennten Kanäle gesaugt, gleichen in
verschiedenen Höhen des Turmes ihre Wärme aus und stellen in den verschiedenen Horizontalquerschnitten
desselben eine einstellbare bestimmte Temperatur her. Die oben eingeführte dünne
Schwefelsäure durchfließt auf drei oder mehr Kanäle verteilt den in den beiden obersten
Platten vorgeschriebenen Weg, wird im obersten Hohlraum zusammengeleitet und ausgeschleudert
und läuft wiederum in mehreren Strängen durch die nächstunteren höhererhitzten Platten,
fließt in dem unterhalb gelegenen Hohlraum wieder zusammen und wird hier wie im
oberen Hohlraum behandelt. In den nach unten folgenden -Platten ist der Vorgang
derselbe. Diese wiederholte feinste Verteilung der wäßrigen Säure und die dauernde
Bewegung derselben in nach unten höher erhitzten Kanälen im Turme vermeidet Überhitzungen
und beschränkt das Verdampfen von Schwefelsäure.
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Die besonderen Vorteile des Turmes als Kondensationsapparat für Salzsäure,
Salpetersäure und andere Säuregase bestehen in dem gleichzeitigen Kühlen, Mischen
und Ausschleudern der Gase und der Flüssigkeiten. Das Kühlwasser läuft durch die
Spiralgänge von Platte zu Platte und hält die parallellaufenden-Wandungen der Kanäle
für die Säuregase kühl. Die Säuregase durchziehen auf langem, vorgeschriebenem Wege
den Turm in oftmaliger Verteilung auf die einzelnen Kanäle bei stetem Ausgleich
ihrer Geschwindigkeit durch tangentiale Einleitung in die Hohlräume, werden hier
gemischt und mit der herabfließenden Berieselungsflüssigkeit, der kondensierten
und gekühlten Säure in innigste Berührung gebracht.
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PATNT-ANSPRÜCHE: I. Verfahren zur Ausführung chemischer Reaktionen
unter Benutzung abgeschlossener Kühl- und Heizmittelwege, dadurch gekennt zeichnet,
daß die zu behandelnden Gase oder Flüssigkeiten zwischen den Kühl- oder Heizwandungen
in ständigem Gefälle aufwärts oder abwärts geführt und in bestimmten Abständen in
senkrechten Vereinigungsräumen (I2) aus den einzelnen Reaktionskanälen (A, B, C)
zusammengeführt und gemischt werden. z. Reaktionsturm zur Ausführung des Verfahrens
nach AnspruchI mit spiralförmig abwechselnd von der Mitte nach außen und umgekehrt
wieder nach der Mitte geführten Reaktionskanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die
Reaktionskanäle (A, B, C) samt den dazwischen liegenden Heiz- oder Kühlkanä-Ien
(a, b, c) je in einem Paar aufeinandergedeckter Platten (I, 2, 3, 4 usw.) derart
eingeschlossen sind, daß die Reaktionskanäle innerhalb ihrer Spiralform mit Gefälle
verlaufen.