DE4128202A1 - Reaktionsrohr aus aluminiumoxid und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Reaktionsrohr aus gasdicht gesintertem Aluminiumoxid, das auf der inneren Seite einen wendelförmigen Längssteg aufweist.

Gasdichte Keramikrohre werden eingesetzt, um beim BMA-Prozeß bei hohen Temperaturen ein Gemisch von Methan und Ammoniak katalytisch in Blausäure und Wasserstoff umzuwandeln (vgl. Chemie-Technik 1978, S. 231). Die Umsetzung erfolgt an einem Platinkatalysator, der auf der Innenseite eines Aluminiumoxidrohres aufgetragen ist. Die Rohre sind im Inneren einer Brennkammer aufgehängt und werden auf etwa 1250°C gehalten.

Die verwendeten Rohre sollten gasdicht und gegen hohe Temperaturen beständig sein. Ferner sollten sie an der Innenseite die erforderliche Menge Platin pro Flächeneinheit aufnehmen können. Die Beschichtung eines Aluminiumoxid- Kontaktrohres mit einer Platinlösung wird in Beispiel 1 der DBP 30 34 957 beschrieben. Die Herstellung von Aluminiumoxidrohren, die für den BMA-Prozeß verwendbar sind und die den Werkstoffklassen C 795 und C 799 nach DIN VDE 0335 Teil 3 zuzuordnen sind, ist seit langem Stand der Technik. Ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten Al₂O₃-Rohren mit erhöhter Rauhigkeit der Innenseite wurde in der DE-OS 37 34 914 beschrieben.

Man hat bereits versucht, durch erhöhte Rauhigkeit der inneren Rohroberfläche (DE-OS 38 34 907) oder durch periodische Querschnittsänderungen des Rohres (DE-OS 39 15 428), die Effektivität der Katalysatorbeschichtung sowie der Reaktionsausbeute zu erhöhen.

Es wurde nunmehr gefunden, daß die Reaktionsausbeute an Blausäure weiter erhöht werden kann, wenn auf der inneren Seite des Reaktionsrohres mindestens ein wendelförmiger Längssteg angeordnet ist. Ein Längssteg, der parallel zur Rohrachse verläuft, ist wirkungslos. Vermutlich ist die Erhöhung der Reaktionsausbeute auf eine Erhöhung des turbulenten Anteils in der Strömung der Reaktionsgase zurückzuführen.

Vorzugsweise beträgt die Höhe des Längssteges (gemessen zum Rohrmittelpunkt) 5 bis 25%, vorzugsweise 10 bis 20%, des inneren Rohrdurchmessers. Die Breite des Längsstegs beträgt aus Gründen der Haltbarkeit des Rohres und der Herstellung vorzugsweise 10 bis 20% des inneren Rohrdurchmessers.

Der bereits bekannte Kunstgriff, die innere Oberfläche des Rohres, die für die Aufnahme des Metallkatalysators bestimmt ist, mit hoher Rauhigkeit auszustatten (DE-OS 38 34 907), ist auch hier anwendbar. Ebenso kann man das aus der DE- OS 39 15 428 bekannte Verfahren, den Querschnitt des Rohres an mindestens zwei Stellen elliptisch zu verformen, benutzen.

Auf der inneren Oberfläche des Reaktionsrohres läßt sich, z. B. durch Eintauchen in eine Lösung mit katalytisch wirksamen Metallionen und Trocknen, ein Katalysator aufbringen. Wenn man auf der Innenseite des Rohres Salze eines Platinmetalls aufbringt, so bilden sich beim Erhitzen auf Gebrauchstemperaturen Platinmetalle. Ein so ausgestattetes Rohr läßt sich für die Hochtemperatursynthese von Blausäure aus Methan, Ammoniak und Sauerstoff verwenden.

Vorteilhafterweise werden Länge des Reaktionsrohres und Steigung des wendelförmigen Längsstegs so bemessen, daß der Längssteg, bezogen auf die Rohrachse, mindestens eine volle Kreisumdrehung macht. Mit steigendem Anteil des Rohrmaterials an Aluminiumoxid steigt die Beständigkeit gegen mechanische und thermische Einflüsse. Bevorzugt ist daher ein Rohrmaterial, das zu mindestens 90 Gew.-%, insbesondere zu mindestens 95 Gew.-%, aus Al₂O₃ besteht.

Vorzugsweise beträgt die Ganghöhe des wendelförmigen Längsstegs das 1- bis 20 fache des Innendurchmessers des Rohres.

Das erfindungsgemäße Reaktionsrohr läßt sich dadurch herstellen, daß man eine plastische Aluminiumoxid-Masse bereitet, die Masse durch eine Matrize preßt, deren Öffnung die Form eines Kreisrings aufweist, wobei in den Matrizenteil, der die innere kreisförmige Begrenzung darstellt, eine Nut schräg eingearbeitet ist, die mit der Strangpreßrichtung einen Winkel von 10 bis 70° bildet, das extrudierte Rohr frei drehbar aus der Matrize austreten kann, man das Rohr trocknet und einem keramischen Brand unterwirft.

Die Fig. 1 zeigt ein Reaktionsrohr (1) nach der Erfindung aus gasdicht gesintertem Aluminiumoxid, das auf der inneren Seite (2) einen wendelförmigen Längssteg (3) aufweist. Dieser ist am Übergang der Flanken (5) auf die Innenseite (2) gerundet. Fig. 2 zeigt vergrößert einen Bereich aus Fig. 1. Der Fuß (4) des Längsstegs (3) kann, wie gestrichelt angedeutet, breiter (4′) ausgeführt sein. Dadurch sind die Flanken (5′) entsprechend geneigt.

Fig. 3 zeigt einen Preßdorn (11) der beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann. Er wird in die etwas größere zylinderförmige Halterung einer Matrize (12) eingesetzt und dort mittels Gewinde (13) verschraubt, so daß ein zylinderförmiger Austritt (14) verbleibt. Der Preßdorn (11) weist am austrittsseitigen Ende die Form eines Zylinders (15) auf. In diesem Zylinder (15) ist eine Nut (16) wendelförmig eingefräst. Die Nut (16) führt zur Ausbildung des Längsstegs (3) im Reaktionsrohr (1). Die Neigung der Nut zu einer Mantellinie kann entsprechend den Erfordernissen abgewandelt sein. Mit (17) sind Materialzuführungen und mit (18) ein Befestigungsflansch bezeichnet.

Der Winkel, den die Nut mit der Strangpreßrichtung bildet, ist ein Maß für die Ganghöhe. Je größer der Winkel desto kleiner die Ganghöhe. Breite und Tiefe der Nut bestimmen die Geometrie des sich im Rohrinneren ausbildenden erhabenen Gewindeganges.

In der Fig. 2 ist das untere Ende des Preßdorns vergrößert (perspektivisch) dargestellt.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Rohr (4) mit einem ins Innere des Rohres ragenden Längssteg (5), dessen Kanten abgerundet sind.

Durch die Nut im Preßdorn erfährt das plastische keramische Rohr beim Extrudieren eine Drehung. Bei vertikaler Preßweise läuft die Drehung selbständig ab, bei horizontaler Preßweise muß die Drehung durch eine sich mitdrehende Seitenführung unterstützt werden. Alternativ kann auch der vordere (austrittsseitige) zylindrische Teil des Dornes gezielt drehbar um die Längsachse ausgebildet werden. Bei dem angegebenen Verfahren entsteht ein Rohr, dessen Innenwendel (= der Längssteg) sich über die gesamte Rohrlänge erstreckt.

Bei einem Rohr mit einem Innendurchmesser von 17 mm ragt vorzugsweise der Steg 2,5 bis 3 mm in das Rohrinnere hinein. Die Breite des Stegs beträgt vorzugsweise 2 bis 2,5 mm. Die Kanten sollten gut gerundet gestaltet werden, um Spannungen zwischen Steg und Rohrwandung zu verringern. Vorzugsweise beträgt die Ganghöhe 50 bis 300 mm, insbesondere 150 bis 250 mm.

Beispiel

Es wurde ein Rohr hergestellt mit der Gesamtlänge 2100 mm mit 10 Umdrehungen des inneren Stegs (Ganghöhe ca. 210 mm). Der äußere Rohrdurchmesser beträgt 21 mm, der innere Rohrdurchmesser 17 mm. Der Gewindezug ragt 2,5 mm in das Rohrinnere, seine Breite liegt bei 2,3 mm. Der Radius der Kantenabrundung beträgt ca. 1 mm. Auf eine Länge von 1400 mm wird das Rohr im Querschnitt verformt, indem im Abstand von 50 mm seitlich durch Eindrücken von jeweils zwei Stempeln der kreisförmige Querschnitt zu einer Ellipse zusammengequetscht wird, wobei sich nach jeweils 50 mm die Eindruckrichtung um 90° ändert.

Claims (12)

1. Reaktionsrohr aus gasdicht gesintertem Aluminiumoxid, dessen Querschnitt mindestens teilweise kreisrund ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr auf der inneren Seite mindestens einen wendelförmig angeordneten Längssteg aufweist.

2. Rohr gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Längsstegs 5 bis 25%, vorzugsweise 10 bis 20% des inneren Rohrdurchmesser ausmacht.

3. Rohr gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Längsstegs 10 bis 20% des inneren Rohrdurchmessers ausmacht.

4. Rohr gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mindestens teilweise an der inneren Oberfläche eine Rauhigkeit R_a von 2-10 µm, vorzugsweise 3-6 µm aufweist, während die Rauhigkeit R_a der äußeren Oberfläche 1-2 µm beträgt.

5. Rohr gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmige Querschnitt des Rohres an mindestens zwei Stellen elliptisch verformt ist.

6. Reaktionsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der inneren Oberfläche ein Katalysator vorhanden ist.

7. Rohr gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel, bezogen auf die Rohrachse, mindestens eine volle Kreisumdrehung macht.

8. Rohr gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrmaterial zu mindestens 90% aus Al₂O₃ besteht.

9. Rohr gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhe des wendelförmigen Längsstegs das 1- bis 20fache des Innendurchmessers ausmacht.

10. Verwendung des Rohres gemäß Anspruch 6, bei dem der Katalysator ein Platinmetall ist, für die Hochtemperatursynthese von Blausäure aus Methan und Ammoniak.

11. Verfahren zur Herstellung eines Reaktionsrohres gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine plastische Aluminiumoxid-Masse herstellt, die Masse durch eine Matrize preßt, deren Öffnung die Form eines Kreisrings aufweist, wobei in den Matrizenteil, der die innere kreisförmige Begrenzung darstellt, eine Nut schräg eingearbeitet ist, die mit der Strangpreßrichtung einen Winkel von 10 bis 70° bildet, das extrudierte plastische Rohr frei drehbar aus der Matrize austreten kann und man das getrocknete Rohr einem keramischen Brand unterwirft.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Brand das erhaltene noch plastische Rohr mit innerem Längssteg an mindestens zwei Stellen durch Eindrücken unter Ausbildung eines elliptischen Querschnitts verformt.