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Verfahren zur Durchführung katalytischer Reaktionen zwischen Gasen
oder Dämpfen Bei vielen Reaktionen zwischen Gasen oder Dämpfen oder zwischen Gasen
und Dämpfen konnten praktische Ergebnisse nicht erzielt werden, wenn derartige Reaktionen
nur mit Hilfe von Kontaktsubstanzen möglich waren. Der Mißerfolg war meist darin
begründet, daß die drei Hauptbedingungen, nämlich hohe Wirksamkeit des benutzten
Katalysators, große Gasgeschwindigkeit und rasche Abführung der Reaktionsprodukte
aus der Reaktionszone, nicht oder nur unvollkommen gleichzeitig nebeneinander innegehalten
werden konnten.
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Vorliegende Erfindung bezweckt, die gleichzeitige Erfüllung dieser
Bedingungen zu ermöglichen. Nach dieser Erfindung werden die zu behandelnden Gase
oder Dämpfe mit Hilfe eines kreisenden Rades oder mit Hilfe eines Ventilators oder
auch eines ähnlich konstruierten Apparates schon gemischt oder ungemischt aus einem
oder mehreren Vorratsbehältern angesaugt. Bei katalytischen Reaktionen kann man
durch Ansaugen und gleichzeitiges Zerteilen der in Reaktion tretenden Gase mittels
des kreisenden Rades derartig große wirksame Kontaktflächen erzeugen, wie sie sonst
mit Katalysatoren nicht erreicht werden konnten. Hierdurch wird es erst möglich,
auch bei katalytischen Vorgängen derartig große Mengen an Gas oder Dämpfen pro Zeiteinheit
in Reaktion treten zu - lassen, daß viele dieser Prozesse nunmehr mit wirtschaftlichem
Nutzen im großen durchgeführt werden können, bei denen dies bisher nicht möglich
war.
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Aber auch- die Rentabilität derjenigen Gasprozesse, die heute schonmitErfolginGroßbetrieben
durchgeführt werden, kann durch das neue Verfahren ganz bedeutend erhöht werden.
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Dies ist ganz besonders deswegen der Fall, weil mittels des neuen
Verfahrens nicht nur die wirksame Oberfläche der Katalysatoren vergrößert wird,
sondern auch vor allem die Reaktionsprodukte äußerst rasch aus der Reaktionszone
abgeführt und die Reaktionsgase aufs innigste gemischt und sehr leicht erwärmt und
gekühlt werden können.
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Die Flügel oder Schaufeln des kreisenden Rades werden derartig ausgebildet,
daß sie die Katalysatoren entweder selbst bilden oder mit sich führen und gleichzeitig
für die Erhitzung oder im Bedarfsfalle auch für die Kühlung der Kontaktsubstanzen
sorgen. Bei Kontaktsubstanzen, die in Drahtform oder in duktilem Zustande vorliegen
oder erzeugt werden können, werden die Flügel oder Schaufeln aus diesem Material
hergestellt. Dies wird immer dort angebracht sein, wo der Katalysator zwecks Einleitung
der Reaktion nur angeheizt werden muß und wo dann die Reaktion durch ihre eigene
Wärmetönung aufrechterhalten wird, oder wo die Katalysatoren zweckmäßig dauernd
mittels des elektrischen Stromes erhitzt werden können.
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Wo diese Bedingungen nicht vorhanden sind, werden die Flügel aus einem
die Wärme und Elektrizität leitenden oder isolierenden Material hergestellt, je
nachdem die Kontaktsubstanz durch Verbrennung von Gasen oder mittels Elektrizität
angeheizt oder dauernd erhitzt werden soll. In diesem Falle werden die Kontaktsubstanzen,
wenn sie in Draht-, Netz- oder Spiralform zur Anwendung kommen, auf den Flügeln
des Ventilators, oder wenn sie in Pulver-oder Brockenform vorliegen, im Hohlraum
der Flügel untergebracht. Ebenso sind zwecks Heizung der Kontaktsubstanzen, die
auf den Flügeln angebracht sind, die Flügel des kreisenden Rades hohl ausgebildet,
so daß die Heizgase in diesen Hohlräumen verbrannt werden können, während die Abgase
hiervon durch einen am Rande des Flügels angebrachten, mit einer Wulst versehenen
Ring abgeführt werden. Diese Hohlräume können gegebenenfalls auch zur Kühlung der
Kontaktsubstanzen mit Luft oder Wasser u. dgl. dienen.
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Die Wirksamkeit des Katalysators, die außer von der chemischen Zusammensetzung
in der Hauptsache von seinen physikalischen Eigenschaften, insbesondere von dem
Verhältnis der Oberfläche zur Masse, abhängt, kann beidem Verfahren gemäß der Erfindung
bis zu einem Höchstmaße gesteigert werden. Man hat es durch richtige Auswahl der
Umdrehungszahl des kreisenden Rades pro Zeiteinheit in der Hand, die Oberfläche
des Katalysators so oft mit den zu behandelnden Gasen in Berührung zu bringen, als
die Verteilung der Gase durch die Flügel des Rades erfolgt. Durch diese Maßnahmen
können die in Reaktion treten den, durch die Flügel zerteilten Gasmassen je nach
der Umdrehungszahl des kreisenden Rades um ein Vielfaches mehr mit den Kontaktsubstanzen
in Berührung gebracht werden, als dies bei ruhenden Kontaktmassen der Fall ist Infolgedessen
kann die Gasgeschwindigkeit bei den einzelnen katalytischen Prozessen gegenüber
derjenigen, die bei bis jetzt bekannten Verfahren zur Anwendung kam, ganz bedeutend
gesteigert werden, so daß die Raumzeitausbeute um ein Vielfaches gesteigert wird.
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Die Gaszufuhr bei den einzelnen Prozessen wird bei der neuen Kontaktvorrichtung
auf höchst einfache Weise durch zweckmäßige Stellung der Flügel geregelt. Je nachdem
dieselben unter einem mehr oder weniger spitzen Winkel angeordnet sind, werden größere
oder kleinere Mengen Gas angesaugt.
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Ferner wird mit dem neuen Kontaktapparat auch die früher genannte
dritte Bedingung, deren Fehlen die Durchführung einer großen Anzahl von Gasreaktionen
unmöglich macht, weitgehend erfüllt. Es ist dies die schnelle Entfernung der Reaktionsprodukte
aus der Reaktionszone. Mit derselben Geschwindigkeit, mit welcher der Ventilator
die zu behandelnden Gase ansaugt, beseitigt er auch die gebildeten Reaktionsprodukte
aus der Reichweite der Katalysatoren. Sollte die Umsetzung bei dem Durchgang durch
das kreisende Rad keine ganz vollständige sein, so steht nichts im Wege, eine Anzahl
solcher Apparate hintereinanderzuschalten.
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Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich Gasreaktionen
sowohl ohne als mit Druck ausführen. Im letzteren Falle sind die zu benutzenden
Drehorgane in die betreffenden Druckgefäße, wie Autoklaven, Druckrohre, Druckzylinder
usw., einzubauen.
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Nach dem neuen Verfahren können eine große Anzahl von Oxydations-
und Reduktionsprozessen mit Gasen mit Erfolg durchgeführt werden. Von den Prozessen,
die nach dem neuen Verfahren ausgeführt werden können, soll z. B. derjenige der
Ammoniakverbrennung und die dazu verwendete Apparatur an Hand der beiliegenden Zeichnung
näher beschrieben werden.
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Abb. I ist eine Seiten- und Abb. 2 eine Stirnansicht eines mit elektrischer
Heizung eingerichteten Propellers. Abb. 3 zeigt einen Axialschnitt durch einen hohlen
Propeller mit innerer Gasheizung. Abb. 4 und 5 sind teilweise geschnittene Stirn-und
Seitenansichten eines Schaufelrades, das mit einem Katalysator gefüllt ist.
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Da für die Ammoniakverbrennung sich Platin als der beste Katalysator
erwiesen hat, so können in diesem Falle beispielsweise die Flügel des Ventilators
selbst aus Platin, und zwar aus geripptem oder gewelltem Platinblech oder aus Platindrahtnetz
oder Platinspiralen, hergestellt worden sein. Um den Katalysator auf die Reaktionstemperatur
zu bringen, kann er mit einem Gebläse angeheizt oder zum Leiter eines elektrischen
Stromes gemacht werden. Man kann aber auch die Flügel aus einem isolierenden Material
herstellen und das den Katalysator bildende Platin in Draht- oder Netzform darauf
befestigen, wie in Abb. I und 2 dargestellt. In diesem Falle ist z. B. der Draht
in Schleifen auf den Flügeln angebracht oder umgibt die Flügel in Windungen.-Die
Enden werden nach zwei Schleifringen geführt, die mit der Stromquelle verbunden
werden.
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In Abb. 3 sind Hohlilügel, z. B. aus Eisen, verwendet, die von innen
mit Gas geheizt werden.
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Zu diesem Zweck ist die hohle Welle durch eine Labyrinthdichtung mit
einer Gasleitung verbunden, und durchlöcherte Rohre im Innern der Flügel kommunizieren
mit der Bohrung der Welle. Verbrennungsluft kann durch Öffnungen eingesaugt werden.
Die Flammen brennen aus den Löchern der Rohre und werden durch eine Labyrinthdichtung
und ein Ringrohr abgeführt.
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Wenn Katalysatoren in Pulver- oder Brockenform verwendet werden sollen,
so kann die Vorrichtung nach Abb. 4 und 5 benutzt werden.
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Während bis jetzt bei der technischen Herstellung von Stickoxyden
durch Verbrennung von Ammoniak ; im allgemeinen nur geringe Gasgeschwindigkeiten
in Frage kommen, z. B.
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6,6 cbm pro Minute in jedem Element (s. hierzu »Die Luftstickstoffindustrie«
von Bruno Wasser S. 407), kann man bei dem neuen Verfahren in einem Element bei
einem Rohrdurchmesser von 500 mm mit einer Gasgeschwindigkeit von 20 m/sek. arbeiten,
wobei die Kontaktfläche des Elements zweimal 20 dm2 beträgt. Hat man also einen
Ventilator, der I 200 Umdrehungen in der Minute macht, so erhält man eine Kontaktfläche
von 40 X 20 800 dm2= 8 qm/sek.
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Durch die rasche Abführung der Reaktionsprodukte aus dem Kontaktbereich
werden zwei große Nachteile bei der Ammoniakoxydation beseitigt. Es ist dies einmal
der Zerfall der entstandenen Stickoxyde zu Stickstoff und Wasser, nach der Gleichung
: 4 NH3 + 6 NO = 5 N2 + 6 H20 + 43I,6 Cal.
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Da dieser Prozeß schon bei Temperaturen verläuft, bei denen eben
erst die Stickoxydbildung beginnt, so dürfte schon allein die Beseitigung dieses
Übelstaudes den außerordentlichen Wert des Verfahrens gemäß der Erfindung kennzeichnen.
Ferner wird durch dieses Verfahren erreicht, daß infolge der sofortigen Entfernung
der Reaktionsprodukte aus dem Kontaktbereich auch ein großer Teil der Wärmemengen
mit diesen entfernt wird, so daß niemals innerhalb des Kontaktbereiches derartig
hohe Temperaturen auftreten können, bei denen der Prozeß nach folgender Gleichung
verläuft: 4NH3+ 3 °2= 2 N2t f 6 H2O, wobei also die Oxydation des Ammoniaks nicht
bis zu den Stickoxyden, sondern bis zu dem Stickstoff erfolgt. Außerdem ist bei
dem neuen Verfahren eine Kühlung der Kontakte vorgesehen.
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Infolge dieser durch das Verfahren gemäß der Erfindung beseitigten
Nachteile können wir zur Ammoniakoxydation statt Luft Sauerstoff benutzen. Die großen
Vorteile der Benutzung von Sauerstoff an Stelle von Luft sind hohe Stickoxydkonzentrationen.
Infolgedessen kann deren Entfernung durch Verdichtung erfolgen, so daß die bis jetzt
notwendigen kostspieligen und großen Absorptionsanlagen in Wegfall kommen können.
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Es ist bereits früher schon vorgeschlagen worden, ein Porenmetall
als Kontaktsubstanz zu benutzen und aus diesem gewisse Teile der bei katalytischen
Prozessen zu benutzenden Reaktionsgefäße, wie z. B. Wandungen, Kühler, Verteilungsflächen
usw., herzustellen.
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Mit diesem Verfahren, das übrigens nur eine Idee, aber keinerlei
Ausführungsformen derselben angibt, können die Vorteile der Erfindung keineswegs
erreicht werden. Das ältere Verfahren befaßt sich auch nur damit, Teile bekannter
Kontaktvorrichtungen aus einem eigens für diesen Zweck präparierten Material herzustellen;
das eigentliche Kontaktorgan ist dabei nicht propeller- oder impellerartig ausgebildet.
Ein weiterer technischer Fortschritt bei dem Verfahren gemäß der Erfindung gegenüber
der bekannten Arbeitsweise besteht darin, daß das Kontaktmaterial auch in Pulver-
oder Brockenform usw. verwendet werden kann, während bei dem älteren Verfahren nur
mechanisch bearbeitbares duktiles Material in Frage kommt.
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Ebenso wie der Ammoniakoxydationsprozeß lassen sich nach dem neuen
Verfahren die verschiedensten derartigen Prozesse zwischen Gasen und Dämpfen mit
Luft, Sauerstoff, Ozon, Wasserdampf usw. durchführen. Als weiteres Beispiel sei
besonders die Herstellung von Formaldehyd aus Methan genannt. Gerade bei diesem
Prozeß hat sich das Verfahren gemäß der Erfindung sehr gut bewährt. Bis jetzt war
die Ausbeute bei diesem Prozeß infolge der Neigung des gebildeten Formaldehyds,
bei den für die einzelnen Katalysatoren in Frage kommenden Temperaturen in Kohlenoxyd
und Wasserstoff zu zerfallen, nur sehr gering, wurden dagegen die Temperaturen niedriger
gewählt, so blieb der größte Teil des Methans unzersetzt. Infolge der außerordentlich
großen Kontaktwirkung, wie sie das Verfahren gemäß der Erfindung schafft, und hauptsächlich
infolge der außerordentlich raschen Entfernung des entstandenen Formaldehyds mittels
des Ventilators aus der Reaktionszone werden obenerwähnte Nachteile ganz oder zum
großen Teile beseitigt. Bei der Formaldehyddarstellung können als Kontaktsubstanzen
Kupfer-undNickeldrähte oderNetze oderSpiralen aus Kupfer oder Nickel verwendet werden,
wobei die Flügel des kreisenden Rades vorteilhaft aus diesen Metallen hergestellt
oder auch pulverförmige und brockenförmige Kupfer- und Nickelkatalysatoren verwendet
werden können.
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Das Formaldehyd kann auch aus Acetylen und Sauerstoff oder aus Aceton
hergestellt werden.
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Weitere katalytische Prozesse, die nach dem vorbeschriebenen Verfahren
mit Vorteil ausgeführt werden können, sind u. a. die Herstellung von Acetaldehyd
oder Essigsäure aus Acetylen und Wasserdampf oder mit Wasserdampf und Sauerstoff
oder Luft, die Herstellung von Cyanwasserstoff aus Kohlenoxyd und Ammoniak.
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Ferner die Herstellung von Aminen aus Alkohol und Ammoniak. Ebenso
die Herstellung von Methan aus Wassergas, Kohlenoxyd oder anderen kohlenoxydhaltigen
Gasen, die Herstellung von Cyaniden aus Kohlenoxyd, Ammoniak und Wasserstoff, die
Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf zu Kohlensäure und Wasserstoff
usw.