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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von Reaktionen zwischen
Flüssigkeiten oder Gasen bei hoher Temperatur mit zentralem Reaktionsraum Bei der
Durchführung von chemischen Reaktionen zwischen Flüssigkeiten bzw.
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Gasen bei erhöhter Temperatur ist die Wiedergewinnung der Wärme der
Reaktion erzeugnisse von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
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Fast immer wird diese Wärme dazu a erwendet, die zur Reaktion bestimmten
Flüssigkeiten bzw. Gase auf Reaktionstemperatur zu bringen. Zu diesem Zwecke läßt
man die Reaktionsprodukte und die zur Reaktion bestimmten Flüssigkeiten bzw. Gase
durch eine-Wärmeaustauschvorrichtung hindurchgehen.
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Auf diese Weise wird die Menge der zu verbrauchenden Außenwärme auf
das Mindestmaß gebracht und bei exothermischen Reaktionen ist es sogar möglich,
Außenwärme überhaupt zu entbehren.
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Eine derartige Wärmewiedergewinnung ist in verschiedenen Industrien
üblich, beispielsweise bei der Katalyse von Schwefeldioxyd und von Kühleninonoxyd
sowie hei der synthetischen Erzeugung von Ammoniak und von Methylalkohol.
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Die Wärmeaustauschvorrichtungen sind manchmal außerhalb der Reaktionsvorrichtung
angeordnet, oder sie können auch einen Teil der Vorrichtung selbst bilden.
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Mit den bisher bekannten Apparaten wird indessen der heabsichtigte
Erfolg nicht immer erreicht. Beispielsweise ist eine Vorrichtung bekannt, in der
um den Kontaktraum herum eine Anzahl von Zylindern aus wärmeisolierendem Stoff derartig
angeordnet sind, daß dazwischen eine Anzahl hohlräume vorhanden sind, die sich parallel
zur Achse des Kontaktraumes erstrecken. Innerhalb dieser Räume befinden sich an
den Enden U-förmig gebogene enge Röhren von kleinem Durchmesser, durch die das katalysierte
Gas im Gegenstrom zum Frischgas hindurchgeleitet wird. In diesem Apparat haben die
Gase beim Durchgang einen großen Reibungswiderstand zu überwinden, der von den Wänden
des Raumes, in dem die Gase selbst strömen, herrührt. Dies trifft besonders für
die aus der Reaktionskammer austretenden Gase zu, die eine Reihe von Röhren mit
sehr kleinem Durchmesser durchströrnen müssen. Infolgedessen ist der Betrieb dieser
Vorrichtung umständlich und die Beaufsichtigung der inneren Teile des Apparates
schwierig.
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Bei der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung, die dazu dient,
Flüssigkeiten bzw.
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Gase bei erhöhter Temperatur umzusetzen,
wird die
Wärme der Reaktionsprodukte fast gänzlich wiedergewonnen und zur Erwärmung der reagierenden
Flüssigkeiten bzw.
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Gase, gegebenenfalls aber auch zu anderen Zwecken verwendet.
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Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum
in der Mitte der Vorrichtung angeordnet ist und daß der frei gelassene Raum in zwei
Reihen von Ringräumen durch eine Wärmeaustauschfläche und durch eine Doppeireibe
von Wänden aus wärmeleitendem oder nichtwärmeleitendem Stoff geteilt ist. In der
einen Reihe der Ringräume strömen die Flüssigkeiten bzw. Gase und in der anderen
die heißen Reaktionsprodukte. Diese geben ihre Wärme an die Flüssigkeiten oder Gase
ab, wobei der Wärmeaustausch sich im Gegenstrom vollzieht. Die verschiedenen Teile
sind voneinander unabhängig, können leicht voneinander getrennt werden und vermögen
sich bei Erwärmung auszudehnen, ohne daß die Ausdehnung auf die anderen unter dem
Einfluß der Wärme stehenden Teile einwirkt.
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Die Vorrichtung ist iii einer beispielsweisen Ausführungsform in
den beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen Abb. I einen senkrechten Schnitt,
Abb. 2 einen Grundriß desselben darstellt, während Abb. 3 und 4 senkrechte Schnitte
einer baulich etwas abweichenden Vorrichtung sind.
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Natürlich ist durch diese Zeichnung die Vorrichtung nicht beschränkt,
sondern kann auch anders ausgebaut werden.
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So zeigen beispielsweise die Abb. I und 2 die Vorrichtung in zylindrischer
Ausgestaltung, diese ist aber nicht für den Erfindungsgegenstand notwendig.
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In diesen Abbildungen ist A die Außenwand der Vorrichtung, B der
Raum, in dem sich die Reaktion vollzieht, und C und D zwei Deckel zum dichten Verschluß
der Vorrichtung. Der obere Deckel C trägt die beiden zylindrischen Wände F, G, die
bis nahe an den unteren Deckel D reichen, der seinerseits die beiden an C heranreichenden,
E on den Wänden P3 G abstehenden, zylindrischen Wände H und Q trägt. Offenbar können
auch mehr als zwei Wände von jedem Deckel getragen werden.
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Zwischen diesen Wänden ist die Fläche E angeordnet, durch die der
Wärmeaustausch stattfindet. Sie ist aus Metall und kann ganz oder teilweise mit
Plättchen oder Rillen oder ähnlichen Vorrichtungen zur Erhöhung der Wirksamkeit
des Wärmeaustausches versehen sein. In der dargestellten Ausführung besteht diese
Fläche aus fünf konzentrischen Wänden J, K, L, M, 1\T, deren jede mit der vorangehenden
und nachfolgenden durch zwei kreisrunde Kränze 0, P, Z, R (Abb. I), einen-am oberen
und einen am unteren Rande, verbunden sind.
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Die kalten reagierenden Flüssigkeiten bzw.
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Gase können z. B. bei I eintreten und durch die Räume zwischen den
Wänden A und J, K und H, H und L, M und' Q, Q und N hindurchströmen und so in den
Raum B treten, wo sich die Reaktion vollzieht und dann durch die Ritume zwischen
den Wänden G und M, G und L, K und F, F und J hindurch bei 2 austreten. Natürlich
können die Flüssigkeiten bzw. Gase auch bei 2 eintreten und die Reaktionsprodukte
bei I austreten.
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Wenn die sich in B vollziehende Reaktion endothermisch oder nur schwach
exothermisch ist, so kann z. B. der Raum zwischen Q und N mit einer elektrischen
Eeizvorrichtung, z. B. einer Spule (wie in Abb. 3) versehen sein, wobei dann die
kalten Flüssigkeiten bzw. Gase bei I eintreten. Diese Heizvorrichtung kann im Innern
der Anlage angeordnet sein, wie z. B. in Abb. 4 dargestellt.
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Abb. 5 gibt eine praktisch sehr vorteilhafte Ausgestaltung der in
ihren Hauptzügen in Abb. I dargestellten Vorrichtung wieder.
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Abb. 6 stellt einen senkrechten Schnitt des unteren Teiles eines Bestandteiles
dieser Vorrichtung dar. Abb. 7 gibt den Grundriß desselben Bestandteiles wieder.
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Bei der Vorrichtung nach Abb. 5 ist der mittlere Teil W durch Flanschen
V mit dem zweiten von den beiden zylindrischen Flächen S und T gebildeten Teil der
Vorrichtung verbunden.
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Diese zylindrischen Oberflächen sind durch einen kreisförmigen Kranz
U miteinander verbunden, der daran in an sich bekannter Weise, z. B. durch Schweißen,
befestigt ist; In analoger Weise ist auch ein dritter Teil der Vorrichtung mit dem
zweiten durch Flanschen V' verbunden.
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Die Dichtung der Flanschen gegen Flüssigkeiten oder Gase kann durch
eine Packung erzielt werden, die jeweils den in der Vorrichtung sich abspielenden
Reaktionen entsprechend gewählt wird. Diese Packung ist am kälteren Teil der Vorrichtung
angeordnet.
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Aus dem Bau der Anlage geht klar hervor, daß man nur die Zahl und
Abmessungen der Wärmeaustauschflächen zu ändern braucht, um die in den heißen Reaktionserzeugnissen
enthaltene Wärme zum größten Teil wiederzugewinnen.
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Ein anderer Vorteil besteht darin, daß die Temperatur in der Vorrichtung
regelmäßig von innen nach außen abnimmt. Dies ist besonders dann sehr wichtig, wenn
die Vorrichtung unter Druck steht, denn in diesem Falle hat die dem Druck ausgesetzte
Wand A eine sehr niedrige Temperatur. Sie ist somit
mechanisch besser
widerstandsfähig und u. auch gegen chemischen Angriff geschützt, dem sie durch Berührung
mit den Flüssigkeiten bzw. Gasen bei höheren Temperaturen ausgesetzt sein kann.
Die Flüssigkeiten bzw.
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Gase, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfindet, fließen im Gegenstrom,
so daß ein schneller und vollständiger Wärmeaustausch erzielt wird.
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Die Wände F, G, H, Q brauchen nicht aus nichtleitenden Stoffen zu
bestehen, denn der Wärmeunterschied zwischen den Flüssigkeiten bzw. Gasen an den
beiden Seiten jeder Wand ist verhältnismäßig so gering, daß die etwa hindurchgehende
Wärmemenge belanglos ist. Die Vorrichtung kann also ganz aus Metall bestehen.
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Wie aus den Zeichnungen zu entnehmen ist, werden die durch Temperatursdnvankungen
in der Vorrichtung hervorgerufenen Ausdehnungen in keiner Weise behindert.
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Eine Beschädigung der Anlage oder eine Beeinträchtigung des Arbeitsganges
der Vorrichtung kann nicht auftreten. Dieses Ergebnis wird ohne Zuhilfenahme von
Stopfbüchsen oder Ausdehnungskupplungen erreicht. Hierdurch ist der Bau der Vorrichtung
sehr vereinfacht und ein etwaiger Ein-und Abbau erleichtert.
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Wenn einer der reagierenden Körper aus Dämpfen eines unter gewöhnlichen
Temperaturverhältnissen flüssigen oder festen Stoffes besteht oder aber aus einer
Flüssigkeit, die durch Schmelzen eines bei gewöhnlicher Temperatur festen Stoffes
gewonnen ist, so ist es möglich, wenn die heißen Reaktionserzeugnisse eine für den
Zweck ausreichende Wärmemenge besitzen, diesen Stoff an einem gegebenen Punkte in
den Lauf der reagierenden Flüssigkeiten bzw. Gase einzuführen, so daß die Verdampfung
bzw.
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Verflüssigung dieses Stoffes durch die von den Reaktionserzeugnissen
gewonnene Wärme bewirkt wird.
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Die Vorrichtung ist für katalytische Reaktionen ebenso gut geeignet,
wie für nicht katalytische Reaktionen. Wenn mit Katalysatoren gearbeitet wird, so
können diese durch Öffnungen in den Deckeln C und D ein-und ausgeführt werden. Man
kann also die Vorrichtung beschicken und entladen, ohne die Deckel abnehmen zu miissen.