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Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Reaktionen zwischen Gasen
unter Druck und bei erhöhter Temperatur in geschlossenem Kreislauf Es ist bekannt,
daß zur Ausführung katalytischer Reaktionen zwischen Gasen unter Druck und bei hoher
Temperatur verschiedene Apparate angewandt werden, die untereinander vermittels
Rohrleitungen verbunden sind, so daß sie bei einigen Verfahren einen offenen, bei
anderen einen geschlossenen Apparätd<reislauf bilden.
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Die einen solchen Kreislauf bildenden Apparate sind dazu bestimmt,
die Reaktionsgase zu erwärmen, das katalytische Material aufzunehmen, die Wärme
wiederzugewinnen, die in den aus der I Katalysenkammer austretenden Gasen enthalten
war, die durch die Reaktion gewonnenen Produkte zu kühlen, abzuscheiden und zu sammeln
und, im Falle eines geschlossenen Apparatekreislaufes, das Gasgemisch durch das
ganze Katalysensystem umlaufen zu lassen.
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Es wurde stets versucht, die Anzahl der für alle oben angeführten
Operationen erforderlichen Apparate auf ein Minimum zu beschränken. Einen ersten
Versuch dieser Art stellt ein zur Erzeugung von synthetischem Ammoniak bestimmter
Apparat dar, in dem die reagierende Mischung erhitzt, katalysiert und dann abgekühlt
wird, wodurch man das gebildete Ammoniak kondensiert und in einem eigens dazu bestimmten
Teil des Apparates selbst sammelt, während die Gase, welche nicht reagiert haben,
von neuem iiber den Katalysator streichen. Diesem Apparat fehlt jedoch eine Vorrichtung,
die die Wiedergewinnung eines beliebigen Teiles der von den katalysierten Gasen
besessenen Wärme gestattet, ferner zu eine - eine Regulierungsmöglichkeit für die
Geschwilldigkeit, mit der die Gase über den I Katalysator streichen. Ein diesem
Vorschlag entsprechender Apparat ist praktisch nicht angewandt worden. Die zur Durchführung
der obenerwähnten Reaktionen gebräuchlichen Katalysenapparate besitzen Einrichtungen
für die Katalysierung des Reaktionsgemisches sowie Vorrichtungen, die das Gas auf
die gewollte Temperatur bringen und einen Teil des Wärmeinhalts der katalysierten
Gase wiederzugewinnen gestatten.
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Die Kühlung der katalysierten Gase wird in einem anderen Kühler vervollständigt;
ein dritter Apparat dient dazu, aus dem nicht katalysierten Gas die im Kühler kondensierten
Reaktionsprodukte zu sammeln und abzuschneiden. Im ganzen verwendet man also wenigstens
drei einzelne Apparate, denen, falls der Prozeß in geschlossenem Kreislauf ausgeführt
wird, noch ein vierter Apparat hinzugefügt wird, der die Gase durch den Kreislauf
mit der gewünschten Geschwindigbreit kreisen zu lassen hat.
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Von den Gesichtspunkten ausgehend, die zur Vereinfachung des obengenannten
Hochdruckmaterials führten, haben die Erfinder einen Apparat erfunden, der alle
zur Ausführung katalytischer Reaktionen unter Hochdruck nötigen Funktionen iibernimmt,
d. h. die Erwärmung, die Katalyse, den Wärmeaustausch,
die Abscheidung
der gewonnenen Produkte und den Umlauf des Gasgemisches, ohne daß irgendeine Vorrichtung
zur Anwenduhg kommt, die nicht einen unmittelbaren Teil des Apparates oder, besser,
die nicht ein einziges Ganzes mit dem Apparat bildet.
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Ein solcher Apparat kann in verschiedenen Arten ausgeführt werden.
Als Beispiel führen wir in den beiliegenden Zeichnungen in den Abb. I und 2 die
senkrechten Ouerschnitte von zwei der Hauptausführungsformen an.
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In Abb. I, auf die wir in folgender Beschreibung Bezug nehmen, stellt
I ein Stahlrohr dar, das den Druck der Sich im Innern des Rohres selbst befindlichen
Gase widerstehen kann und oberhalb vom Deckel 2, unterhalb vom Deckel 3 verschlossen
ist.
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Konzentrisch an I ist Rohr 4 angebracht, an dessen unterem Teil der
Kegel 5 befestigt ist, der seinerseits von der flachen, mit Öffnung 7 versehenen
Oberfläche 6 abgestumpft ist.
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Konzentrisch an Rohr I befinden sich außerdem Rohre 8, 9, ro und 11
angeordnet.
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Rohr 8, vorzugsweise mit einer isolierenden thermischen Verkleiduilg
zu versehen, ist an seinem oberen Ende frei, während es unten vom Kegelstumpf I2
und vom Kreisboden I3, auf den der untere Teil von Rohr 11 geschweißt ist, verschlossen
ist. Auch 12 und 13, wie auch Rohr 10, von dem nachher die Rede sein wird, sind
vorzugxveise mit einer thermischen Isolierung zu versehen. Rohr 9 ist unterhalb
vom Diskus 14 geschlossen, der in seiner Mitte eine Öffnung aufweist,durch die Rohr
1I dicht fest hindurchgeht; RohrIo ist unterhalb frei. Rohr 11 besitzt unten die
Öffnungen I5, die den von ihm umschlossenen Raum mit dem zwischen I2 und 14 gelegenen
verbinden. Im oberen Teil des Apparates befindet sich Block I6, dessen. ringförmiges
Ende I7 den freien zwischen den oberen Enden der Rohre 4 und 9 befindlichen Raum
abschließt; Block 16 schließt oberhalb auch den zwischen Rohr 10 und II gelegenen
Raum und ist mit den beiden Öffnungen 18 und 18' versehen, durch welche die beiden
therimoelektrischen I Kuppeln 19 und 19' hindurchgehen. In Block 16 befinden sich
außerdem die Öffnungen 20, welche den zwischen den Rohren I und 4 gelegenen Raum
mit dem zwischen Rohren 9 und 10 gelegenen verbinden. In dem von Rohr II eingeschlossenen
kreisförmigen Raum befindet sich die elektrische Heizvorrichtung 21. Im unteren
Teil des Apparates befindet sich, wie in der Abbildung angegeben, der vom besonderen
vom Deckel3 getragenen Stück 23 gebildete Diffusionskonus 22. In dem zwischen Rohr
I und 4 gelegenen Raum befindet sich ein beliebig ausgebildeter Kühler, der auch
einen Teil des inneren Raumes von Rohr 1, der unterhalb der Oberfläche 5 angebracht
ist, einnehmen kann. Zu diesem Zweck ist in der Abbildung ein Schlangenrohr 24 dargestellt,
von einem beliebigen kalten Fluidum durchlaufen, welches durch 25 eine und durch
26 austritt. Die Konstruktion des Kühlers muß in zwed<mäßiger Weise verhüten,
daß die sich in dem zwischen Rohr I und 4 gelegenen Raume befindlichen Gase mit
der inneren Oberfläche von Rohr 1 in Berührung kommen. Sowohl Rohr 1 wie Deckel
2 können mit Kühlvorrichtungen versehen sein, die unabhängig oder nicht von der
sich in dem zwischen Rohr I und 4 gelegenen Raum befindlichen sind. Das durch den
unteren Deckel 3 hindurchgehende Rohr 27 dient dazu, die zu katalysiereuden Gase
in den Apparat einzuführen. Dieses Rohr weist an seinem Ende .eine Düse zu auf,
die zusammen mit dem besondern Stück 23 einen richtigen Ejektor darstellt, der mit
dem Diftusionskonus 22 und der Saugleitung 29 ausgestattet ist. Die zu katalysierenden
Gase kommen an der Düse unter einem Drucke komprimiert an, der über dem im Apparat
herrschenden liegt, und folglich breiten sie sich bei ihrem Eintreten in den Apparat
aus, und ein Teil ihrer potentiellen Energie wird in kinetische Energie umgewandelt,
die vom Ejektor zur Erzeugung des Umlaufes der im Apparat selbst befindlichen Gase
benutzt wird. Mittels einer in der Abbildung nicht angeführten Vorrichtung ist es
möglich, die Düse 28 längs ihrer Achse zu verschieben, derart, daß die Lage der
Düse selbst dem Diffusionskonus gegeniiber verändert wird: im Innern der Düse befindet
sich eine Reguliernadel, die ebenfalls längs ihrer Achse mittels besonderer in der
Abbildung nicht angezeigter Vorrichtung verschoben werden kann. Durch Handhabung
dieser beiden Vorrichtungen ist es möglich, innerhalb der weitesten Grenzen sowohl
die Geschwindigkeit der Umlaufgase wie auch das Verhältnis zwischen dem kreisen
gelassenen Gasvolumen und dem der frisch eingeführten Gase zu verändern.
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Wie man aus der Abbildung sieht, durchlaufen die aus dem Kompressor
kommenden Gase, welche mit einer zweckmäßigen Menge von den schon im Apparat befindlichen
Gasen gemischt sind, zuerst den zwischen den Oberflächen 5 und I2 gelegenen Raum
und dann die zwischen Rohr 4 und 8, 8 und 9 und zwischen den Oberflächen 12 und
I4 gelegenen Räumen. Durch Öffnungen 15 kommen sie dann in den Innenraum von Rohr
II, in dem sich die elektrische Heizvorrichtung befindet. Aus diesem Raum treten
sie durch die .in dem oberen Teil von Rohr II gelegenen Öffnungen aus und durchlaufen
dann
den zwischen Rohr 10 und II gelegenen Raum, in dem sich der Katalysator befindet.
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Die Gase durchlaufen dann den zwischen Rohr g und 10 gelegenen Raum
und kommen durch den freien Raum 20 in den zwischen Rohr 1 und 4 gelegenen Raum,
wo sie auf eine znveckmäßige Temperatur dank der Kühlvorrichtungen, von denen oben
die Rede war, herabgekühlt werden. Während dieser Kühlung scheiden und verdichten
sich auf den flüssigen Zustand die sich gebildeten Verbindungen, die sich in dem
freien Raum 3I sammeln, von wo aus sie mittels Rohres 32 entnommen werden. Die Gase
werden jetzt durch die Leitung 29 von den eintretenden Gasen angesaugt und neuerdings
durch den Apparat in der schon beschriebenen Weise zum Umlauf gebracht.
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Wir bemerken, daß zwischen den Gasen, die den zwischen Rohr 8 und
9 gelegenen Raum durchlaufen, und denen, welche den Raum zwischen Rohr 9 und IO
durchlaufen, ein Wärmeaustausch stattfindet, durch dessen Wirkung die letzteren
Gase ihre Wärme den crsteren abtreten. Rohr 9 wird daher vorzugsweise mit Klammern,
Rillen usw. zu versehen sein, die seine Oberfläche vermehren, so, wie auch vorzugsweise
ganz oder zum Teil Rohr 4 damit zu versehen ist, durch das die Gase, welche den
zwischen diesem Rohr und Rohr I gelegenen Raum durchlaufen, einen Teil ihrer Wärme
den Gasen abtreten, die sich in dem zwischen demselben Rohr 4 und Rohr 8 gelegenen
Raum befinden.
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Abb. 2 stellt, wie schon gesagt, eine andere Ausführungsform desselben
Apparates dar, die sich hauptsächlicl von der vorhergehenden durch die beiden Metallblöcke
33 und, 34 unterscheidet, von denen der erste oberhalb, der andere unterhalb angebracht
ist, und von denen jeder mit zwei Reihen Öffnungen ausgestattet ist, wie sie die
Abbildung zeigt, und die dazu dienen, die hintereinander von den Gasen durchlaufenen
Räume untereinander zu verbinden. Die Lage und der Zweck jeder der beiden Reihen
Öffnungen ergibt sich klar beim Überprüfen der Abbildung, in der jeder der beiden
Teile, in die die Abbildung selbst von ihrer Achse geteilt ist, einen Querschnitt
darstellt, der derart gemacht ist, daß er eine Öffnung von jeder der beiden obengenannten
Reihen sichtbar macht.
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Abb. 3 und 4 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen eines Kühlertyps,
der sich in der Praxis als sehr lohnend zur gleichzeitigen Kühlung von Rohr 1 und
der durch den zwischen Rohr I und 4 gelegenen Raum laufenden Gase herausgestellt
hat. In der in Abb. 3 erläuterten Ausführungsform ist an Rohr I konzentrisch Rohr
35 angeordnet, welches, obwohl an sich nicht fähig, dem Druck, dem es unterworfen
ist, zu widerstehen, diesen doch, elastisch gegen ihn reagierend, Rohr 1 (welches
dem Druck zu widerstehen hat) zuleiten und sich diesem letzteren in seinen Formänderungen
anpassen kann, so daß zwischen den mit Rohr I und 35 in Berührung befindlichen Oberflächen
immer eine vollkommene Dichtung ausgeübt wird.
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Auf der äußeren Wand von Rohr 35 sind eine Reihe von Kanälen angebracht,
durch welche ein kaltes Fluidum hindurchgeleitet wird, das zur Erzielung der Kühlung
der Gase und des Rohres I auf eine angemessene Temperatur dient. In Abb. 4 ist Rohr
35 durch die beiden Rohre 36 und 37 ersetzt. In den beiden angegebenen Ausführungsformen
ist es zweckmäßig, daß die mit den Gasen in Berührung kommenden Oberflächen mit
Klammern oder Rillen ausgestattet sind. Durch diese Kühlertype ist die direkte Berührung
zwischen den Gasen und der inneren Oberfläche von Rohr I durchaus vermieden. In
den hier erläuterten Beispielen durchlaufen die Gase sechsmal den oberen Teil des
Rohrs, in dem sowohl die Reaktion wie auch die Wärmewiedergewinnungen stattfinden:
man kann jedoch Apparate bauen, in denen dieser Raum viel mehr Male durchlaufen
wird. So können auch die Gase, statt die in Abb. I und 2 angeführten Wege zu durchlaufen
und die schematisch in Abb. 5 und 8 wiedergegeben sind, andere Wege durchlaufen
wie die von den Abb.G und 7 schematisch wiedergegebenen. Die den Abb. 6 und 7 entsprechenden
Ausführungsformen haben wir nicht angcführt, da ihr Aufzeichnen auf Grund dessen,
was Abb. I und 2 wiedergeben, ein leichtes ist.
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In den bis hierhin beschriebenen Ausführungsformen hat man die Art
und Weise veranschaulicht, mit der man die vorliegende Erfindung im Falle eines
Svntlleserohrs anwendet, das von einer Reihe konzentrischer Räume gebildet wird,
von denen der zentrale die elektrische Heizvorrichtung enthält und von einem ringförmigen,
den Katalysator enthaltenden Raum umgeben ist, wobei dieser letztere seinerseits
von anderen ringförmigen Räumen umgeben ist. Jedoch kann die vorliegende Erfindung
ebensogut auf Syntheserohre angewandt werden, die Bauformen aufweisen, welche sich
von der hier zur Beschreibung der Erfindung selbst angewandten Ausffihrungsform
unterscheiden. Die mit dem Gebrauch des vorliegenden Apparates erzielt ten Vorteile
sind die folgenden: Verminderung der Anlagekosten, sowohl weil der Kostenpreis eines
Apparates dieser Art sich immer niedriger als die Summe des I Kostenpreises der
von ihm ersetzten Apparate stellt, als auch weil der von ihm beanspruchte Raum in
der Praxis derselbe ist, den in einer Anlage
gleicher Leistung
das alleinige Katalysenrohr einnimmt, größere Einfachheit der Anlage, da alle die
Leitungen ausgeschaltet sind, die in den' gewöhnlichen Synthesekreisläufen dazu
dienen, die verschiedenen Apparate untereinander zu verbinden, größere Leichtigkeit,
alle Kontroll- und Kommandovorrichtungen einer Syntheseeinheit untereinander zu
vereinigen, wodurch Arbeiter gespart werden, endlich bemerkenswerte Verminderung
des zu überwindenden Widerstandes beim Kreisenlassen der Gase mit dadurch bedingter
Ersparnis an der zur Erzielung dieses Gasumlaufes notwendigen Kraft.