DE548962C - Verfahren zur Ausfuehrung exothermer katalytischer Reaktionen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Ausführung exothermer katalytischer Reaktionen Es ist bekannt, die katal !-tische Oxydation von Schwefeldioxyd und andere exotherme katalytische Gasreaktionen in Vorrichtungen durchzuführen, die im wesentlichen aus einem Bündel von Rohren mit kreisförmigem, elliptischem oder polygonalem Querschnitt bestehen. Diese Vorrichtungen gestatten die in eine Vielheit von parallel geschalteten Einzelelementen unterteilte Kontaktmasse einer mehr oder weniger regelbaren Kühlung durch die relativ kalt eingeführten Ausgangsgase zu unterwerfen, wobei letztere gleichzeitig auf die Ansprechtemperatur der Kontaktmasse vorgewärmt werden. ian hat bisher sowohl Vorrichtungen verwendet, in denen die Iontaktmasse in parallel angeordnete, von den Frischgasen umspülte Rohre eingefüllt ist, als auch solche, in denen die zusammenhängende Kontaktmasse durch eingebaute, von den Frischgasen durchströmte Rohre durchsetzt ist. Wenn auch diese Vorrichtung mit technischem Erfolg zur Anwendung gelangt ist. so hat sich doch herausgestellt, daß sich in ihnen nicht immer die aus reaktionskinetischen Gründen zu erstrebende Temperaturverteilung erzielen läßt.
• Es wurde nun gefunden, daß sich in den erwähnten Rohrbündelvorrichtungen auch bei hohen Belastungen und unter Anwendung verhältnismäßig konzentrierter Gase die Temperatur leicht und mit großer Genauigkeit regeln läßt, wenn die Kontaktmasse zum Teil innerhalb der Rohre, zum Teil in den Räumen zwischen den Rohren angeordnet ist und wenn die Reaktionsgase nach partiellem Umsatz in einem der beiden Teile der Kontaktmasse zwecks Temperaturausgleichs in einen Sammelraum. wo gegebenenfalls eine Erniedrigmlg oder Erhöhung der ausgeglichenen Temperatur vor dem weiteren Umsatz vorgenommen wird, und dann nach Umkehrung der Strömungsrichtung in den anderen Teil der Iontaktmasse geleitet werden. Die Frischgase können entweder erst die I<ontaktrohre umspülen und dann durch die letzteren strömen oder umgekehrt geleitet werden. In den Fig. I bis 6 der beigefügten Zeichnungen sind verschiedene Möglichkeiten der Anordnung der Kontaktmasse zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens angeführt.
• Gemäß der in Fig. 1 veranschaulichten Arbeitsweise werden die l)ei 1 in die Vorrichtuiig eintretenden Ausgangsgase im Gegenstrom zu den die Kontaktrohre 2 durchströmenden Gasen geführt, erreichen im Wärmeaustausch mit diesen mindestens die zur Auslösung der Reaktion erforderliche Temperatur und treten dann in die zwischen den Rohren 2 gelagerte Kontaktschicht 3 ein.
• Die einsetzende Reaktion erhitzt die Gase, auf die eine äul3ere Kühlung an dieser Stelle nicht einwirkt, rasch auf die optimale Reaktionstemperatur. Die Höhe dieser Schicht ist mit der Geschwindigkeit und Konzentration der Gase in der Weise in Übereinstimmung zu bringen, daß die optimale Reaktionstemperatur nicht nennenswert überschritten wird.
• Die die Kontaktschicht verlassenden Gase sammeln sich in dem oberen Raum, treten dann unter Umkehrung der Strömungsrichtung in die Kontaktrohre 2 ein, werden hier in dem oberen leeren Teil im Wärmeaustausch mit den Frischgasen abgekühlt und gelangen in die Füllung der Rohre bei entsprechend ermäßigter Temperatur zwecks Vervollständigung der Umsetzung. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß in dem Sammelraum 4 infolge der durch die Umkehrung der Strömungsrichtung verursachten Wirbelströmung eine gute Durchmischung der Reaktionsgase erfolgt und eine äußere Zwischenkühlung der Reaktionsgase, wie sie besonders bei hochkonzentrierten Reaktionsgasen erforderlich ist, durch Verringern oder gänzliches Entfernen des die Vorrichtung umgebenden Wärmeschutzes an der Deckplatte 5 in der einfachsten Weise ermöglicht wird.
• Nötigenfalls kann man indessen auch die Deckplatte 5 mit Kühlelementen versehen (vgl.
• Fig. 2), was eine intensivere Zwischenkühlung ermöglicht. Diese Anordnung ist besonders für hochkonzentrierte Gase zu empfehlen.
• Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 ist ferner in den Kontaktrohren in der gleichen Höhe wie in den Zwischenräumen eine Kontaktschicht angeordnet. Ferner ist die Kontaktfüllung in den Rohren mehrfach unterteilt.
• Durch diese Unterteilung wird eine mehrfache Durchmischung der im Innern der Rohre strömenden heißeren Gase mit den kälteren an den Rohrwandungen strömenden Gase und demzufolge eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Reaktionsgas bewirkt. Die Durchmischung kann durch Einbau von Stauscheiben 6 verbessert werden. An Stelle einer Kühlung durch besondere Kühlmittel, wie Wasser o. dgl., an der Stelle des Übertritts der Reaktionsgase aus den Zwischenräumen in die Rohre kann mit Vorteil eine Kühlung durch Einführen kalter Frischgase mittels geeigneter Verteilerrohre erfolgen.
• In der Anordnung gemäß Fig. 3 durchströmen die Frischgase zunächst die Rohre 2 im Wärmeaustausch mit der außen gelagerten Kontaktmasse 3 und treten vorgewärmt in die im oberen Teilrohre befindliche Kontaktschicht ein. In die Rohre sind kegelförmig gestaltete Verdrängerkörper 6 zur weiteren Verbesserung des Wärmeaustausches eingebaut. Durch diese Verdrängerkörper wird bewirkt, daß die Kühlwirkung gerade an den Stellen in besonderem Maße erfolgt, an dellell aus reaktionskinetischen Erfordernissen eine stärkere Wärmeabfuhr erforderlich ist.
• Weitere Möglichkeiten der neuen Kontaktordnung sind in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt. Fig. 4 zeigt einen Ofen, bei dem sich der untere Teil der Kontaktmasse innerhalb der Rohre befindet, während der obere Teil auf einem Siebblech derart angeordnet ist, daß er die Rohre umgibt. Zur Vergrößerung des Durchflußquerschnittes des oberen Kontaktteiles erweist es sich als zweckmäßig, den Rohren auf dieser Strecke einen kleineren Durchmesser zu geben (Fig. a). Infolge der Stauwirkung, welche durch den den größeren Teil des Ofenquerschnitts ausfüllenden Vorkontakt hervorgebracht wird, erfahren die aufwärts strömenden Gase eine gleichmäßigere Verteilung. Der durch den unteren Teil der Rohre gebildete Vorwßärmer, in dem die vorzuwärmenden Gase im Kreuzstrom zu den Rohren strömen, ist mit Hilfe der Venteile 2 und 3 regulierbar, indem die zuströmenden Gase in größerer oder kleinerer Menge durch die Schlitze 4 oder durch die Schlitze 3 in den Ofenraum eintreten. In der Abbildung stellt 6 Manschetten aus Asbest dar. welche die Kontaktmasse an ihrem unteren Ende umgeben und den Zweck haben, die Wärmeabgabe der Kontaktmasse an dieser Stelle zu vermindern.
• Gemäß Fig. 5 befindet sich der obere Teil der Kontaktmasse innerhalb der Rohre, die zur Erzielung größerer Durchgangsquerschnitte aufgeweitet sind. Der untere Teil ist in den freien Zwischenraum zwischen den Rohren eingefüllt und ruht auf einem Siebblech. das mit Öffnungen für den Durchtritt der Rohre versehen ist. Die zur Umsetzung bestimmten Gase treten bei 7 ein. Sie strönien im Innern der Rohre nach oben. Zur Regelung der Wärmeübertragung auf diesem Wege können in die Rohre Einbauten eingebracht werden. Die Hohlzylinder aus Wärmeisoliermaterial 8 bewirken eine Verminderung des Wärmeüberganges am Ende der Kontaktmasse. 9 bedeuten in die Rohre eingesetzte Blindrohre, die als Verdrängungs-und Strahlungskörper wirken, indem sie einerseits durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Gase die Wärmeübertragung durch Konvektion und andererseits durch ihre strahlende Oberfläche die Wärmeübertragung durch Strahlung begünstigen. Werden diese Einbauten mit örtlich verschiedenem Durchmesser ausgeführt. so ist es möglich, den Wärmeaustausch so zu leiten, daß die optimale Temperaturverteilung in der Kontaktmasse erreicht wird. Nachdem die Gase diese mit Einbauten versehenen Rohrstrecken passiert haben, treten sie von unten her in den oberen Teil der Kontaktmasse ein, in dem sie eine teilweise Umsetzung erfahren. Die weitere Umsetzung findet in dem zwischen den Rohren eingefüllten unteren Teil statt. Die aus diesem austretenden Gase durchströmen in nach Bedarf einstellbaren Mengen entweder im Kreuzstrom den anschließenden Vorwärmerteil, in dem sie einen Teil ihrer Wänne auf die eintretenden, noch nicht umgesetzten Gase übertragen, um dann durch das Ventil lo die Vorrichtung zu verlassen, oder sie treten unmittelbar durch das Ventil 11 aus.
• Durch Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der die Frischgase ebenfalls zwecks Vorwärmung in Wärmeaustausch mit den Reaktionsgasen nach deren Austritt aus der letzten Kontaktschicht gebracht werden. Die bei I und 2 in die Vorrichtung eintretenden Frischgase umspülen zunächst die unteren, nicht mit Kontaktmasse gefüllten Teile der Rohre 3 und treten dann durch die Rohre, die mit Schlitzen 5 zur Verbesserung derGasverteilung versehen sind, in den oberen Teil der Vorrichtung über. Eine weitere Verliesserung der Gasverteilung und des Wärmeaustausches wird dadurch erreicht, daß die Kontaktrohre in ihrem unteren Teil auf einen engeren Durchmesser eingezogen sind. Der obere Teil der Kontaktrohre kann gemäß den obigen Ausführungen in verschiedener Weise gestaltet sein, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist.
• Der technische Fortschritt, der durch die vorliegende Erfindung erzielt wird, ist zusammengefaßt darin zu erblicken, daß der Ausnutzungsgrad der Kontaktmasse erheblich heizer ist als bei allen bisher bekannten Öfen, daß der Umsetzungsgrad der den Ofen verlassenden Gase in weiten Grenzen unabhängig von deren Menge und Konzentration ist und daß die Gase und Ävärmeverteilung im ()fenraum den reaktionskinetischen Forderungen entsprechend gestaltet werden kann.
• Aus diesen Gründen bietet die neue Arbeitsweise insbesondere für die Durchführung der eingangs erwähnten Reaktionen in großtechnischem Älaßstahe große Vorteile.
• Alaun hat zwar bereits bei der Ausführung exothermer Reaktionen die Kontaktmasse gleichzeitig in den Reaktionsrohren und in den Räumen zwischen den letzteren angeordnet, aber die besonderen Vorteile, die durch die vorliegende Arbeitsweise erreicht werden und die insbesondere darin bestehen, daß die Zusammenführung der Reaktionsgase in einen Sammelraum nach Durchströmen des ersten Teiles der Kontaktmasse und die Umkehrung der Strötnungsrichtung der Gase in sehr rvirksatner Weise einen Temperaturausgleich der meist mit verschiedener Temperatur aus der Kontaktmasse austretenden Gase hervorrufen, könnten bei jenem Verfahren nicht erzielt werden. Bei der vorliegenden Anordnung ist eine bequeme Kühlung der partiell umgesetzten Gase durch äußere Mittel oder durch Zusatz kälterer Gase, Maßnahmen, die an sich bekannt sein mögen, leicht möglich, und die Einführung und Entleerung der Kontaktmasse läßt sich ohne Schwierigkeiten bewerkstelligen. Während bisher gebräuchliche einfache Vorrichtungen ohne weiteres für den vorliegenden Zweck benutzt werden können, erfordern, die Anordnungen nach dem erwähnten bekannten Verfahren komplizierte Apparate mit ineinander geschachtelten Rohren, deren Ausführung als Rohrbündelofen in größerem Maßstabe kaum durchführbar ist.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zur Ausführung exothermer katalytischer Reaktionen, insbesondere der katalytischen Oxydation von Schwefeldioxyd, in Rohrbündelvorrichtungen mit ROhren beliebiger Querschnittsform, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktmasse zum Teil innerhalb der Rohre, zum Teil in den Räumen zwischen den Rohren angeordnet ist, und daß die' Reaktionsgase nach partiellem Umsatz in einem der beiden Teile der Kontaktmasse zwecks Temperaturausgleich in einen Sammelraum, wo gegebenenfalls eine Erniedrigung oder Erhöhung der ausgeglichenen Temperatur vor dem weiteren Umsatz vorgenommen wird, und dann nach Umgehrung der Strömungsrichtung in den anderen Teil der Kontaktmasse geleitet werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktmasse senkrecht zur Strömungsrichtung der Realitionsgase einmal oder mehrfach unterteilt ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch t und, dadurch gekennzeichnet. daß man an der Stelle des Übertritts der Reaktionsgase aus den Rohren in die Rohrzwischenräume bzw. umgekehrt eine Kühlvorrichtung für die Reaktionsgase anordnet.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung durch Zuführung kalter Frischgase bewirkt wird,
5. 5. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch I bis, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anwendung von Rohren mit örtlich verschiedenem Durchmesser. durch Einbau von Füllkörpern innerhalb oder außerhalb der Rohre, durch Wärmeisolation der Rohre oder durch mehrere dieser Maßnahmen eine optimale Wärmeverteilung erzielt wird.

   G. Ausfiihrungsform des Verfahrens nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar mit der Apparatur verbundene Vorrichtungen zur Erzielung eines guten Wärmeaustausches zwischen den Reaktionsgasen nach deren Austritt aus der letzten Kontaktschicht und den Frischgasen zur Anwendung gelangen, wobei die Gase durch die Wärmeaustauschvorrichtung in einstellbarer Menge, zweckmäßig im Gegen- oder Kreuzstrom zueinander, geführt werden.