-
Vorrichtung zur Durchführung exothermer katalytischer Gasreaktionen
Bekanntlich ist es bei exotherm verlaufenden Gasreaktionen zweckmäßig und oft sogar
notwendig, die Reaktion entweder in mehreren Stufen vor sich gehen zu lassen unter
Anwendung von Zwischenkühlern oder die Reaktionswärme auf irgendeine Weise im Augenblick
der Entstehung abzuführen und damit die Reaktionstemperatur zu regulieren und auf
solcher Höhe zu halten, daß bei einer bestimmten Reaktionsgeschwindigkeit und dem
entsprechenden Gasgleichgewicht ein möglichst großer Umsatz erreicht wird.
-
Hierfür ist es erforderlich, daß die Temperatur während des Verlaufes
der Reaktion im Kontaktraum annähernd konstant ist oder in der Kontaktschicht in
Richtung des Gasweges langsam abnimmt, da die Reaktionsgeschwindigkeit zwar mit
fallender Temperatur abnimmt, sich hierbei jedoch das Reaktionsgleichgewicht in
manchen Fällen in günstigem Sinne verschieben kann; erfahrungsgemäß ist z. B. bei
der Ammoniaksynthese die Ausbeute am besten, wenn die Temperatur im unteren (von
den Gasen zuletzt durchströmten) Teil des Kontaktraumes abfällt.
-
Es sind nun schon Ofen konstruiert worden, bei welchen zu diesem
Zwecke der Kontaktraum in einzelne, parallele, mit I Kontakt gefüllte Rohre aufgelöst
ist, die an beiden Enden in einem Rohrboden befestigt sind und im Betrieb von dem
ankommenden kalten Frischgas umspült werden, bevor dieses in die Kontaktmasse eintritt.
Bei dieser Anordnung ist aber der ganze Ofenraum wegen des Abstandes der Rohre voneinander,
der nötig ist, um dem Gas den Eintritt in das Rohrbündel zu ermöglichen, sehr schlecht
ausgenutzt. Aus dem gleichen Grunde ist auch die Wärmeübertragung vom Kontakt auf
das Frischgas sehr unvollkommen.
-
Auch ist vorgeschlagen worden, den Kontakt um die Rohre herum zu
lagern, wobei diese einen noch größeren Abstand voneinander haben müssen. Das Frischgas
geht dabei erst durch die Rohre von unten nach oben und dann durch den Kontakt von
oben nach unten. Auch hier ist der Wärmeaustausch naturgemäß schlecht wegen der
geringen Oberfläche der Rohre.
-
Es wurde nun gefunden, daß man bei günstiger Raumausnutzung g eine
besonders gute Wärmeregulierung und damit einenbedeutenden technischen Effekt erzielen
kann, wenn man das Gas durch gegebenenfalls nur an einem Ende in einem Rohrboden
befestigte Kontaktrohre leitet, die zu einem dichten Rohrbündel derart zusammengepackt
sind, daß die Lineargeschwindigkeit des außerhalb der Kontaktrohre an diesen vorbeigeleiteten
Frischgases größer ist als die Lineargeschwindigkeit des in den mit Kontaktmasse
gefüllten Rohren strömenden Gases Das
Frischgas wird hierbei zwecks
Wärmeaustausch mit dem Katalysator zunächst durch die zwischen den Rohren bleibenden
Zwischenräume und dann zweckmäßig in entgegengesetzter Richtung durch die mit dem
Katalysator gefüllten Rohre geleitet. Die Rohre sind zweckmäßig an dem Ende, an
welchem sie in einem Rohrboden befestigt sind, auf einen kleineren Durchmesser gebracht.
Die Verengung der Rohre bietet die Möglichkeit, das ankommende Frischgas über die
Zwischenräume zwischen den Rohren gleichmäßig zu verteilen. Die Wirkung der Anordnung
läßt sich u. U. noch wesentlich dadurch erhöhen, daß man an Stelle von Rohren mit
kreisförmigem oder ovalem Ouerschnitt zwecks besserer Ausnutzung der Oberfläche
Rohre mit polygonalem, z. B. quadratischem oder sechseckigem Querschnitt verwendet.
-
Das Aufheizen des Ofens auf Reaktionstemperatur wird zweckmäßig durch
elek trische Heizvorrichtungen bewirkt.
-
An Hand beiliegender Zeichnung sei eine Ausführungsform eines derartigen
Ofens näher erläutert: Fig. 1 stellt einen Vertikalschnitt eines Reaktionsofens
dar. Bei a tritt das kalte Frischgas in den Ofen ein, strömt zunächst am Ofenmantel
entlang und tritt am Ende des Leitrohres b in das aus Rohren mit kreisförmigem Querschnitt
bestehende Bündel ein, und zwar zunächst in die Rohrzwischenräume, die deutlich
aus der Fig. 2 ersichtlich sind. In den Zwischenräumen steigt das Gas hoch und tritt,
gegebenenfalls erhitzt durch eine elektrische Heizvorrichtung c, am anderen Ende
der Rohre in diese hzw. in die Kontaktschicht ein. Während es diese durchströmt,
wird die Reaktionswärme an das außen in entgegengesetzter Richtung vorbeiströmende
Frischgas abgegeben. Das Gasgemisch verläßt den Ofen bei d. Es ist hierbei nicht
nötig, daß die Rohre ganz mit Kontakt gefüllt sind. Sie können z. B. im oberen Teil
Kontakt enthalten, je nachdem es die betreffende Reaktion erfordert. Der übrige
Teil der Rohre dient lediglich als Wärmeregenerator.
-
Eine weitere Ausführungsiform, bei der die zugeführten Gase und die
durch den Kontakt strömenden Gase im Gleichstrom geführt werden, zeigt Fig. 3: Das
bei a eintretende kalte Gas streicht zwischen den mit Kontakt angefüllten heißen
Bündel röhren b nach unten (bezüglich der Gestalt der Zwischenräume vgl. Fig. 2
und 4), steigt durch das Zentral rohr z wieder nach oben, tritt in die Kontaktrohre
ein, die es in der Richtung von oben nach unten durchströmt und tritt bei c aus
dem Ofen aus.
-
Diese Anordnung ist insbesondere bei Realktionen, die mit großer
und nicht auf die ganze Kontaktlänge gleichmäßig verteilter Wärmeentwicklung verlaufen,
mit Vorteil anzuwenden. Es wird dadurch erreicht, daß an der Stelle, an der die
Wärmeentwicklung am stärksten ist, nämlich am Anfang der Kontaktschicht, die Wärmeabfuhr
durch das kalte Gas auch am größten ist, da hier die Temperaturdifferenz zwischen
äußerem und innerem Gas am größten ist.
-
Für manche Reaktionen kann es sich als zweckmäßig erweisen, das Frischgas
bis zu einem bestimmten Grade vorzuwärmen, um die Kontaktrohre nicht zu stark abzukühlen.
-
Das kann außerhalb oder innerhalb des Ofens entweder durch eine Heizung
beliebiger Art geschehen, oder es kann die Wärme des aus den Bündel rohren abziehenden
Gases durch einen Gegenstromwärmeaustauscher bekannter Konstruktion ganz oder teilweise
auf das Frischgas übertragen werden.
-
Die in manchen Fällen, z. B. bei der Verwendung von runden Röhren
nicht zu vermeidenden größeren Zwischenräume, die für die Wärmeregeneration ungünstig
sind, können weiterhin Idurch indifferente Füllkörper, z. B. ein, geschobene Eisenstäbe,
sehr weitgehen, d verkleinert werden. In technisch sehr einfacher Weise lassen sich
größere Zwischenräume vermeiden, wenn man den einzelnen Kontaktrnhren, wie schon
erwähnt, statt eines runden polygonalen z. B. quadratischen oder sechseckigen Querschnitt
gibt (s. Fig. 4).
-
Dadurch lagern sich die Rohre noch inniger zusammen, der Kontaktraum
wird im Verhältnis zum Gesamtraum größer, und das zu regenerierende Gas strömt mit
großer Geschwindigkeit zwischen parallelen Flächen von geringem Abstand, so daß
für den Wärmeübergang die denkbar günstigsten Verhältnisse geschaffen sind. Während
z. B. bei einem aus Rohren mit kreisförmigem Querschnitt bestehenden Bündel der
Querschnitt des zwischen den Rohren verbleibenden Raums im allgemeinen etwa 22 01o
des Gesamtquerschnittes des Rohrbündels beträgt, kann bei Rohren mit sechseckigem
Querschnitt dieser Zwischenraum beliebig, z. B. auf etwa 3 bis 5 01o, verkleinert
werden. Das Rohrbündel kann natürlich zu einem System mit beliebig geformtem Querschnitt
zusammengepackt sein. Auch ist es mitunter von Vorteil, zwischen die parallelen
Wände Zwischenstücke einzuschieben.
-
Man kann weiterhin die Rohre, beispielsweise solche von regulär sechsseitigem
Querschnitt, so mit den Längsseiten aneinanderlegen, daß Zwischenräume gänzlich
vermieden werden, so daß das Ganie einen durch Trennwände vielfach unterteilten
Raum darstellt.
Man benutzt dann den größeren Teil der Rohre als
Kontakträume, den zweckmäßig auf den Gesamtquerschnitt gleichmäßig verteilten Rest,
der beispielsweise IO 01o der Gesamtzahl der Rohre beträgt und der leer gehalten
oder mit Füllkörpern versehen sein kann, als Regenerationsräume. Bei dieser Ausführungsart
ist es zweckmäßig, den für die Wärmeregeneration bestimmten Räumen gemeinsame Wände
mit den angrenzenden Kontakträumen zu geben. Die eng aneinanderliegenden übrigen
Rohrwandungen bzw.
-
Trennwände übernehmen hierbei lediglich die Rolle einer Wärmeleitung
zu den Regenerationsräumen, in denen die auftretende Wärme vom Frischgas aufgenommen
wird.
-
Eine wesentliche Verbesserung der Ausnutzung des Ofenraumes sowie
der Wärmeregeneration kann bei Idieser Ausführungsart dadurch erzielt werden, daß
man in die leer gehaltenen Rohre oder in die von mehreren Rohren gebildeten rohrförmigen
Zwischenräume mit Kontakisubstanz gefüllte Rohre von geringerem Querschnitt, am
besten koaxial, und zwar so einsetzt, daß für den Durchtritt des Frischgases zwischen
äußerem und innerem Rohr nur wenig Raum bleibt.