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Verfahren zur Durchführung der katalytischen Atnmoniaksynthese unter
Druck oder anderer exothermer katalytischer Gasreaktionen bei erhöhtem Druck Bei
exothermen katalytischen Gasreaktionen, insbesondere dann, wenn sehr hohe Arbeitsdrücke
oder sehr aktive Katalysatoren oder beide Bedingungen gleichzeitig angewendet werden
und sich also hohe Konzentrationen an Reaktionsprodukten ergeben können,- werden
so große Reaktionswärmemengen frei, daß die Vermeidung einer Überhitzung des Katalysators
und damit ein Zurückgehen seiner Wirksamkeit bzw. ein vollständiges Inaktivwerden
der Kontaktmassen durch die bekannten Mittel nicht oder nur in beschränktem Maße
möglich ist. In solchen Fällen, d. h. bei obigen Betriebsbedingungen, muß daher
bis jetzt insbesondere bei großen Kontakteinheiten auf die Erreichung der hohen
Konzentrationen verzichtet werden, oder es kann nur mit kleinen Leistungen je Kontaktapparat
gearbeitet werden. Da ferner die Aktivität der Kontaktmasse nicht nur unter der
eintretenden Überhitzung leidet, sondern eine weitere. Ursache . des Zurückgehens
der Aktivität auch die in den Reaktionsgasen enthaltenen Verunreinigungen sind,
so ist die erreichte Konzentration an Reaktionsprodukten nicht konstant, und somit
schwanken auch die Beträge der auftretenden Wärmemengen.
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-Zur Durchführung derärtiger Reaktionen ist also nicht nur eine Kühlung
im allgemeinen notwendig, vielmehr müß in erster Linie die Kühlung ` eine genügend
wirksame Wärmeabfuhr ermöglichen; weiterhin ist es erforderlich, die Regelung dieser
Kühlung unabhängig vom Reaktionsverlauf und überdies genau und leicht ausführbar
zu gestalten.
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Eine den obigen Forderungen entsprechende Kühlung wird nach der vorliegenden
Erfindung dadurch erreicht, daß das Kühlmittel unabhängig vonr dem eigentlichen
Synthesegasstrom einen Kreislauf ausführt und seine in der Zeiteinheit bewegte Menge
beliebig, z. B. durch die Umdrehungszahl einer Transportpumpe, reguliert werden
kann, ohne hierdurch den Kontaktprozeß selbst auf irgendeine Art zu beeinflussen.
Der Kühlstrom wird nach Aufnahme einer entsprechenden Wärmemenge zum Unterschied
gegenüber bekannten Verfahren nach außen abgeführt, so daß also eine sehr wirksame,
auch: für die angegebenen Fälle- genügende Wärmeabfuhr erreicht wird. Gleichzeitig
wird aber.noch durch den Synthesegasstrom in Verbindung mit einem Wärmeisolierzylinder
die drucktragende Wandung vor schädlicher Erwärmung- vollkommen geschützt.
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Es ist zwar schon bekanntgeworden, die Kontaktmassen . zwecks - Vermeidung-
eines Ausbeuterüekganges, zu.kühlen, aber diese Verfahren betrifft nur . die Verhütung-
bzw, den Ausgleich von -lokalen Überhitzungen oder - sogenannten Heißstellen, wie
solche schon bei geringer Wärmebildung auftreten, durch Vorwärmen eines Teiles der
kalten Reaktionsgase
in einer in den Katalysator eingebetteten
Rohrschlange.
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Hierdurch ist aber niemals eine regelbare und wirksame Wärmeabfuhr
wie bei der neuen Erfindung möglich, da die Kühlgase in ihrer Menge beschränkt und-
direkt von den Synthesegasen abhängig sind und außerdem nach Durchströmen der Kühlschlangen,
d. h. nach Aufnahme der Wärme direkt in die Kontaktmasse und nicht aus derselben
fortgeleitet werden. Ferner ist dort auch nicht gezeigt, wie gleichzeitig der Druckwandung
ein vollkommener Schutz geboten werden kann.
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Auch ist schon vorgeschlagen worden, zur Kühlung und zum Schutz der
Hochdruckwandung die Synthesegase oder einen Teil derselben zwischen dieser und
einem Isolierzylinder hindurchströmen zu lassen. Dieses Verfahren sieht also ausschließlich
die Kühlung der Hochdruckwandung vor, aber nicht eine solche der Kontaktmassen.
Zwar werden die Synthesegase vor. Eintritt in den Katalysator durch Wärmeaufnahme
von den Kontaktsubstanzen vorgewärmt, aber hierdurch ist ebensowenig wie bei den
zuvor erwähnten Verfahren eine Wärmeabfuhr zu erreichen.
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Im nachstehenden soll an Hand der beiliegenden Zeichnungen die Ausführung
der Erfindung beschrieben werden.
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Die Einrichtung nach Abb. i besteht beispielsweise aus einem Hochdruckrohr
a, einem Isolierzylinder, der aus einem aus dünnem Blech hergestellten doppelwandigen
Zylinder e besteht, in welchem eine Füllung aus Wärmeisoliermasse f eingebracht
ist, einem Kontaktbehälter b, einer Transportpumpe l und einem Kühler k.
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Die vom Kompressor kommenden Gase werden mit den als Kühlmittel dienenden
und sich im Kreislauf bewegenden Gasen vereinigt und treten bei c in den Hochdruckraum
ein, wo sie sich in zwei Gasströme I und II teilen. Strom I nimmt seinen Weg durch
den zylindrischen Raum d, der gebildet wird durch das Hochdruckrohr a und den Isolierzylinder.
Dieser Isolierzylinder schützt das Hochdruckrohr a vor der vom Kontaktbehälter ausgestrahlten
Wärme. Die geringe Wärmemenge, die durch den Isolierzylinder hindurchtritt, wird
von dem dauernd in gleicher Stärke vorbeistreichenden Gasstrom I fast vollständig
aufgenommen, so daß das Hochdruckrohr vollkommen vor Wärmezutritt geschützt bleibt
und seine Temperatur nur in geringem Maße sich erhöht und infolgedessen Schädigungen
des Hochdruckrohres nicht auftreten. Am unteren Ende des Isolierzylinders sind in
die Doppelwand kurze Rohrstücke h eingeschweißt, die den Gasen I den Weg zur Kontaktmasse
freigeben. Die Reaktionsprodukte verlassen das Kontaktrohr durch den Rohrstutzen
m. Der andere Teilstrom II durchfließt den Ringraum g zwischen dem Isolierzylinder
e und dem heißen Kontaktzylinder h, wobei er sich natürlich erwärmt. Die heißen
Gase treten dann bei i aus dem Hochdruckrohr und gelangen von dort in den Kühler
k, wo sie ihre aufgenommene Wärme wieder abgeben, um dann über eine Transportpumpe
L in die Zuführungsleitung zurückzugelangen. Die Kühlwirkung ist natürlich um so
größer, je mehr Gase man in der Zeiteinheit an dein Kontaktzylinder vorbeistreichen
iäßt, d. h. je schneller man die Transportpumpe laufen läßt. Durch eine genaue Regelung
der Umdrehungszahl dieser Pumpe in Verbindung mit der Benutzung genauer Teinperaturmeßäpparate
hat man es jederzeit in der Hand, die Temperatur der Kontaktmasse in den jeweils
für einen glatten Reaktionsverlauf günstigsten Grenzen zu halten, Der Kompressor
hat natürlich nur die diesem Gasstrom I entsprechende Gasmenge zu liefern. Es wird
daher zur Kühlung stets dieselbe Menge an Kühlmittel verwendet, wobei dessen Wirkung
nur durch die Umdrehungszahl der Transportpumpe bestimmt wird.
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In der Vorrichtung nach Abb. a werden zur Kühlunb nicht die Kontaktgase
selbst herangezogen, sondern hier bildet das Kühlmittel einen vollkommen in sich
geschlossenen Kreislauf. Der Vorgang ist der gleiche wie in Abb. i, nur ist für
den Gasstrom II ein gesonderter Zuführungsstutzen at notwendig.
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Wie gleich zu Beginn der Beschreibung bemerkt wurde, ist diese Kühlung
ganz allgemein für exotherme katalytische Gasreaktionen bestimmt und können bei
entsprechender Form und Größe der Kontakträume die Kühlflächen auch als Kühlrohre
oder Kühlschlangen im Innern der Kontaktmasse untergebracht werden, wobei der Kühlgasstrom
das Innere dieser Röhren durchströmt. Derartige Anordnungen veranschaulichen die
ohne weiteres verständlichen Abb. 3 und q.. Beispiel i Ein im Schmelzfluß aus Eisen
unter Zusatz von Aktivatoren hergestellter Ammoniakkatalysator ergab bei einem Arbeitsdruck
von 6oo at und einem Gasdurchsatz von 5 1/min eine Ausbeute von 25 °%. Bei
Erhöhung des Arbeitsdruckes auf 650 at traten bereits Überhitzungserscheinungen
auf, die Ausbeute an Ammoniak wurde stark, schwankend und ging auf etwa :22 bis
@3 °@o zurück.
Wurde nun ein Kühlstrom gemäß des vorliegenden Verfahrens
angewandt, so konnten bei Arbeitsdrücken von 65o bis 700 at mit dem gleichen
Katalysator und unter denselben Bedingungen anstandslos und in gleichmäßiger Ausbeute
etwa 30 °/o erreicht werden, und zwar bei einem Gasdurchsatz von 5,81[min.
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Beispiel z Bei einer anderen sehr aktiven Kontaktmasse, die nach einem
besonderen Verfahren hergestellt wurde, traten bereits bei 43o bis 45o at und einer
Gasgeschwindigkeit von 5,61rmin Schwankungen in der Ammoniakbildung ein und ein
Ausbeuterückgang auf etwa 2o bis 22 °%. Derselbe Katalysator gab unter Anwendung
des neuen Verfahrens bei 6oo at und einer Gasgeschwindigkeit von 6 lfmin unter sonst
gleichen Bedingungen eine gleichmäßige Ammoniakentwicklung und eine Ausbeute von
über 30 °/o.