-
Verfahren und Vorrichtung zur Ausführung katalytischer exothermer
Gasreaktionen Um Gasgemische, die für exotherme Synthesen bestimmt sind, von schädlichen
Verunreinigingen zu befreien, unterwirft man diese Gasgemische katalytischen oder
nichtkatalytischen Reaktionen, durch welche die Verunreinigungen entweder in kondensierbare
oder in unschädliche Stoffe umgesetzt werden. Gewöhnlich leitet man die zu reinigenden
Gase durch ein - gegebenenfalls Katalysatoren enthaltendes -Reaktionsgefäß, das
mit den üblichen Heizeinrichtungen ausgestattet ist und auch einen Wärmeaustausch
zwischen den eintretenden und austretenden Gasen gestattet, so daß die für einen
praktisch vollständigen Verlauf der Reinigungsreaktion erforderliche Temperatur
eingehalten werden kann.
-
Wie ohne weiteres verständlich ist, spielen die Heiz: und Wärmeaustauscheinrichtungen
hierbei eine große Rolle, da ohne sie die Reaktionstemperatur nicht auf der erforderlichen
Höhe gehalten werden kann, wenn die Reinigungsreaktion nicht oder nur schwach exotherm
verläuft oder wenn der Gehalt des Gasgemisches an Verunreinigungen nur gering ist.
-
Es hat sich nun herausgestellt, daß die Reinigungsreaktion bedeutend
vereinfacht und vorteilhafter gestaltet werden kann, wenn hierbei die bei der Hauptreaktion
entstehende Wärme zur Aufrechterhaltung der erwähnten Reaktionstemperatur in der
Weise herangezogen wird, daß man die Reinigungsreaktion nicht in einem gesonderten
Reaktionsgefäß vornimmt, sondern die Haupt- und Reinigungsreaktion im Wärmeaustausch
und in unmittelbarer Berührung miteinander in einem gemeinsamen Behälter sich vollziehen
läßt. Man erhält so ohne eine wesentliche Vergrößerung der Apparatur einen Verlauf
der Reinigungsreaktion von wesentlich höherer Sicherheit und Regelmäßigkeit.
-
Zur Ausführung der Erfindung leitet man das frische, die Verunreinigungen
enthaltende Gas zunächst über die der Reinigung dienenden Stoffe und danach über
die der Hauptreaktion dienenden Katalysatoren, entweder in unmittelbarer Aufeinanderfolge
oder nach vorangegangener Entfernung der aus den Verunreinigungen gebildeten Stoffe
durch Kühlung oder durch sonstige Maßnahmen.
-
Die den beiden aufeinanderfolgenden Reaktionen unterworfenen Gasmengen
können natürlich auch verschieden groß sein, sei es, indem man der gereinigten Gasmischung
bestimmte Mengen von reinen Gasen hinzufügt, die z. B. dem Gasgemischanteil entstammen
können, der beim Bestreichen des Katalysators der Hauptreaktion unumgesetzt geblieben
ist, sei es, indem ein bestimmter Teil des gereinigten Gasgemisches abgetrennt wird,
bevor der Rest der Hauptreaktion unterworfen wird.
-
Soll beispielsweise ein Gasgemisch gereinigt werden, das für die
Synthese von Ammoniak bestimmt ist, so unterwirft man dieses einer
Reinigungsreaktion,
durch die der Sauerstoff zu Wasser umgesetzt wird, das Kohlenoxyd zu Methan oder
zu anderen lE4ohlenwasserstoffen und zu Wasser.
-
Beispielsweise Ausführungsformen des Verfahrens sind in der Zeichnung
erläutert, und zwar zeigt Abb. I einen Axialschnitt durch eine Vorrichtung zur Reinigung
mit unmittelbar darauffolgender Synthese, Abb. 2 einen Axialschnitt durch eine Vorrichtung
zur Reinigung und Synthese nach zwischengeschalteter Entfernung der Um setzungsprodukte
der Verunreinigungen.
-
Die Vorrichtung nach Abb. 1 besteht im wesentlichen aus einem drnckfesten
Reaktionsgefäß A. Die Stickstoff-Wasserstoff-Mischung, die ein wenig Sauerstoff
und ein wenig Kohlenoxyd enthält, tritt durch die Bohrung 1 ein, steigt im Ringraum
2 empor und erwärmt sich dabei, strömt durch das Rohr 3 wieder nach abwärts und
bestreicht danach die Katalysatorschicht B für die Reinigungsreaktion. Das durch
die Öffnungen 4 entweichende Gasgemisch enthält kein Kohlenoxyd mehr und trifft
im Ringarm C auf den Katalysator für die Ammoniakbildung, worauf es samt den unumgesetzten
Gasgemischanteilen und dem Wasserdampf bei 5 entweicht. Die im Ringraum C entstehende
Wärme dient teilweise dazu, im Ringraum B die für den vollständigen Verlauf der
Reinigungsreaktion erforderliche Temperatur aufrechtzuerhalten.
-
Sofern dies wünschenswert oder nötig ist, kann die Temperatur der
Gefäßwandung A mit bekannten Mitteln verhälinisrnäßig niedrig gehalten werden.
-
Bei der Durchführung des Verfahrens der Erfindung mit Hilfe der in
Abb. 2 dargestellten Vorrichtung umströmt das frische Gasgemisch, durch die Bohrung
1 der druckfesten Gefäßwandung 4 eintretend, zunächst die Hülse D und gelangt durch
die Öffnungen 2 in den Ringraum B, in dem sich der Katalysator für die Reinigungsreaktion
befindet. Durch das Rohr 3 mit der wärmeisolierenden Umhüllung L austretend, gelangt
das Gasgemisch zum Kühler Ii, in dem das Wasser und die anderen Reaktionsprodukte
der Verunreinigungen kondensiert werden, so daß sie im Gefäß 1 gesammelt und durch
den Hahn 7 abgelassen werden können.
-
Das Gasgemisch gelangt danach durch die Bohrung 4 der Reaktionsgefäßwandung
A in den Ringraum an der Innenseite der Hülse D und tritt durch die Öffnungen 5
mit der Katalysatorsubstanz im Ringraum C in Berührung.
-
Nach teilweiser Umsetzung zu Ammoniak entweicht der Gasstrom durch
die Bohrung 6. Durch die elektrische Heizeinrichtung E wird die erforderliche Temperaturhöhe
erreicht.
-
Das Verfahren ist im allgemeinen für katalytische exothermeReaktionen
anwendbar, denen eine Reinigungsreaktion vorausgeht, z. B. für die Ammoniaksynthese,
bei welcher das Gasgemisch durch Bindung des auszuscheidenden Kohlenoxyds mit einem
Teil Wasserstoff gereinigt wird. Für die Reinigungsreaktion wird z. B. ein Zinkoxydkatalysator
benutzt. Auch ist das Verfahren besonders geeignet für die Synthese von organischen
Sauerstoffverbindungen, wie Methylalkohol, aus Kohlenoxyd und Wasserstoff, bei welcher
vor der Reaktion die schwer entfernbaren organischen Schwefelverbindungen durch
Überleiten des Gasgemisches z. B. über einen Eisenoxydkatalysator ausgeschieden
werden. Schließlich ist auch die Synthese von Methan aus Kohlenoxid und Wasserstoff
zu erwähnen, bei welcher die Entfernung der Schwefelverbindungen in der oben angegebenen
Weise geschieht.
-
Beispiel In einer der Abb. 2 entsprechenden Vorrichtung wurden nacheinander
die katalytische Reinigung und die synthetische Behandlung eines Stickstoff-Wasserstoff-Gemisches
in für die Ammoniaksynthese erforderlichem Mengenverhältnis durchgeführt. Das Rohr,
das den für die Reinigung bestimmten Katalysator enthielt, hatte einen Durchmesser
von 50 mm und wics etwa 5 kg Katalysatormasse auf; das Rohr, welches den für die
Synthese bestimmten Katalysator enthielt, wies dagegen einen Durchmesser von 100
mm auf und enthielt 22 kg Katalysatormasse. Der Katalysator für die Synthese bestand
aus eisenhaltigem, katalvtischem Matenal, das nach Patent470 380 hergestellt worden
war. Den Katalysator für die Reinigung bildete eine gebrauchte katalytische Masse,
die vorher für die Ammoniaksynthese gedient hatte und einem Syntheserohr entnommen
worden war. Die Temperatur des Katalysators für die Hauptreaktion betrug ungefähr560"
beim Zutritt der Gase zu dem Katalysator und 400" beim Austritt der Gase; das gasförmige
Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch wies einen Druck von etwa 1000 Atm. auf, während
sein Gehalt an Kohlenoxid und Sauerstoff I°/o und sein stündlicher Durchgang 300
cbm betrug. In dem Abscheidegefäß J sammelte sich stündlich eine Wassermenge von
2,51 an. Die stündlich auf synthetischem Wege erzeugte Ammoniakmenge betrug 40 kg.