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Vorrichtung zur Durchfiihrung von Reaktionen bei erhöhten Drucken
Die Durchführung chemischer Umsetzungen bei erhöhten Drucken und gegebenenfalls
erhöhten Temperaturen hat in letzter Zeit eine immer größere Bedeutung gewonnen
und eine entsprechende Entwicklung erfahren. Jedoch können noch zahlreiche wichtige
Reaktionen nicht unter Druck durchgeführt werden, da sehr viele Reagenzien nicht
in die bisher bekannten Ilochdruckapparate eingebracht werden können, da die üblichen
Baumaterialien für Druckapparaturen vielfach eine völlig unzureichende chemische
Widerstandsfähigkeit gegen aggressivere - Reagenzien haben. Die gegen das betreffende
umzusetzende Reagens beständigen Materialien sind in den weitaus meisten Fällen
für höhere Druckbeanspruchungen ungeeignet.
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Es sind zwar Vorrichtungen für die durch führung von Druckreaktionen
in technischem Maßstab bekannt, in denen die stärker temperaturbeanspruchten Teile
der drucktragenden Wandung durch Einsätze oder Auskleidungen gegen die Einwirkung
angreifender Reagenzien nach Möglichkeit geschützt sind.
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Jedoch erwiesen sich diese Vorrichtungen stets nur für ganz bestimmte
Zwecke als brauchbar. Für die Synthese des Ammoniaks z. B. wird in den Autoklaven
aus druckfestem Stahl ein druckentlastetes Reaktionsgefäß eingesetzt, dessen Baustof
gegen heißen Wasserstoff beständig ist; an einem kühlen Ende werden Druckgefäß und
Reaktionsgefäß gegeneinander abgedichtet. In dieser und ähnlichen Vorrichtungen
sind natürlich nur Reaktionen mit solchen Reagenzien durchführbar, deren Berührung
mit kühlen Teilen der drucktragenden Wandung weder für diese noch für die Reaktion
schädlich ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Durchführung
von Reaktionen bei erhöhten Drucken und gegebenenfalls erhöhten Temperaturen, bei
denen die Berührung der reagierenden Stoffe mit den drucktragenden Wandungen praktisch
vollständig unterbunden werden kann, und zwar gleichgültig, ob es sich um direkte
Berührung mit festen oder flüssigen Stoffen handelt oder um Berührungen durch Entwicklung
von Gasen oder Dämpfen oder durch Diffusion der letztgenannten. Die nachstehend
beschriebene Vorrichtung ermöglicht ferner die Verwendung von Glas oder keramischem
Material als Einsatzgefäß und ermöglicht so die Durchführung von Umsetzungen auch
sehr aggressiver Reagenzien.
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Erfindungsgemäß wird in einen Autoklaven, z. B. ein Rohr aus Stahl
oder einer druckfesten Speziallegierung, ein Gefäß aus einem gegen die zur Umsetzung
gebrachten Reagenzien beständigen Material eingesetzt, das derart verschlossen ist,
daß es lediglich durch ein Kapillarrohr nach außen offen ist.
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Dieses Kapillarrohr endet im Innenraum des Autoklaven. Nach Füllung
des Einsatzgefäßes, unter Offenlassen der Kapillarverbindung, und Schließung des
Druckgefäßes wird ein inertes oder ein für die Reaktion weiter erforderliches, die
drucktragenden Wandungen
aber nicht angreifendes Gas bis zu einem
dem Betriebsdruck entsprechenden Druck aufgepreßt, das durch die Kapillare also
auch in das Innengefäß dringen kann. Nunmehr kann die Reaktion zum Ablauf gebracht
werden, z. B. durdi Erhitzen.
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Es braucht nicht das gesamte aufzudrückende Gas auf einmal aufgedrückt
werden, sondern es kann auch portionsweise oder kontinuierlich in dem Maße wie im
Einsatzgefäß z. B. mit einer Erwärmung der Druck der reagierenden Stoffe ansteigt,
aufgedrückt werden.
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Statt des inerten Gases oder Gasgemisches kann der Gegendruck auch
durch Einbringen von Flüssigkeiten entsprechenden Dampfdruckes in den Zwischenraum
zwischen Einsatzgefäß und drucktragenden Wandungen erzeugt werden. Bei entsprechender
Bemessung der kapillaren Verbindung erübrigt sich manchmal die besondere Erzeugung
eines Gegendruckes ganz.
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Die Abb. I stellt beispielsweise eine Vorrichtung dar, mit der Umsetzungen
bei hohen Drucken und Temperaturen durchgeführt werden können, ohne daß die in das
Innengefäß eingebrachten Reagenzien mit den Autoklavwandungen in Berührung kommen.
In dem Druckgefäß A (z. B. aus Stahl) befindet sich ein Einsatzgefäß B aus einem
gegen die eingebrachten Reagenzien beständigen Material, z. B. aus Glas. Die umzusetzenden
festen oder flüssigen Stoffe werden durch den Stutzen C eingebracht, der dann verschlossen
wird, z. B. durch Abschmelzen oder durch einen angedrückten Schliffstopfen, einen
Ventil- oder Flanschverschluß oder in sonst beliebiger an sich bekannter Weise.
D ist die Kapillare, die die Verbindung zum Innenraum des Druckgefäßes A herstellt.
Sie ist bei E offen. Wird das gefüllte und geschlossene Gefäß B vom inerten aufgedrückten
Gas durch E-D aufgefüllt, so kann, wenn der Druck außen nicht vermindert wird, eine
vorher in B eingebradit bei den Reaktionsbedingungen flüchtige Substanz sich nur
durch Diffusion mit dem aufgedrückten Gas vermischen. Das tritt im Gefäß in geringem
Maße auch ein. Eine Diffusion durch die Kapillare kann aber vollkommen ausgeschlossen
werden, da sie außerordentlich rasch abnimmt, wenn man die Länge der Kapillare vergrößert
und/oder ihren Radius verkleinert.
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Längere und/oder engere Kapillaren werden daher für flüchtigere Stoffe
bei höheren Temperaturen oder bei tieferen Drucken benutzt.
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Wenn stärkere Druckschwankungen auftreten, können gewisse Nifengen
aggressivere Reagenzien nach außen, also zunächst in den Innenraum von X, gerissen
werden. Dies kann dadurch vermieden werden, daß die am Einsatzgefäß ansetzende Kapillare
zunächst in einem besonderen Gefäß aus dem chemisch beständigen Material endet,
von dem eine zweite Kapillare ausgeht, die im Innenraum des Druckgefäßes endet.
Abb. 2 stellt ein Beispiel für eine solche Yorrichtung dar; A ist das besondere
Gefäß, der Pufferraum.
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Selbstverständlich können auch mehrere solche Pufferräume angeordnet
werden.
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Vielfach ist es zweckmäßig, an Stelle einer Kapillarverbindung mehrere
anzuordnen, insbesondere bei größeren Gefäßen. In der Regel kann mit mehreren engeren
und kürzeren Kapillaren das gleiche Ergebnis erzielt werden wie mit einer weiteren
und längeren Kapillare. Auch die Anordnung von Sicherheitsventilen kann in Betracht
kommen, wenn etwa durch plötzliche Druckänderungen Zerstörungen der Einsatzgefäße
zu befürchten sind.
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Die Anordnung der Kapillaren ist nicht an die in den Abb. I und 2
beispielsweise dargestellte spiralige Form gebunden, sie kann vielmehr auch in einer
Flachspirale erfolgen, im Zickzack oder in sonstiger für die Aufhängung oder mechanische
Befestigung oder ITnterbringung dünner, aber langer Körper übsicher Weise. Beispielsweise
eignen sich u. a. die Aufhängungsarten von Glfihfäden in elektrischen Birnen sowie
die Unterbringungsarten längerer Rohrsysteme in kleinen Riiumen. Die IRapillaren
können auch in einem besonderen Gefäß untergebracht sein, wie z. B. in der Abb.
3 erläutert ist, wobei natürlich, z. B. durch kleine Löcher, für einen Druck ausgleich
des Mantelgefäßes zu sorgen ist.
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Ferner ist es möglich, ein solches Mantelgefäß als Puffergefäß im
Sinne der obigen Darlegungen zu benutzen, wobei zweckmäßig beide Kapillaren in seinem
Innern untergebracht werden können. Es wird so an Raum gespart und zugleich eine
gute mechanische Festigkeit erzielt, die auch sehr dünne I<apillaren anwendbar
macht.
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Die Art der Kapillarenverbindung ist weiter nicht gebunden an die
Röhrenform der Kapillaren. Es können vielmehr Kapillarenverbindungen beliebiger
Art Anwendung finden, z. B. gemäß Abb. 4, d. b. in Form von zwei oder mehreren eng
ineinanderpassenden einseitig geschlossenen Rohren oder auch Laburinthen, die in
einer Fläche angeordnet sind, oder in der Weise, wie sie für Labyrinthdichtungen,
z. B. an Turbinen, Anwendung finden.
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Als Material für das Einsatzgefäß bzw. für die Kapillarverbindung
kommt keineswegs nur Glas in Betracht, sondern auch Quarz und keramische Stoffe
verschiedenster Art, ferner Metalle bzw. Legierungen, die wegen ihrer mechanischen
Eigenschaften oder wegen ihres Preises für die Herstellung von Druckgefäßen
ungeeignet
sind, wie z. B. Kupfer, Silber, Gold, Platin u. a., ferner Spezialstähle mit chemischer
Beständigkeit gegen bestimmte Agenzien. Dabei können die die Reaktionsstoffe fassenden
Gefäße und die Verbindnngskapillaren aus verschiedenen Stoffen bestehen.
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Natürlich kann an Stelle eines einfachen Autoklaven nach dem gleichen
Prinzip auch eine Anordnung betrieben werden, bei der ein Gas oder Dampf unter Druck
in denReaktionsraum während der Reaktion z. B. durch Destillation eingeführt wird.
Ebenso kann die Vorrichtung für Destillationen aggressiver Reagenzien unter Druck
benutzt werden, wenn Berührungen mit den drucktragenden Wandungen zu vermeiden sind.
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Weiter findet die Vorrichtung Anwendung für kontinuierlichen Durchsatz,
also mit ständiger oder stoßweiser Einführung neuer Mengen der zur Reaktion zu bringenden
Ausgangsstoffe, gegebenenfalls bei entsprechendem Abzug der Reaktionsprodukte. Dabei
darf der Druck im Raum zwischen dem Einsatzgefäß und denDruckwänden nicht wesentlich
tiefer sinken als im Innern des Einsatzgefäßes. Es ist daher zweckmäßig, mit dem
Reaktionsprodukt gewisse Mengen des Puffergases mit abzuziehen.
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Mit den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen können ohne Schwierigkeiten
z. B.
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Umsetzungen freier Halogene sowie Umsetzungen von Halogenwasserstoffsäuren,
Stickoxyden usw. in Stahlautoklaven durchgeführt werden, ohne daß diese angegriffen
werden, und zwar bei Drucken bis zu SooAtm. und mehr und Temperaturen bis zu 5000
und darüber. In gleicher Weise wie Umsetzungen mit aggressiven Reagenzien können
mit den beschriebenen Vorrichtungen auch solche Reaktionen durchgeführt werden,
bei denen eine Berührung der Reaktionsteilnehmer mit den drucktragenden Wandungen
aus anderen Gründen unterbleiben soll, z. B. um unerwünschte katalytische Wirkungen
zu vermeiden.