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Verfahren und Apparat zur Herstellung von Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Apparat zur Herstellung von Schwefelsäure
nach dem Kontaktverfahren, wobei, wie z. B. bei den bekannten Kontaktapparaten nach
dem aus der deutschen Patentschrift 113 g3:2 bekannten System der
Badischen Anilin- und Sodafabrik, die Kontaktmasse in Röhren untergebracht ist und
die Reaktionsgase zwecks Wärmeaustauschs vor dem Eintritt in diese Röhren an den
Außenwänden derselben im Gegensinn zu ihrer Strömungsrichtung in den Röhren vorbeigeführt
werden, oder wobei umgekehrt die Kontaktmasse in den Zwischenräumen zwischen den
Röhren untergebracht ist und die Gase vor dem Eintritt in die Kontaktmasse durch
die Röhren im Gegensinn zu der Strömungsrichtung des Gases in der Kontaktmasse hindurchgeführt
werden. Die Erfindung betrifft in gleicher Weise Anordnungen, bei denen die Kontaktmasse
in von zwei konzentrischen Zylinderflächen begrenzte Räume von ringförmigern Querschnitt
eingebracht ist, sowie beliebige ähnliche Anordnungen.
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Beim Betriebe solcher Apparate hat es sich herausgestellt, daß die
von den Frischgasen auf die Kontaktmasse hinter der Zone des stärksten Umsatzes
durch die Begrenzungswand hindurch ausgeübte Kühlwirkung infolge zu weitgehender
Vorwärmung der Frischgase nicht ausreichend ist, um in der nachfolgenden Zone der
Kontaktmasse das Optimum der Umsetzung zu erzielen.
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Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß man in
den von den Frischgasen durchstrichenen Raum oder in die von den Frischgasen durchstrichenen
Räume ein verhältnismäßig kaltes Gas, z. B. Frischgas, in geeignetem Abstande von
der Eintrittsstelle des Gases in die mit der Kontaktmasse beschickten Räume einführt,
das sich an seiner Austrittsstelle mit dem an den Begrenzungswänden für die Kontaktmasse
vorbeigeführten Gase vermischt und schließlich mit diesem zusammen in die Kontaktmasse
eingeführt wird, die es sodann im Gegensinn zu seiner vorherigen Strömungsrichtung
durchstreicht.
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Die Einführung dieses Frischgases, im folgenden der Kürze halber Hilfsgas
genannt, erfolgt zweckmäßig in einer Zone, die, gerechnet im Strömungssinn der Gase
in der Kontaktmasse, etwas hinter der Hauptreakti:onszone, d. h. in etwas größerer
Entfernung als diese von der Eintrittsstelle der Gase in die Kontaktmasse, liegt.
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Der optimale Abstand der Austrittsstelle des Hilfsgases von der Eintrittsstelle
des Gasgemisches in die in den Rohren oder sonstigen Räumen enthaltene Kontaktmasse
wird von Fall zu Fall, je nach den Arbeitsbedingungen, z. B. je nach dem Gehalt
des Reaktionsgases
an SO.=, ein mehr oder weniger verschiedener
sein. Im allgemeinen wird er 2/3 der Länge bzw. Höhe der Schicht der Kontaktmasse
nicht oder nicht erheblich übersteigen, ohne daß hiermit aber irgendeine Beschränkung
hinsichtlich der Größe dieser Entfernung ausgesprochen sein soll.
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Zur Erzielung besonderer Effekte oder z. B. zum Ausgleich der auch
bei Röhrenkontaktapparaten bekanntlich gelegentlich vorhandenen Verminderung der
Wärme in .der Nähe bzw. in Richtung der Kesselwand können die Austrittsstellen für
das Hilfsgas statt in einer und derselben Querschnittsebene des Apparates auch in
verschiedenen, z. B mit ihrem Abstand von der Mittellinie des Apparates gleichmäßig
wachsenden Abständen von den Eintrittsstellen des Gases in- die mit Kontaktmasse
beschickten Räume angeordnet sein, so daß sie z. B. in eine Kugelfläche fallen.
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Die Einführung des Hilfsgases kann in der gewünschten Zone in beliebiger
Weise erfolgen, z. B. vermittels zwischen mit Katalysatormasse beschickten Rohren
parallel zu diesen angeordneter Rohre, deren Austrittsöffnungen in der gewünschten
Gasaustrittszone liegen. Diese Rohre können dabei so angeordnet sein, daß das Gas
darin bis zur Austrittsstelle in gleicher Richtung wie das außerhalb der Rohre geführte
sonstige Gas strömt oder auch in umgekehrter Richtung. Die Einführung des Hilfsgases
kann aber auch in beliebiger anderer Weise erfolgen, so z. B. durch in der Gasaustrittszone
senkrecht zur Strömungsrichtung des sonstigen Gases angeordnete Rohre oder durch
in dieser Zone angeordnete oder sie umfassende ringförmige Zuleitungen.
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Um auf die ganze Austrittszone des Hilfsgases eine möglichst gleichmäßige
Verteilung und Einwirkung desselben auf alle mit Kontaktmasse gefüllten Räume zu
erzielen, empfiehlt es sich im allgemeinen, das Hilfsgas in dieser Zone durch eine
größere Anzahl von auf den Gesamtquerschnitt des freien Raumes zwischen den mit
Kontaktmasse beschickten Organen verteilten öffnungen austreten zu lassen.
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Obwohl z. B. bei Röhrenapparaten eine recht befriedigende Wirkung
schon erzielt werden kann, wenn man z. B. bei einer Anzahl von etwa Zoo mit Katalysator
beschickten oder von Katalysator umgebenen Rohren zur Zuführung des nicht vorgewärmten
Gases nur wenige, z. B. vier, auf den Gesamtquerschnitt der Austrittszone gleichmäßig
verteilte Zuleitungsrohre verwendet, so wird sich doch durch Vermehrung dieser Rohre
und der Gasaustrittsstellen die Wirkung im allgemeinen noch wesentlich steigern
lassen.
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Vorteilhaft wird man bei Unterbringung der Kontaktmasse in konzentrische
Räume von ringförmigem Querschnitt auch das Hilfsgas äurch ringförmige, in die Zwischenräume
zwischen je zwei Katalysatorräume konzentrisch zu deren Begrenzungswänden eingeführte
Organe zuführen und auch hierbei wie auch bei beliebigen sonstigen Anordnungen durch
geeignete Verteilung der Gasaustrittsstellen auf den Gesamtquerschnitt des Apparates
für eine möglichst gleichmäßige Wirkung des Kühlgases auf diesen ganzen Querschnitt
Sorge tragen.
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Die erfindungsgemäß erfolgende Zuführung des Hilfsgases gewährt,außer
derbeschriebenen allgemeinen Kühlwirkung, noch die wertvolle Möglichkeit, Verschiedenheiten
der Wärmewirkungen, wie sie an einzelnen Stellen des Gesamtquerschnitts des Apparates,
z. B. infolge von konstruktiv bedingten Ungleichmäßigkeiten in der Verteilung der
mit Kontaktmasse gefüllten Räume auf den Apparatquerschnitt, auftreten können, auszugleichen,
indem man an den Stellen geringerer Wärmewirkung die Menge des zugeführten Hilfsgases
in entsprechendem Maße verringert. Dies kann erfindungsgemäß z. B. bei Zuführung
des Hilfsgases durch Rohre derart geschehen, daß man an den in Betracht kommenden
Stellen bei gleichbleibendem Durchgangsquerschnitt der Rohre die Anzahl derselben
oder bei gleichbleibender Anzahl ihren Durchgangsquerschnitt verringert oder auch
durch gleichzeitige Anwendung der beiden genannten Maßnahmen. Statt einer Verringerung
des gesamten Rohrquerschnitts kann die angestrebte Verringerung des Gasdurchgangs
in an sich bekannter Weise auch z. B. durch Einbau von Drosselorganen erfolgen.
Auf diese Weise ist es möglich, eine sehr gleichmäßige Wärmeverteilung auf den Gesamtquerschnitt
der Kontaktmasse zu erzielen.
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Bekanntlich gehen z. B. auch Röhrenkontaktapparate im Zentrum heißer
als an den Wänden. Diesem Umstände kann nach der Erfindung im vorerwähnten Sinne
dadurch Rechnung getragen werden, daß man die Zahl oder/und den Querschnitt der
Rohre, die das Hilfsgas zuleiten, in der Nähe bzw. in Richtung der Kesselwand so
verändert, daß über dem Gesamtquerschnitt des Kontaktkessels eine möglichst gleichmäßige
Temperatur herrscht.
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Um eine möglichst unmittelbare Einwirkung des Hilfsgases an seinen
Austrittsstellen auf die Wände der mit der Kontaktmasse gefüllten Räume zu befördern,
empfiehlt es sich, in zweckmäßig geringem Abstande von den Austrittsstellen vor
diesen Prallflächen anzuordnen, durch welche das Gut bei seinem Austritt seitlich
gegen die Wände der mit der Kontaktmasse gefüllten Räume abgelenkt wird. An Stelle
einzelner solcher Prallflächen
kann mit Vorteil, z. B. bei Apparaten,
bei denen die Kontaktmasse in Rohren enthalten ist, ein sich über den ganzen Apparatquerschnitt
erstreckender, mit genügend weiten Durchlässen für die mit Kontaktmasse gefüllten
Rohre sowie für das an diesen vorbeiströmende Gas versehener Boden Verwendung finden.
Auch kann man, gegebenenfalls in Verbindung mit Prallflächen der genannten Art,
für die Zuleitung des Hilfsgases Rohre verwenden, die am Ende geschlossen, seitlich
aber auf ein gewisses Stück vom Ende ab mit z. B. kreis- oder schlitzförmigen Gasdurchlässen
versehen sind. -Es ist bekannt, zum Zwecke der gleichmäßigen Verteilung von Gasen
auf den gesamten Querschnitt von Kontaktapparaten in den Weg des z. B. durch eine
Eingangsöffnung an einer Stelle des Sammelraumes eines solchen Apparates eintretenden
Gases Bleche, sog. Leitbleche, einzuschalten, durch die das auf sie auftreffende
Gas auf den ganzen Apparatquerschnitt bzw. den ganzen Querschnitt eines Gassammelraumes
verteilt und hierbei gleichmäßig durchgemischt wird.
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Im Gegensatz hierzu dienen die vorerwähnten Prallflächen lediglich
dem Zwecke, das aus den Öffnungen der Zuleitungsrohre für das Hilfsgas austretende
Kühlgas scharf nach der Seite gegen die Wände der mit Kontaktmasse gefüllten Räume
zu leiten, um eine schroffe Kühlung der Kontaktmasse innerhalb einer ziemlich scharf
und eng begrenzten Zone zu bewirken. Eine Durchmischung des Gases ist dagegen nicht
der Zweck dieser Prallflächen.
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Uni den Zweck der vorbeschriebenen Anordnungen, eine möglichst weitgehende
Kühlung der Kontaktmasse in der Austrittszone des Hilfsgases, möglichst vollkommen
zu erreichen, empfiehlt es sich, durch geeignete Maßnahmen einer Vorwärmung des
Hilfsgases in den Zuleitungen durch das diese umspülende, an den Begrenzungswänden
der Kontaktmasse vorgewärmte Gas möglichst weitgehend vorzubeugen, z. B. dadurch,
daß man die Hilfsgaszuleitungen außen mit Wärmeisoliermaterial bekleidet oder aus
schlecht wärmeleitendem Material, z. B. Porzellan, herstellt oder daß man sie außen
nochmals mit Rohren umgibt, so daß zwischen der Innenwand dieser Schutzrohre und
der Außenwand der Zuleitungsrohre eine wärmeisolierende ruhende Gasschicht verbleibt.
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Im allgemeinen wird man so verfahren, daß die Rohre oder sonstigen
Organe für die Einführung des Hilfsgases in einen mit einer Hauptgaszuleitung verbundenen
Sammelraum des Apparates münden, von dem aus ihnen das Gas zugeführt wird. Durch
Anordnung von Leitblechen kann in diesen Sammelräumen in an sich bekannter Weise
für eine gleichmäßige Verteilung des aus der Hauptzuleitung eintretenden Gases auf
die einzelnen Einführungsorgane Sorge getragen werden.
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Als wichtig hat es sich erwiesen, die Menge des zugeführten Hilfsgases
im Verhältnis zu der Menge des sonstigen zwischen den mit Katalysatormasse beschickten
Räumen im Gegensinn zu der Gasführung in den mit -Katalysatormasse beschickten Räumen
strömenden Gases nach Maßgabe der im Einzelfalle gewünschten Wirkung sehr genau
zu regeln.
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In der Zeichnung sind Vorrichtungen nach der Erfindung in beispielsweisen
Ausführungsformen dargestellt: Fig. i zeigt eine Ausführungsform im Längsschnitt,
bei der das Hilfsgas von unten eingeführt wird, Fig. 2 dieselbe im Querschnitt nach
A-B der Fig. i.
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Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform mit nur im oberen Teil mit
Kontaktmasse angefüllten Rohren.
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Fig. q. zeigt eine weitere Ausführungsform nach Fig. i.
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Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Hilfsgas von oben eingeführt
wird. Fig.6 zeigt eine Ausführungsform gemäß Fig. i, jedoch in umgekehrter Anordnung.
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In Fig. i ist i die Seitenwand, :2 der Deckel, 3 der Boden des Gesamtbehälters,
der gegebenenfalls in an sich bekannter Weise außen noch mit einer Schicht aus wärmeisolierender
Masse bekleidet sein kann. d. ist das Einführungsrohr für das Hauptgas, 5 sind mit
Kontaktmasse ganz oder z. B. nur im oberen Teil beschickte, beiderseits offene Rohre,
die in den Rohrboden 6 gasdicht eingesetzt sind. 7 sind zwischen den Kontaktrohren
5 von unten einmündende, in den Rohrboden S gasdicht eingesetzte sowie durch den
Rohrboden 6 dicht durchgeführte Zuführungsrohre für das in dein Sammelraum g durch
io zugeführte Hilfsgas. i i sind zur gleichmäßigen Verteilung des in den Sammelraum
g einströmenden Hilfsgases in die Rohre 7 vorgesehene Leitbleche. 23 ist ein Prallblech.
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Das durch q. in die Zwischenräume zwischen den Rohren 5 einströmende
Gas durchströmt diese Zwischenräume von unten nach oben, tritt oben in die Kontaktrohre
5 ein und durchströmt diese zusammen mit dem durch die Rohre 7 zugeführten und nach
seinem Austritt durch das Prallblech 23 seitlich abgelenkten Hilfsgas von oben nach
unten, um in den Sammelraum 12 einzutreten, aus dem es schließlich durch Leitung
13 abgeführt wird.
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Durch Siebeinsätze 14. wird die Kontaktmasse in den Rohren 5 getragen.
Diese Siebeinsätze können gemäß Fig. 3 auch oberhalb des Rohrbodens 6 in den Rohren
5 angebracht
sein, wobei dann die Zone unterhalb dieser Siebeinsätze
nur zum Wärmeaustausch zwischen den in den Rohren 5 nach unten und den außerhalb
dieser Rohre nach oben strömenden Gasen dient.
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Durch 1s kann gegebenenfalls Frischgas über die Leitbleche 16 den
Kontaktrohren immittelbar zugeführt werden.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind die Rohre 7 am Gasaustrittsende
geschlossen und, seitlich perforiert, um das Hilfsgas in einer breiteren Zone austreten
zu lassen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist wieder i die Seitenwand, 2
der Deckel, 3 der Boden des Gesamtbehälters, 4 die Zuleitung für das Hauptgas. 5
sind die mit Kontaktmasse gefüllten, beiderseits offenen Rohre, 6 der Rohrboden,
in den diese unten dicht eingesetzt sind, 7 die Rohre, durch die das Hilfsgas in
die Zwischenräume zwischen den Rohren 5, aber diesmal von oben, eingeführt wird
und die in den Rohrboden 8 eingesetzt sind.
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g ist der Sammelraum für das durch io zugeführte Hilfsgas mit den
Leitblechen i -f. 12 ist der Sammelraum für das aus den Rohren 5 unten austretende
Gas, das dann durch 13 abgeführt wird. 14 sind wieder die Kontaktmasse in den Rohren
5 tragende Siebe. Durch 1s kann Frischgas den Kontaktrohren unmittelbar zugeführt
werden.
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Fig. 6 stellt eine weitere Ausführungsform dar, bei der wieder i die
Seitenwand, z den Deckel und 3 den Boden des Gesamtbehälters bezeichnet. 4 ist die
Zuleitung für das Hauptgas, das an den Außenwänden der mit Kontaktmasse gefüllten,
beiderseits offenen, mit ihrem oberen Ende in den Rohrboden 6 gasdicht eingesetzten
Kontaktrohre 5 vorbei in den Zwischenräumen zwischen den Rohren nach unten 'strömt,
am unteren Ende der Rohre 5 in diese eintritt und die Kontaktmasse von unten nach
oben durchströmt, worauf es in den Sammelraum 12 gelangt, aus dem es durch Rohr
13 nach außen abgeführt wird. 7 sind in den Rohrboden 8 dicht eingesetzte, nach
unten in die Zwischenräume zwischen den Rohren 5 bis in die gewünschte Kühlzone
hineinragende beiderseits offene Rohre, durch die das von io aus über den Sammelraum
g zugeleitete und durch die Leitbleche i i auf den Querschnitt des Sammelraums gleichmäßig
verteilte Hilfsgas in die Zwischenräume zwischen die Rohre 5 eingeführt wird, wo
es sich mit den aus der Leitung 4 zugeführten, zwischen den Rohren 5 ebenfalls nach
unten strömenden Gasen vermischt, worauf es mit diesen zusammen am unteren Ende
der Kontaktrohre 5 in die Kontaktmasse eintritt.
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1s ist auch hier eine Zuleitung für Frischgas, das gegebenenfalls
über den Sammelraum 18, auf den Querschnitt desselben durch die Leitbleche 16 gleichmäßig
verteilt, den Kontaktrohren 5 von unten direkt zugeführt werden kann.
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Nach Fig. 6 erfolgt die Zuführung des zur Umsetzung zu bringenden
gasförmigen Gemisches bei i9. Durch Ventile 2o, 21 und 22 läßt sich die Verteilung
des hier zugeführten Gases auf die Hilfsgaszuleitung io und die Hauptgaszuleitung
4 oder die zusätzliche Frischgaszuleitung 1s zu dem Kontaktkessel nach Belieben
mit größter Genauigkeit regeln.
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In allen Fällen kann zwischen den dem Kontaktapparat durch 4 zugeführten
Gasen und zwischen den durch 13 heiß abgeführten Gasen in üblicher Weise vermittels
an sich bekannter Apparate in einem jeweils gewünschten Grade ein Wärmeaustausch
erzielt werden.
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Es liegt auf der Hand, daß, wo in der vorliegenden Beschreibung und
in den Ansprüchen von mit Kontaktmasse gefüllten Rohren die Rede ist, hierunter
rohrförmige Organe von beliebigem, also nicht nur kreisförmigem, sondern z. B. auch
polygonalem Querschnitt verstanden sein sollen.
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Im allgemeinen wird man als Hilfsgas vorzugsweise das auch unmittelbar
zwischen die Kontaktrohre nach den verschiedenen Abbildungen leingeführte, jedoch
nicht vorgewärmte Gasgemisch verwenden. Man kann jedoch statt dessen auch andere
Gase, z. B. Bestandteile des sonstigen verwendeten Gasgemisches, wie z. B. Luft,
oder auch ein nur in seinem Gehalt an S02 von dem sonstigen verwendeten Gasgemisch
verschiedenes Gasgemisch anwenden.
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Bei Vorrichtungen nach der Erfindung können selbstredend außer den
mit Kontaktmasse gefüllten Rohren oder sonstigen Räumen noch zusätzliche, mit Kontaktmasse
beschickte Räume oder (z. B. den gesamten Apparatquerschnitt ausfüllende) Schichten
von Kontaktmasse in beliebiger Anzahl, gegebenenfalls ganz oder teilweise durch
Gaszwischenschichten voneinander bzw. von den ersterwähnten Kontakträumen getrennt,
vorgesehen sein, durch welche die Reaktionsgase nach dem Passieren der ersterwähnten
Kontaktrohre hindurchgeführt werden.
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Es ist bekannt, bei der Durchführung von Umsetzungen gasförmiger Gemische
an in Rohren untergebrachten Katalysatoren, wobei das Gasgemisch vor dem Eintritt
in die Kontaktmasse durch Zwischenräume zwischen den mit der Kontaktmasse beschickten
Rohren im Gegensinn zu seiner Strömungsrichtung in diesen Rohren hindurchgeführt
wird, dem auf diese Weise vorgewärmten Gas vor dem Eintritt in die mit Kontaktmasse
gefüllten Rohre nicht vorgewärmtes Frischgas zuzumischen. Bei diesem bekannten Verfahren
erfolgt indessen die Zumischung des kalten Gases zu
dem vorgewärmten
Gase erst nach dem Austritt des letzteren aus den Zwischenräumen zwischen den Kontaktrohren,
so daß die Wirkung dieser Maßnahme nur darin besteht, die Temperatur des der Kontaktmasse
zugeführten Gases vor seinem Eintritt in die Kontaktmasse zu erniedrigen.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird dagegen das kalte Hilfsgas in
den Strom. des Hauptgases bereits auf dessen Wege zwischen den Wänden der mit Kontaktmasse
gefüllten Räume an einer Stelle eingeführt, die in Richtung des Gasstromes in der
Kontaktmasse etwas hinter und in Richtung des Gasstromes außerhalb der Kontaktmasse
etwas vor der Hauptreaktionszone liegt. Es wurde gefunden, daß durch die hierbei
gerade an dieser Stelle durch das zugeführte kalte Gas ausgeübte starke Kühlwirkung
auf die Kontaktmasse und die diese hindurchstreichenden Gase eine außerordentlich
vorteilhafte Wirkung auf den Reaktionsverlauf hinter der Hauptreaktionszone erzielt
wird, die von der mit der bekannten Zumischung von kaltem Frischgas zu dem Hauptreaktionsgas
erst nach dem Austritt des letzteren aus den Räumen zwischen den Kontaktrohren erzielten
Wirkung weitgehend verschieden ist. Denn da bei diesen. bekannten Verfahren durch
die Zuführung von kaltem Frischgas zum vorgewärmten Hauptreaktionsgas nur die Temperatur
dieses Gases erniedrigt wird, zumal das Hilfsgas selbst ja an der Vorwärmung - im
Gegensatz zu dem Verfahren der Erfindung - nicht mehr teilnimmt, so kann sich die
Wirkung der bekannten Zumischung des kalten Frischgases nur in einer Regelung der
Temperatur des in die Kontaktmasse eintretenden Gases und nicht in der nach der
vorliegenden Erfindung ermöglichten besonderen Beeinflussung des Reaktionsverlaufs
hinter der Hauptreaktionszone äußern.
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Nach der vorliegenden Erfindung kann man dagegen die nach den bekannten
Verfahren erzielbare Erniedrigung der Temperatur des in die Kontaktmasse eintretenden
Gases mit der besonderen örtlichen, auf die Kontaktmasse und das darin strömende
Gas hinter der Hauptreaktionszone ausgeübten Kühlwirkung verbinden und dadurch eine
Erhöhung des Umsatzes erzielen.