DE833033C - Vorrichtung zum elektrischen Erhitzen eines Gases, insbesondere eines Gemisches von Stickstoff und Wasserstoff bei der Ammoniaksynthese - Google Patents

Description

(WGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 3. MÄRZ 1952

A^T 14pι IVb/12 k

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum elektrischen Erhitzen eines Gases, welches durch ein vorzugsweise senkrecht oder annähernd senkrecht angeordnetes Rohr hindurchströmt.

Im Hinblick auf den geringen Raum, den sie einnimmt, ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung besonders wertvoll zum Erhitzen von Gasen unter Druck, da bei druckfesten Apparaturen der Raum eine wichtige Rolle spielt.

Die Erhitzung erfolgt mit Hilfe eines oder mehrerer Leiter in der Form von Streifen, vorzugsweise aus blankem Metall, welche in das Rohr eingepaßt sind. Wenn das Rohr senkrecht angeordnet ist, werden die Leiter vorzugsweise aufgehängt. Leiter in der Form von Streifen sind für Erhitzungszwecke l>esonders geeignet wegen ihrer großen Oberfläche und der verhältnismäßig kleinen Querschnittsfläche; die letztgenannte Fläche begünstigt die Entwicklung von Wärme, während die große Oberfläche die Wärmeübertragung erleichtert.

Wenn man Leiter anwendet, deren Querschnitt über ihre gesamte Länge gleichbleibt, so ergibt sich eine Schwierigkeit, die aus der folgenden Erläuterung ersichtlich ist. Bei einer konstanten Gasgeschwindigkeit und einer konstanten elektrischen Spannung ergibt sich ein stationärer Zustand, bei welchem der .Leiter am Ende, wo das Gas noch kalt ist, eine viel niedrigere Temperatur hat als an dem Ende, wo der Leiter mit dem warmen Gas in Berührung steht. Man kann aber am warmen Ende keine höheren Temperaturen zulassen als die, welche

das Material des Leiters aushält. Infolgedessen kann also die Temperatur am "kalten Ende nicht über einen gewissen Wert steigen, der beträchtlich niedriger sein kann als die Temperatur am warmen Ende. Dies begrenzt auch die Wärmemenge, welche, berechnet auf ein bestimmtes Gewicht des Leiters, entwickelt werden kann. Da die Temperatur am kalten Ende viel niedriger ist als die Höchsttemperatur, die das Material des Leiters aushalten kann,

ίο wird weder dieses Material noch der vom Leiter eingenommene Raum wirtschaftlich ausgenutzt.

Diese Schwierigkeit wird erfindungsgemäß vermieden durch Anwendung von Leiterstreifen, deren Widerstand pro Längeneinheit in der Richtung des Gasflusses abnimmt. In diesem Fall ist die pro Längeneinheit entwickelte Wärme dort, wo das Gas kalt ist, größer als dort, wo der Leiter mit dem schon erhitzten Gas in Berührung kommt. Vorausgesetzt, daß der Leiter aus homogenem Material besteht, sinkt der Widerstand pro Längeneinheit in der Richtung des Gasflusses, wenn die Querschnittsfläche sich in der gleichen Richtung vergrößert. Die Querschnittsfläche kann geändert werden, indem man die Breite und bzw. oder die Dicke des Streifens ändert. In der Praxis kommt nur eine Änderung der Breite in Betracht. Wenn die Breite sich vergrößert, wird die Erjiitzungsfläche entsprechend größer; eine Änderung der Dicke dagegen hat kaum einen Einfluß auf die Größe der Erhitzungsfläche. Um die Wärmeübertragung zu erleichtern, soll die gewählte Breite so groß als möglich sein, und im Zusammenhang damit soll die Dicke so gering gehalten werden, wie es mit der erforderlichen Festigkeit und Starrheit des Leiters zu vereinbaren ist. Vorzugsweise sollte nicht von der günstigsten Dicke abgewichen werden. Durch geeignete Abstufung des Widerstandes pro Längeneinheit und der Querschnittsfläche bzw. der Breite des Streifens kann über die gesamte Länge des Leiters eine fast gleichmäßige Temperatur erzielt werden, wenn dieser in der Vorrichtung, für welche er bestimmt ist, verwendet wird.

Um eine genau konstante Temperatur über die ganze Länge des streifenförmigen Leiters durch Verschmälern desselben zu erzielen, ist es erforderlich, eine Form mit schwach gekrümmten Begrenzungslinien (Hyperbeln) zu verwenden. Diese Linien können durch Berechnung bestimmt werden.

Da sie nur wenig von geraden Linien abweichen, können in den meisten Fällen Streifen in Form langgestreckter Trapeze verwendet werden.

Das Verschmälern der Streifen kann anstatt durch allmähliche Verringerung der Breite auch stufenweise vorgenommen werden. Ein erhöhter Widerstand pro Längeneinheit kann auch durch Einschnitte oder Durchbrechungen in den Streifen erzielt werden.

Die beste Methode des Aufhängens der streifenförmigen Leiter besteht im Aufhängen mit dem breiten Ende nach oben. Die größte mechanische Last wird dann von den stärksten Teilen getragen. In diesem Fall muß das zu erhitzende Gas längs des Leiters von unten nach oben geführt werden. Wenn die Festigkeit der Konstruktion es zuläßt. können die Streifen jedoch auch an ihren dünnen Enden aufgehängt und das Gas kann von oben nach unten vorl>eigeleitet werden.

Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von Streifenleitern mit der erfindungsgemäflen Form zusammen in dem Rohr aufgehängt, durch welches die zu erhitzenden Gase geleitet werden. Die Streifen können in bestimmten Abständen durch Metallgitter von leichter Konstruktion verbunden werden, so daß die Streifen im Abstand gehalten werden. Am oberen und unteren Ende, wo die Verbindungsgitter auch als Leiter für den elektrischen Strom dienen, haben sie eine schwerere Konstruktion.

Die Streifen, die zusammen in ein Rohr eingepaßt werden, können über den zur Verfügung stehenden Raum auf verschiedene Weise verteilt werden. Eine sehr vorteilhafte Konstruktionsform ist die, bei welcher eine Reihe von Streifen in V-Form gebogen ist, d. h. derart gebogen ist, daß ein Schnitt im rechten Winkel zur Achse des Rohres die V-Form zeigt. Die Spitzen der V sollen vorzugsweise auf die Achse des Rohres gerichtet sein. Schnitte im rechten Winkel zur Achse des Rohres sind in den Fig. la und Ib, welche sich auf die breiten und die schmalen Enden der gleichen Streifen beziehen, schematisch dargestellt. Die Starrheit des Systems wird durch das Biegen der Streifen beträchtlich erhöht. Die Starrheit wird noch unterstützt, wenn die Kanten der Streifen nach innen gebogen sind (a in den Fig. Ia und Ib). Um soweit als möglich eine gleichmäßige Verteilung der Wärme zu gewährleisten, empfiehlt es sich, die gebogenen Streifen in solcher Weise einzusetzen, daß grob gesehen die gleiche Menge Gas an den Außenseiten der Leiter entlangströmt wie an den Innenseiten. Dies kann erreicht werden, indem man dafür sorgt, dal.i der zwischen den Streifen und dem Rohr eingeschlossene Raum (in Fig. Ia horizontal schraffiert) etwa dem Raum in der Mitte des Rohres zwischen den verschiedenen Streifen (in Fig. Ia senkrecht schraffiert) gleich ist.

Anstatt die Temperatur über die gesamte Länge des Leiters gleichmäßig einzustellen, kann es in gewissen Fällen empfehlenswert sein, einen Temperaturgradienten einzuführen, so daß das kalte Gas mit dem wärmsten Teil des Leiters und das erhitzte Gas mit dem kältesten Teil des Leiters in Berührung steht. Diese Arlxntsweise ist von Bedeutung, wenn die hochstzulässige Temperatur für das Material, aus dem der Leiter besteht, am Punkt der stärksten Beanspruchung, d.h. am oberen linde eines au'fgehängten Streifens, wesentlich niedriger liegt als anderswo im Leiter. Auf diese Weise kann der Vorteil einer verstärkten Wärmeübertragung auf das kalte Gas erzielt werden, wodurch eine Verkürzung des Leiters ermöglicht wird. Um den oben erwähnten Temperaturgradienten zu erzielen, ist eine schärfere Verschmälerung des Streifenleiters erforderlich, als wenn die Temperatur des Leiters gleichmäßig gehalten werden soll.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann mit sehr guter Wirkung bei gewissen säulenförmigen öfen für die Synthese von Ammoniak verwendet werden. Die Art des in Betracht kommenden Ofens ist ganz schematisch in Fig. II dargestellt. Am unteren Ende ist ein Wärmeaustauscher ι angeordnet; über diesem ist die Kammer 2 für die ; Synthese, in welcher sich der für diese Reaktion er- i forderliche Katalysator befindet. Das Gemisch aus ;

ίο Stickstoff und Wasserstoff, welches in dem Wärme- , austauscher durch das den Ofen verlassende Gas j auf hohe Temperatur gebracht wird, strömt durch j Rohre 3 in die Kammer 2, bevor es mit dem j Katalysator in direkte Berührung kommt. Der Zweck dieser Rohre ist die Regelung der Temperatur der Katalysatormasse. Es sollen vorzugsweise haarnadelformige Rohre verwendet werden oder Doppel rohre, von welchen das äußere am linde abgeschlossen ist, so daß das Gasgemisch zuerst in das innere Rohr und dann in umgekehrter Richtung durch das äußere fließt. Vom Konstruktionsstandpunkt aus können die Rohre am besten aufgehängt werden. Dies führt dazu, daß das Gasgemisch von dem Boden der Kammer 2 zum oberen Ende strömen muli bevor es in die Rohre 3 eindringt, was durch das Steigrohr 4 bewirkt wird. Dieses Steigrohr ist also ein sehr geeigneter Platz, um die oben besprochene Erhitzungseinrichtung einzubauen.

Der Zweck der Erhitzungsvorrichtung im Steigrohr ist ein doppelter. An erster Stelle kann diese Vorrichtung die Energie liefern, welche zur Erzeugung von frischem Katalysatormaterial durch Reduktion erforderlich ist. Die Reduktion kann mit einem Gemisch von Stickstoff und Wasserstoff in den normalen Mengenverhältnissen durchgeführt werden, gewöhnlich mit einem niedrigeren Druck als beim normalen Arbeiten. An zweiter Stelle kann die Erhitzungsvorrichtung verwendet werden, um den Ofen nach Unterbrechung der Arbeit wieder in Gang zu setzen. Unter normalen Arbeitsbedingungen wird jedoch die Erhitzungsvorrichtung im Steigrohr nicht gebraucht; die Reaktion selbst liefert dann so viel Energie, daß die Temperatur des Ofens auf der gewünschten Höhe gehalten wird.

Als Beispiel werden nachstehend einige Zahlen angegeben, die sich auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Anwendung in einer Ammoniaksynthesekolonne beziehen. Eine gewisse Menge eines Stickstoff-Wasserstoff-Gemisches fm Verhältnis 3 : 1 wird durch die Erhitzungseinrichtung auf eine Temperatur gebracht, die zur Reduktion einer frischen Ofencharge geeignet ist. Länge des Rohres 4 (= Länge der

Erhitzungsvorrichtung) 3<²°^m

Menge des zu erhitzenden Gases 1100 XmVh

Druck des Gases 50 at

Durchmesser des Rohres 4 90 mm

Zahl der Streifenleiter 6

(Material: \^r2.\-Stahl; trapezförmig; angeordnet wie in Fig. I;

Raum zwischen Streifen und
Rohrwandung gleich groß wie
Raum in der Mitte zwischen den
Streifen; Streifen in einem Winkel von 6o° gebogen)

Breite der Streifen, oberes Ende . . 67 mm
Breite der Streifen, unteres Ende . . 42 mm
Breite der umgebogenen Kanten

(bei a) 3 mm

Dicke der Streifen 0,22 mm

Ausgangstemperatur des Synthesegases 20° C

Endtemperatur des Gases 500⁰ C

Durchschnittliche Temperatur der

Leiter 780⁰ C

Energie 200 kVA

Spannung (A. C.) 100 V

Stromstärke 2000 Λ

Der Unterschied in der Temperatur zwischen dem Anfang und dem Ende der Leiter beträgt höchstens einige zehntel Grad. Ohne die beschriebene Trapezform der Leiiter würde der Unterschied in der Temperatur einige hundert Grad betragen.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur elektrischen· Erhitzung eines durch ein Rohr fließenden Gases, gekennzeichnet durch einen oder mehrere metallische Leiter in der Form von Streifen, die in ein vorzugsweise senkrecht angeordnetes Rohr eingepaßt und vorzugsweise, sofern das Rohr senkrecht steht, aufgehängt sind, wobei der Widerstand dieser Streifen pro Längeneinheit in Richtung des Gasflusses abnimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der streifenförmigen Leiter in der Richtung des Gasflusses anwächst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbreiterung der streifenförmigen Leiter derart ist, daß ihre Temperatur im Gebrauch über die ganze Länge annähernd konstant bleibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter die Form langer Trapeze haben.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Leiter in der Querrichtung gebogen und mit-

■> einander durch zwei oder mehr Metallgitter verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch τ bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Streifen und dem Rohr eingeschlossene Raum in der Größe dem Raum zwischen den verschiedenen Streifen in der Mitte des Rohres gleich ist.

7. Anwendung der Vorrichtung nach Anspruch ι bis 6 zur Durchführung der Ammoniaksvnthese.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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