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Verfahren zur Temperatursteuerung exothermer Umsetzungen mit Hilfe
eines wärmeübertragenden flüssigen Mediums
Es ist l)ekallnt,Sbei exothermen Reaktionen,
z.B. bei katalytischen Umsetzungen von Gasen, zwecks Einhaltung optimaler Reaktionstemperaturen
die reagierenden Massen indirekt mittels wärmetragender flüssiger Medien zu heizen
oder zu kühlen. Als solche Medien kommen in Frage vor allem Wasser unter Druck sowie
ferner Kohlenwasserstoffe oder andere organische Verbindungen. Die Erfindung betrifft
ein Verfahren, um die Reaktionstemperatur auch in solchen Fällen gleichbleibend
auf optimaler Höhe zu halten, in der die Menge der Reaktionswärme starken Schwankungen
unterliegt, beispielsweise dadurch, daß sie infolge diskontinuierlichen Betriebs
zeitweilig ganz ausfällt. Es ist ferner bekannt, daß man das wärmetragende, flüssige
Medium zur Verbesserung des Temperaturausgleichs mittels Thermosiphonwirkung durch
die Reaktionsräume umlaufen läßt.
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Erfindungsgemäß soll nun das wärmeübertragende, flüssige Medium nicht
nur durch den Reaktionsraum und gegel>enenfalls einen Ausgleichsbehälter umlaufen,
sondern auch durch zwei Wärmeaustauscher, von denen der eine im aufsteigenden und
der andere im absteigenden Teil des Thermosiphonstromes liegt. Hierbei wird zweckmäßig
der im aufsteigenden Strom des Wärmeübertragungsmittels liegende
Wärmeaustauscher
zwischen dem tiefsten Punkt des Thermosiphonstromes einerseits und dem Eintritt
des Kühlmittels in den Reaktionsapparat andererseits angeordnet, und zwar so, daß
in ihm der Flüssigkeitsstrom von unten nach ohen verläuft.
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Der im absteigenden Strom des Wärmeübertragungsmittels liegende Wärmeaustauscher
dagegen wird so angeordnet, daß ihn das den Reaktionsapparat verlassende Wärmeübertragungsmittel
von oben nach unten durchströmt. Der im aufsteigenden Strom liegende Wärmeaustauscher
wird bei fehlender und ungenügender Reaktionswärme benutzt, um das System aufzuheizen
bzw. um die Reaktionstemperatur zu halten. Reicht dagegen die Reaktionswärme zur
Aufrechterhaltung der erforderlichen Temperatur aus, so wird die Heizung abgestellt
und derWärmeaustauscher als Kühler benutzt. Der im absteigenden Strom liegendeWärmeaustauscher
dient dazu, um bei größerer Reaktionswärme den Überschuß derselben abzuführen. Die
erfindungsgemäße Anordnung verbürgt, daß die Richtung des Thermosiphonstromes immer
die gleiche ist, gleichgültig, ob die Reaktionstemperatur durch Zusatzheizung, durch
eigene Reaktionswärme oder durch Abführung eines ganz bestimmten Teiles der Reaktionswärme
aufrechterhalten wird. Dies wäre nicht der Fall, wenn man die gestellte Aufgabe,
wie bereits versucht, mit nur einem einzigen Wärmeaustauscher lösen wollte.
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Verwendet man solche wärmetragenden Medien, welche bei der betreffenden
Temperatur noch nicht sieden, so wird man das flüssige Medium als solches durch
den im absteigenden Strom liegenden Wärmeaustauscher fließen lassen. Bei solchen
Medien, welche bei der Reaktionstemperatur sieden, wie z. B. bei Wasser unter Druck,
wird man den im absteigenden Strom liegenden Wärmeaustauscher zweckmäßig mit dem
Dampf des wärmetragenden Mediums beschicken.
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Der Temperaturausgleich in einem größeren Reaktionsgefäß erfordert
für den Thermosiphonstrom erfahrungsgemäß große Querschnitte. Es hat sich nun als
vorteilhaft herausgestellt, beide oder nur einen Wärmeaustauscher mit geringem Querschnitt
zu versehen und durch Anbringung im Nebenschluß nur einen Teil des im Thermosiphonstrom
umlaufenden wärmetragenden Mediums durch den oder die Wärmeaustauscher fließen zu
lassen. Dies führt zu erheblichen Raumersparnissen.
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Von ganz besonderem Vorteil ist die erfindungsgemäße Anordnung bei
der diskontinuierlichen Durchführung exothermer Reaktionen. In diesen Fällen kann
man eine vollständig selbsttätige Temperatureinhaltung erreichen, ohne Rücksicht
darauf, ob im Reaktionsraum Wärme entsteht oder nicht entsteht. Zu diesem Zweck
werden zwei selbsttätige Regler eingebaut, der eine zur Bedienung der Heizung und
der zweite zur Regelung der Kühlmittelmenge, die durch den im absteigenden Strom
liegenden Wärmeaustauscher strömt. Diese Regler werden so eingestellt, daß!die Beheizung
eine Ruhetemperatur aufrechterhält, während der Durchfluß durch den im absteigenden
Strom liegenden Kühler so geregelt wird, daß im Falle einer größeren Reaktionswärme
eine etwas über der Ruhetemperatur liegende Arbeitstemperatur eingehalten wird.
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Bei plötzlichen Betriebsunterbrechungen wird zunächst selbsttätig
der Durchfluß durch den im absteigen den Strom liegenden Wärmeaustauscher gedrosselt.
Infolgedessen sinkt die Temperatur bis zur Ruhetemperatur ab, worauf sich nunmehr
selbsttätig die Beheizung einschaltet und die Ruhetemperatur aufrechterhält.
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Wird umgekehrt durch plötzliche Inbetriebnahme Reaktionswärme frei,
so steigt die Temperatur über die Ruhetemperatur. Hierdurch schaltet sich die Beheizung
selbsttätig aus, während sich der Durchfluß durch den im absteigenden Strom liegenden
Wärmeaustauscher so weit öffnet, als zur Abführung der überschüssigen Reaktionswärme
erforderlich ist.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnungen war es beispielsweise
erstmalig möglich, die Methanisierung von Stadtgasen an Gastankstellen technisch
und wirtschaftlich einwandfrei zu betreiben.
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Hier pflegen Betriebsperioden und Unterbrechungen häufig und kurzfristig
in beliebigem Wechsel aufeinander zu folgen, Umstände, unter denen mit den bisher
bekannten Synt'heseöfen die Methanisierung nicht durchführbar war.
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In den Zeichnungen ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens beispielsweise dargestellt.
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Fig. I zeigt in schematischer Weise die Gesamtanordnung der beiden
Wärmeaustauscher; Fig. 2 und 3 veranschaulichen abgeänderte Ausführungsformen des
im aufsteigenden4Wärmeträgerstrom liegenden Wärmeaustauschers, während aus Fig.
4 eine abgeänderte Anordnung des im absteigenden Wärmeträgerstrom liegenden Wärmeaustauschers
ersichtlich ist.
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Die auszuführende Umsetzung findet in einem mit senkrechten Rohren
ausgestatteten Kontaktapparat I statt. Der benutzte Katalysator liegt innerhalb
der Rohre 2, während das Kühlmedium außerhalb der Rohre umläuft. Die umzusetzenden
Gase treten durch den Rohrstutzen 3 ein, während die entstandenen Reaktionsprodukte
einschließlich der Restgase bei 4 abgezogen werden. Das die Kontaktrohre 2 umspülende
Heiz- und Kühlmedium verläßt durch eine Rohrleitung 5 den Kontaktapparat. Es gelangt
sodann in einen Ausgleichsbehälter 6, der für die entstehenden Kühlmitteldämpfe
ein Ableitungsrohr 7 besitzt, das in eine Rohrschlange 8 übergeht, die innerhalb
eines Wärmeaustauschers g liegt, dem ein geeignetes Kühlmedium durch die'Rohrstutzen
10 und 11 zu- bzw. abgeführt wird.
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Die in der Rohrschlange 8 kondensierten Kühlmitteldämpfe sammeln
sich in der Rohrleitung 12 und gelangen von dort aus in eine gemeinsame Leitung
I3, die aus dem Ausgleichsbehälter 6 die nicht verdampften Kühlmittel anteile unmittelbar
weiter-]eitet.
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Der Flüssigkeitsstand im Ausgleichsbehälter 6 kann durch ein Schauglas
I2 beobachtet werden. Die Temperatur des thermosiphonartig umlaufenden Wärmetransportmediums
erzeugt einen bestimmten
Gasdruck, der von einem Manometer 14 gemessen
wird, das durch eine Regelvorrichtung 15 seinerseits ein Ventil 16 steuert. Auf
diese Weise kann man eine bestimmte Menge der entstehenden Kühlmitteldämpfe in den
Wärmeaustauscher g herüberleiten und damit eine ganz bestimmte Kühlwirkung erzielen.
Darüber hinaus kann auch der Ausgleichsbehälter 6 noch mit einer Kühlvorrichtung
beispielsweise in Form von Rohrschlangen ausgestattet werden.
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Mit Hilfe der Leitung 13 wird das umlaufende Heiz- und Kühlmedium
in den im aufsteigenden Strom liegenden Wärmeaustauscher I7 geführt, der mehrere
mit Rippenrohren besetzte Heizrohre I8 enthält, in welche sich das Kühlmedium verteilt,
um schließlich mit Hilfe der Leitung 19 in den Kontaktapparat zurückzufließen.
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Der Wärmeaustauscher I7 besitzt in seinem unteren Teil eine Heizvorrichtung
20. Sie wird durch brennbare Gase oder Flüssigkeiten gespeist und von einem Regelventil
21 überwacht, das in Verbindungen mit einem in der Rohrleitung 19 liegenden Temperaturmeßgerät
22 die Heizflamme 20 regelt.
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An Stelle von waagerecht liegenden Rippenrohren I8 kann der im aufsteigenden
Wärmemittelstrom liegende Wärmeaustauscher auch in Form einer Rohrschlange ausgeführt
werden, wie es beispielsweise aus Fig. 2 ersichtlich ist. Hier strömt das zurückfließende
Kühlmedium aus dem Ausgleichsbehälter 6 in die Rohrleitung 23, die innerhalb des
Wärmeaustauschers 17 schlangenförmig eingeordnet und bei 24 an den Kontaktapparat
angeschlossen ist.
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Die Heizung erfolgt durch einen ringförmigen Brenner 30.
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Man kann den im aufsteigenden Heizmittelstrom liegenden Wärmeaustauscher
auch nach Art von Fig. 3 als Rippenkörper 26 ausbilden, dem das Heizmedium durch
ein fast bis zum Boden geführtes Rohr 27 zugeleitet wird, während es durch einen
im oberen Teil des Rippenkörpers angebrachten Rohrstutzen 28 wieder abfließt. Die
aufgesetzten Rippen 29 vermitteln eine gute Wärmeübertragung aus den aufsteigenden
Heizgasen, die vom untergebauten Brenner 30 geliefert werden.
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Bei Verwendung eines nicht verdampfbaren Wärmetauschmediums wird
der im absteigenden Strom liegende Wärmeaustauscher in der aus Fig. 4 ersichtlichen
Weise angeordnet. Der Sammelbehälter 6 ist in diesem Falle durch ein seitlich angebrachte
Ventil 30 mit der bereits früher erwähnten Schlange 8 verl)unden, während die übrige
Anordnung unverändert bleibt. Auf diese Weise kann man von dem dauernd flüssig umlaufenden
Wärmeaustauschmedium jeweils einen bestimmten Teil abzweigen und mit Hilfe von Kühlwasser
herunterkühlen.
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Beispiel Um Stadtgas für Treibstoffzwecke verwendbar zu machen, wird
es mit einer Geschwindigkeit von loo chm in der Stunde durch einen Syntheseofen
nach Fig. 1 geleitet, dessen Röhren 2 mit einem kohlenoc)dhvtIrierendrn Nickelkatalysator
gefüllt sind. Der Raum zwischen den Röhren ist mit Druckwasser angefüllt, das durch
den Syntheseofen I, den Ausgleichsbehälter 5 und den im aufsteigenden Strom liegenden
Wärmeaustauscher 17 vermittels Thermosiphonwirkung umläuft. In den Betriebspausen
wird die Apparatur mit Hilfe des Brenners 20 auf eine Ruhetemperatur in Höhe von
I700 gehalten, und zwar mittels der Reglereinrichtung 21, 22. Sobald durch den Syntheseofen
Gas entnommen wird, bewirkt die auftretende Reaktionswärme, daß die Temperatur des
Druckwassers fortgesetzt steigt, obgleich die Regeleinrichtung 2I, 22 das Heizgas
bereits abgestellt hat. Die Temperatur würde beliebig weitersteigen. Um dies zu
verhindern, ist das Kontaktmanometer 14 auf eine Arbeitstemperatur von 175 bis 1800
eingestellt. Sobald die Temperatur I750 infolge der Reaktionswärme erreicht wird,
öffnet sich das von dem Kontaktmanometer gesteuerte Dampfdurchlaßventil 15 und läßt
so viel Dampf in die Kühlschlange 8 eintreten, daß die Temperatur des Druckwassers
nicht über I75 bis I800 ansteigt. Das Kondenswasser fließt durch die Leitung 12
dem Thermosiphonstrom am aberen Ende des Fallrohres I3 zu und verstärkt auf diese
Weise den Umlauf des Kühlmittels.
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Wenn nach Beendigung des Tankens der Gasstrom plötzlich abgestellt
wird, so sinkt infolge Ausbleibens der Reaktionswärme die Temperatur des umlaufenden
Druckwassers. Sobald der Dampfdruck unter die zu der Temperatur von I750 gehörende
Höhe gefallen ist, steuert das Manometer I4 das Ventil 15 so lange, bis es ganz
geschlossen ist. Dann tritt keine weitere zusätzliche Kü'hlwirkung mehr ein. Infolge
der Wärmeabgabe nach außen durch die ganze Apparatur sinkt die Temperatur aber allmählich
weiter. Sobald I700 unterschritten werden, öffnet das Kontaktthermometer 22 das
Gasventil 21 und beheizt den Wärmeaustauscher I7 derart, daß eine Temperatur von
I700 im ganzen System wieder wie zu Beginn aufrechterhalten wird.
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PATENTANSPROCHE: I. Verfahren zur Temperatursteuerung exothermer
Umsetzungen mit Hilfe eines wärmeübertragenden flüssigen Mediums, welches zwischen
Reaktionsofen und Wärmeaustauschern umläuft, insbesondere zur Methanisierung von
Stadtgasen an Gastankstellen, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturregelnde
Wärmeträgermedium vom Reaktionsapparat (I) ausgehend sowohl auf dem absteigenden
als auch auf dem aufsteigenden Weg des Thermosiphonstromes ganz oder teilweise je
einen Wärmeaustauscher (8, I7) durchläuft, wobei der im aufsteigenden Strom liegende
Wärmeaustauscher (I7) bei fehlender oder ungenügend entwickelter Reaktionswärme
heizt und andernfalls kühlt, während der im absteigenden Strom liegende Wärmeaustauscher
(8) bei größerer Wärmeentwicklung den Wärmeüberschuß abführt.