DE860047C - Verfahren zur Durchfuehrung chemischer Reaktionen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Bedingungen bei chemischen Reaktionen, bei denen ein fester Teilnehmer von einem ebenfalls an der Reaktion teilnehmenden Medium durchlaufen wird. Mit anderen Worten bezweckt die Erfindung, bei Verfahren der genannten Art die Entstehung ständiger Durchflußkanäle des strömenden Mediums herabzusetzen und eine feine Verteilung der Strömung, insbesondere von Gasblasen zu bewirken.

Es ist allgemein bekannt, daß Reaktionen, an denen eine feste Phase teilnimmt, stark durch die Kontaktflache zwischen der festen Phase und dem mit ihr reagierendem Medium beeinflußt werden. Die Ausbeute nimmt in der Regel zu, wenn die Kontaktfläche größer wird, und es wurden deshalb Methoden vorgeschlagen, welche eine Vergrößerung dieser Kontaktfläche zur Folge haben und gegebenenfalls auch eine fortlaufende Ersetzung der Grenzschicht durch·eine neue reaktionsfähige Schicht bewirken. So.ist bereits früher vorgeschlagen worden, das strömende Medium zur Vergrößerung der Kontaktfläche heranzuziehen, indem man die Strömungsgeschwindigkeit in geeigneter Weise einstellte, wobei mit Erfolg die Fähigkeit des strömenden Gases ausgenutzt wurde, die feste Phase in Form einer wolligen Masse schwebend zu erhalten. Es zeigte sich jedoch, daß die Möglichkeiten zur Anwendung dieser Methode durch verschiedene Faktoren

begrenzt werden, die sich nicht innerhalb wünschenswert weiter Grenzen verändern lassen.

Die Erfindung ermöglicht andererseits nicht nur eine vollkommene Ausnutzung der Fähigkeit des strömenden Mediums, eine geeignete Verteilung der festen Phase zu bewirken und aufrechtzuerhalten, sondern sie gestattet auch insgesamt eine verbesserte Ausnutzung der Möglichkeit zur Bildung großer Kontaktflächen, was von der Abstufung der festen ίο Phase abhängt. Die Erfindung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß die feste Phase Vibrationen, z. B. durch mechanische, elektrische, magnetische Vibratoren einer bekannten Ausführungsform ausgesetzt wird.

Die Erfindung wird nachstehend an einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die in der Zeichnung schematisch dargestellt ist, näher beschrieben. Dabei sind weitere Merkmale der Erfindung erläutert. Das als Wärmeisolator dienende Rohr 10 umschließt eine elektrisch beheizte Heizspirale 11, welche die Reaktionsmasse auf eine Temperatur bringt, die für den optimalen Reaktionsablauf günstig ist. Innerhalb der Heizspirale ist eine rohrförmige Reaktionskammer 12 angeordnet, an deren unterem Ende das Rohr 13 für das strömende Medium einnlündet. Die Kammer 12 wird also von unten nach oben von Gas durchströmt, dessen Strömungsgeschwindigkeit geregelt wird. Das Gas soll sich mit einer festen Phase umsetzen, die als Pulver von bestimmtem Feinheitsgrad eingefüllt wird, auf -einer perforierten Platte 14, einem Drahtnetz od. dgl. ruht und im Ruhestand die Kammer bis zu einer gewissen Höhe füllt. Am Oberteil der Kammer wird das Gas zusammen mit den Reaktionsprodukten durch die Leitung 15 der Weiterverarbeitung zugeführt. In der Reaktionsmässe sind zweckmäßigerweise Temperaturmeßinstrumente untergebracht.

Erfindungsgemäß sind die Kammerwände mechanisch mit einem an sich bekannten Vibrator verbunden, der bei der gezeigten Ausführungsform ein elektromagnetischer Vibrator 16 ist und an eine Wechselstromquelle geeigneter Frequenz, z. B. 50 Perioden/Sek. angeschlossen wird.

Die Einrichtung dient zur Oxydation von Schwefeldioxyd SO₂ zu Schwefeltrioxyd SO₃ mittels eines Vanadiumkatalysators, der aus einer mit Kaliumvanadat imprägnierten Kieselgurmasse besteht. Durch das Rohr 13 wird eine Mischung von etwa 6 % ■ Schwefeldioxyd und 15 % Sauerstoff eingeleitet. Der Rest des Gases besteht aus Stickstoff.

Das Heizelement ist so eingestellt, daß die Temperatur in der ganzen Reaktionsmasse ständig auf etwa 440⁰ C gehalten wird, was trotz der exothermen Reaktion ohne Schwierigkeit möglich ist, da die Masse im Gasstrom suspendiert ist.

Die feste Phase weist in diesem Falle eine geeignete physikalische Struktur auf, die dadurch erhalten wurde, daß man den Katalysator sinterte und auf eine Korngröße von 0,3 bis 0,2 mm zerkleinerte. Für diese Korngröße und das gegebene spezifische Gewicht wurde eine Gasgeschwindigkeit von 0,65 bis 1,6 cm/Sek., bezogen auf Zimmertemperatur, als geeignet gefunden. Unter diesen' Bedingungen findet nämlich bei der Reaktion eine Auflockerung der festen Phase statt, so daß die Teilchen im Gasstrom schweben, ohne von diesem aus der Kammer mitgerissen zu werden. In solchen Systemen strömt das Gas in konstanten Kanälen oder bei höherer Geschwindigkeit in Form von Gasblasen beträchtlicher Größe durch die dichte wollartige feste Phase. Es versteht sich, daß diese Art der Durchströmung nicht den größtmöglichen Kontakt zwischen den Oberflächeneinheiten des Katalysators und des Gases gestattet. Wenn man jedoch die gebildete Masse erfindungsgemäß in Schwingungen versetzt, wird die Bildung konstanter Kanäle verhindert und die größeren Blasen werden in erheblich kleinere unterteilt, wodurch sich eine beträchtliche Erhöhung der Kontaktflache ergibt.. Unter, diesen Umständen wird die Ausbeute praktisch den thermodynamischen Bedingungen entsprechen.

Bei der vorstehend beschriebenen Oxydation von Schwefeldioxyd zu Schwefeltrioxyd unter Benutzung eines Vanadiumkatalysators auf einen Träger mit der Korngröße von 0,5 bis 0,8 mm werden bei steigenden Strömungsgeschwindigkeiten folgende Ausbeuten erhalten :

Raumgeschwindigkeit

910

1835
2760
3670
4600

	mit Vibration
Ausbeute	97,9%
ohne Vibration	96,0%
97,9%	95,3%
97,o%	94,5%
93,9%	93,6%
93,o%
75,o%

Wie aus dieser Aufstellung ersichtlich ist, kann eine wesentliche Steigerung der Ausbeute bei höheren Geschwindigkeiten erreicht werden.

Die Vibration der festen Phase verursacht gewisse Bedingungen^ die in vielen Fällen für den Verlauf der chemischen Reaktionen entscheidend sind. Durch die Vibration wird es möglich, eine Verteilung der festen Phase in Form einer schwebenden Wolke auch in solchen Fällen zu erreichen, wo die physikalischen Eigenschaften des festen Materials, z. B. sein spezifisches Gewicht, Korngröße usw., bei Anwendung bekannter Methoden die Verwendung von Gasgeschwindigkeiten erfordern würden, welche der Reaktionsgeschwindigkeit nicht entsprechen. Daß die Vibration die Verteilung der festen Phase fördert, beruht wahrscheinlich auf ihrem günstigen Einfluß auf die Reibung der festen Teilchen, ferner auf der Verhinderung der Bildung konstanter Kanäle, großer Gasblasen und anderer Inhomogenitäten. Infolgedessen können Reaktionen, die bisher nicht wirtschaftlich durchführbar waren, nunmehr in technischem Maßstab durchgeführt werden, und die Erfindung ergibt auch eine wesentliche Verbesserung der Reaktionsbedingungen bei allen bisher bekannten und benutzten Reaktionen, an denen eine feste Phase beteiligt ist. So kann die Erfindung mit Vorteil in solchen Fällen angewendet werden, wo die feste Phase ein Katalysator ist, der sich evtl. auf einem Träger befindet, oder wo die feste Phase im Verlauf der

Reaktion, verbraucht wird. Obschon die mit der festen Phase reagierenden Medien Gase oder Dämpfe sind, kann die Erfindung auch mit Vorteil benutzt werden, wenn diese Medien Flüssigkeiten sind. Die Erfindung eignet sich sowohl für Oxydations- und Reduktionsreaktionen als auch für Additions- und Substitutionsreaktionen.

Zur Erzeugung der Vibrationen in der festen Masse kann man Vibratoren bekannter Bauart verwenden.

ίο Hierbei werden oft die Wände der Reaktionskammer für die. Übertragung der Vibrationen auf die Masse herangezogen. In anderen Fällen ist es wieder zweckmäßiger, die Übertragungsmittel in der Masse anzuordnen, welche dann direkt oder durch Vermitt^A lung der Wände die Schwingungen des Vibrators übertragen. Solche Mittel können außerdem noch andere Zwecke erfüllen, z. B. zum Rühren, Erhitzen oder zur Durchführung verschiedener Messungen dienen, wenn diese Aufgaben nicht durch andere

ao Organe, wie getrennte Rührer oder Meßinstrumente erfüllt werden. Es hat sich als besonders zweckmäßig ,erwiesen, die Einrichtung so anzubringen, daß die Schwingungen quer, d. h. senkrecht zum Gasstrom verlaufen. Die Amplitude der Vibrationen und ihre Frequenz können in weiten Grenzen verändert werden, sollten jedoch so auf die physikalische Struktur der Körner, die Korngröße, das spezifische Gewicht usw., die Gasgeschwindigkeit, Reaktionstemperatur und Art der Reaktion abgestimmt werden, daß die Ausbeute so nahe wie möglich an den theoretischen Höchstwert herauskommt. Der Kontakt zwischen der festen Phase und dem strömenden Medium wird nämlich, bei einer gegenseitigen Angleichung aller dieser Faktoren optimal sein.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend erwähnten Ausführungsformen beschränkt und kann innerhalb der Tragweite der ihr zugrunde liegenden Idee abgeändert werden. So kann man das Verfahren auch für Reaktionen benutzen, bei denen die feste Phase dauernd ersetzt wird, indem man sie dem System kontinuierlich zuführt und aus diesem wegführt, z.B. in Fällen, wo die feste Substanz vom Gas mitgeführt wird, diese also keine stehende Wolke bildet, sondern mit dem Gas strömt. Natürlich muß man in solchen Fällen eine gewisse, oft beträchtliche Differenz in der linearen Strömungsgeschwindigkeit zwischen fester Phase und gasförmigem Medium einhalten. Die Erfindung kann ferner auch in solchen Fällen Anwendung finden, wo die feste Phase aus zwei oder mehr Komponenten besteht. Durch die Vibration kann auch eine vollkommen homogene Suspendierung eines Materials im Gas erreicht werden, dessen Komponenten hinsichtlich ihres spezifischen Gewichtes beträchtlich verschieden sind.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ausführung von chemischen Reaktionen, bei welchen ein feinverteiltes, festes Material, insbesondere ein feinverteilter, fester Katalysator durch ein aufwärts strömendes Gas oder eine Flüssigkeit, das bzw. die an der Reaktion teilnimmt, in einem schwebenden Zustand gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die feinverteilten Teilchen des festen Materials Vibrationen ausgesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen der festen Komponente Vibrationen ausgesetzt werden, die zu der Strömungsrichtung hauptsächlich senkrecht verlaufen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, zum Oxydieren von Schwefeldioxyd in Gegenwart eines Katalysators, der auf einem Träger verteilt ist, z. B. von Kaliumvanadat, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator während der Reaktion in Schwingungen versetzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© SS78 12.