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Ofen zur Durchführung chemischer Reaktionen
Bei Arbeitsvorgängen der
chemischen Industrie sind metallische Werkstoffe zur Ausbildung von Heizflächen
für indirekte Wärmezufuhr nicht immer geeignet. Die Gründe hierfür liegen z. B.
in ungünstiger Beeinfiussnng des zu beheizenden Gutes oder der Katalysatoren, nachteiliger
Einwirkung auf die im Ofen oder anschließend beabsichtigten Umsetzungen, mangelnder
Beständigkeit gegen das Heizmaterial oder das zu beheizende Gut, mangelnder Temperaturbeständigkeit,
zuweilen auch in der Seltenheit eines sonst vielleicht geeigneten Metalls.
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In solchen Fällen müsen dann keramische Werkstoffe auch für empfindliche
Arbeitsvorgänge herangezogen werden, und so leicht sich in kleinem Maßstab z. B.
einzelne Rohre im Laboratoriumsofen verwenden lassen, so schwierig wird die Ausbildung
eines haltbaren betriebssicheren Großofens, der allen Anforderungen genügt. Ein
guter großer Rohrbündelofen stand z. B. bisher nicht zur Verfügung.
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Es wurde nun gefunden, daß sich ein Ofen aus keramischen Rdhren od.
dgl. mit überraschenden Vorzügen verwirklichen läßt, indem man durch Decke und/oder
Boden des Heizraumes mit seitlichem Spielraum geführte, frei dehnbar herausragende
empfindliche, insbesondere keramische Rohre od. dgl. oben in einem Register gasdicht
aufhängt, unten beweglich, vorzugsweise ,durch Schläuche an ein Register anschließt
und die Abdichtung des Heizraumes an den Durchtrittsöffnun-
gen
.der.Rthre durch über die Rohre geschobene, gegen Decke und Boden 'des Heizraumes
bewegliche Platten od. dgl. bewirkt. Dadurch wird eine Anordnung gegeben, welche
nicht nur eine freie Dehnbarkeit in der Längsrichtung der Rohre od. dgl., sondern
auch eine seitliche Bewegung einzelner Rohre - lyzw. Rohrteile möglich macht. Erfindungsgemäß
werden auf diese Weise bei in der Längsrichtung fr,ei dehnbar angeordneten Rohren
auch alle seitlichen Bewegungen bzw. Verschiebungen, ebenso Verwerfungen der Rohre
einerseits und der Ofenkonstruktion bzw. der Ofenteile, des Ofenmauerwerks usw.
ohne jede Schädigung der Rohre od. dgl. aufgenommen. Besonders bevorzugt ist dabei
eine Ausführungsform, bei der der Verbrennungsraum des Heifzmittels als Injektor
ausgebildet ist, der zwangsläufig einen Teil der durch den Heizraum geführten Heizgase
wieder mit ansaugt, gegebenenfalls unter Regelung des rückgesaugten Anteils durch
einen Schieber od. dgl. vor dem Injektor.
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Der Heizraum besteht im einfachsten Fall aus einem Schacht od. dgl.,kann
aber auch aus mehreren Abteilungen mit vorgeschriebenen Gaswegen, Schaltungen usw.
zusammengesetzt sein, ebenso wie die beheizten Rohre, die im einfachsten Fall alle
parallel geschaltet sind, auch in Abteilungen mit gleicher oder verschiedener Funktion
geschaltet sein können. Nach Bedarf wird eine Innenausstattung der Rohre z. B. durch
Auskleidungen, Füllungen.
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Führungen, - Einbauten, Katalysatoren od. dgl. durchg,eführt.
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Das Register, an dem die Rohre hängen, besteht z. B. aus einer oder
mehreren Leitungen bzw. Platten aus vorzugsweise metallischen oder auch anderen,
z. B. keramischen Werkstoffen. Man verwendet z. B. Registerrohrleitungen aus Metall,
an deren abwärts gerichteten Stutzen die keramischen Rohre vorzugsweise durch Stopfbuchsen
angehängt sind, oder z. B. Registerplatten, in denen Rohrköpfe mit kugelförmigen
Dichtungsflächen hängen oder geeignete Flanschverbindungen usw. Das Register wird
gegebenenfalls durch Luft bzw; Gas oder Flüssigkeit gekühlt, z. B. durch Wasser
bzw. siedendes Wasser bzw. Dampf bzw. Reaktionsteilnehmer usw.
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Die bewegliche Verbindung zum unteren Register geschieht z. B. durch
Schläuche aus Metall, Gummi, Kunststoff uw. Vorteilhaft setzt man an die Rohre Munfdstücke
oder T-Stücke aus Metall und befestigt an diesen die Schläuche. Durch die Schläuche
tretende Gase werden kalt oder nur so warm zugeführt bzw. aus den Rohren entnommen,
als das verwendete Schlauchmaterial es gestattet. Wird eine chemische Reaktion im
Ofen - durchgeführt, so besitzen die? verschiedenen, vorzugsweise von unten nach
oben durchstrichenen Zonen unter Umständen verschiedene Aufgaben. Insbesondere bildet
man Vorwärmezonen im unteren Teil und Reaktionszonen darüber, gegebenenfalls nach
den Reaktionszonen auch noch Kü'hlzonen, wenn solche vor dem Austrittsregister gewünscht
werden. Dazu kann sich über dem Heizraum bzw. in Richtung des strömenden Gemisches
hinter !dem Heizraum noch ein Kühlraum mit gleichfalls erfindungsgemäßer Ahdicttung
befinden, durch dessen Decke die Rohre herausragen, oder,das Register ist in dem
Kühlraum eingeschlossen.
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Länge, Durchmesser und Material der Rohre werden nach den Erfordernissen
der Arbeitsvorgänge gewählt, z. B. Rohre aus Quarz, Silimanit, Korund usw. Natürlich
lassen sich in besonderen Fällen auch empfindliche metallische Rohre in dem erfindungsgemäß
ausgebildeten Ofen verwenden. Andere Querschnittsformen, Rippenrohre usw. sind selbstverständlich
auch anwendbar.
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Die über die Rohre gezogenen Abdichtungsplatten bestehen z. B. aus
Leichtstein oder Asbest pappe usw., z. B. für jedes Rohr eine vorzugsweise ungeteilte
Leichtsteinplatte, doch können auch geteilte Platten bzw. Platten für mehrere Rohre
gemeinsam verwendet werden. Die Platten liegen z. B. durch ihr Gewicht gegen die
Ofenwand an oder werden durch Federn an die Ofenwand angelegt bzw. liegen ihrerseits
beweglich auf gegen die Ofenwand abgedichteten Unterlagen, vorzugsweise ohne Befestigung
an den Rohren selbst. Es können aber auch an den Rohren befestigte bzw. mit der
Rohrwand verbundene Platten oder Vorsprünge benutzt werden. Besonders wirksame bewegliche
Ab dicht tung erzielt man durch Anwendung mehrerer in Abständen voneinander über
ein Rohr gezogener Platten, die labyrinthartig gegen die Ofenwand bzw. mit dieser
dicht verbundene Führungen abdichten (s. Zeichnung). Eine besondere Ausführungsform
dieser Abdichtung besteht darin, daß die an je einer Durchtrittsöffnung angebrachte
bewegliche Abdichtungsplatte durch einen mit Aussparungen versehenen Ring gehalten
wird, gegebenenfalls unter Zusammenfügen mehrerer solcher Platten und Ringe übereinander
und starres oder elastisches Gegenellnanderpressenrder Ringe.
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Als Heizmittel ist jede geeignete Energiequelle verwendbar, z. B.
elektrische Heizungen, vorzugsweise Gasfeuerung, Olfeuerung, Kohlenstaubfeuerung
usw., durch außerhalb des eigentlichen Heizschachtes in einem Verbrennungsraum angeordnete
Brenner. Der Verbrennungsraum wird dann erfindungsgemäß so als Injektor ausgebildet,
daß die z. B. an einem Ende des Heizschachtes eintretenden Heizgase am anderen Ende
teilweise zurückgesaugt und mit den frischen Verbrennungsgasen dem Ileirschacht
wieder zugeführt werden.
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Arbeitet z. B. ein Brenner von unten nach oben, so tritt das Heizgas
z. B. oben aus dem Verbrennungsschacht in den Heizschacht über und wird unten aus
dem Heizschacht durch die Injektorwirkung des Verbrennungsraumes teilweise wieder
angesaugt.
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Arbeitet der Brenner von oben nach unten, so tritt das Heizgas z.
B. unten in den Hei-zschacht und wird zum Teil oben wieder zum Verbrennungsraum
zurückgesaugt, und es sind auch andere als senkrechte Anordnungen des Verbrennungsraumes
bzw. der Brenner anwendbar bzw. besondere Führungen der Heizgase usw. Die rückgesaugte
Menge wird vorteilhaft durch einen Schieber vor dem Injektor bzw. der Rückführung
zum Verbrennungsraum
reguliert, der den Beanspruchungen durch die
Feuergase widerstehen muß und gegebenenfalls aus keramischen Platten gebildet wird,
z. B. indem eine keramische Platte auf waagerechter keramischer Unterlage verschoben
wird und dadurch den Querschnitt nach Bedarf verengt oder vergrößert.
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Der Wärmeinhalt der Feuergase und des Reaktionsgemisches wird beim
Betrieb des Ofens durch zusätzliche Vorwärmer, Wärmeaustauscher, Dampferzeuger usw.
in jeder Weise ausgenutzt, z. B. zur Vorwärmung der Verbrennungsluft, der Reaktionsteilnehmer,
des Heizmittels oder zur Nutzdampferzeugung, Beheizung bzw. Anwärmung anderer Apparaturen,
z. B. bei der Vorreinigung von Frischgasen oder bei der Weiterverarbeitung der Reaktionsgemische.
In besonderen Fällen kann auch nicht nur die Richtung des Gasstromes von oben nach
unten bzw. von unten nach oben gewechselt bzw. vertauscht werden, sondern es kann
auch Heizung innerhalb der Rohre und zu beheizendes Gut oder Reaktionsgemisch außerhalb
der Rohre geführt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Bauweise des Ofens wird erreicht, daß
die keramischen Rohre od. dgl. keinerlei mecfhanischer Beanspruchung unterliegen,
da sie senkrecht aufgehängt sind und etwaige trotzdem bei höchster Temperaturbeanspruchung
des Materials auftretende Verformungen durch den seitlichen Spielraum bei der Durchführung
der Rohre od. dgl. durch die Ofenwandung sowie durch die beweglichen Anschlüsse
und Abdichtungen sowohl in der Achsenrichtung als auch senkrecht dazu aufgenommen
werden, obwohl, sofern gasdichtes, keramisches Material verwendet ist, das durch
die Anschlüsse und Rohre gegebene Gut gas dicht von den Räumen außerhalb der Rohre
bzw. der Umgebung abgeschlossen ist. Die Anordnung gestattet eine leichte Auswechselbarkeit
einzelner Rohre, die je nach Aufstellung nach unten oder oben auch einzeln Iherausgenommen
und ersetzt werden können, ohne das ganze Rohrbündel bzw. den Ofen auseinanderzunehmen.
Die Beobachtungsmöglichkeit der Rohre ist ganz besonders günstig, da man nicht nur
auf Schaulöcher in die Feuerungszone angewiesen ist, sondern die herausragenden
Enden zugänglich sind und bei Bedarf Schaugläser vorgesehen sein können, z. B. an
auf die Rohrenden gesetzten T-Stücken bei seitlichem Anschluß von Schläuchen oder
z. B. an einer eine Registerplatte abdeckenden Haube. Ebenso können von den Enden
her Meßgeräte, Proberohre und sonstige etwa zur Reaktionsbeeinflussung benötigte
Teile, z. B. beliebig weit in das Rohr hineinragende Zuführungsrohre usw., angebracht
werden.
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Die Du rchführungsmöglichkeit aller erforderlichen Eingriffe selbst
bei differenzierten chemischtechnischen Aufgaben ohne jede Beanspruchung der keramischen
Heizflächen führt zu hoher Lebensdauer dieser Teile und möglichst reparaturfreiem
Arbeiten, was gleichzeitig in Verbindung mit der Beobachtungsmöglic'hkeit eine außerordentliche
Betriebsicherheit ergibt, so daß es möglich wird, auch unter erschwerten Bedingungen
gefahrlos zu arbeiten. Dabei ermöglicht die Anwendung geringerer Wandstärken als
in anders gebauten Öfen verbesserten Wärmedurchgang und damit verbesserte Wärmebilanz
und auch Erhöhung des bei gleichem keramischem Material in großtechnischen Öfen
zugänglichen Temperaturgebietes und erforderlichenfalls eine erhöhte Gleichmäßigkeit
und Ausdehnung der Zone höchster Temperaturen. Diese Eigenschaften werden durch
die geschilderte Wie deransaugung von Feuergasen bzw. den teilweisen Kreislauf und
die damit erhöhte Geschwindigkeit der Feuergase, die je nach den Anforderungen z.
B. im Gleichstrom oder im Gegenstrom oder mit besonderer Schaltung geführt werden,
nochmals beträchtlich gefördert.
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Es ist daher möglich, die Aufteilung von Reaktionszonen ganz nach
den Anforderungen des Verfahrens vorzunehmen und auch mit zersetzlichen Stoffen,
z. B. Ammoniak oder Kohlenwasserstoff, aggressiven Stoffen, z. B. Halogenen oderGiftstoffen,
z. B. Blausäure, Hochtemperaturprozesse großtechnisch durchzuführen, selbst wenn
an den Temperaturverlauf besondere Anforderungen gestellt sind und empfindliche,
wertvolle Katalysatoren, z. B. der Platingruppe, mitwirken müssen. Besonders läßt
sich auch das Arbeiten mit beheizten Katalysatoren im erfindungsgemäßen Ofen vorteilhaft
durchführen. Durch die überraschende Vereinigung wertvoller Eigenschaften gibt deshalb
die erfindungsgemäße Bauweise die Möglichkeit, auch eine Rei'he von solchen Verfahren
großtechnisch durchzuführen, die bisher in der Technik nicht verwirklicht werden
konnten bzw. sich nicht durch setzen konnten, z. B. bestimmte Blausäurebildungsverfahren,
Chlorierungsverfahren und endotherme Hochtemperaturreaktionen.
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Beispiel Eine beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Ofens ist aus den Abb. I bis 6 ersichtlic'h. Hierbei stellt Abb. I einen senkrechten
Schnitt durch den Ofen, Abb. 2 einen Schnitt gemäß der Linie A-A dar, während die
Nebenabbildungen 3 und 4 die oberen Durchführungen der Rohre durch den Deckel Ic
nebst den Anschlüssen an die Registerleitungen und die Abb. 5 und 6 die unteren
Durchführungen der Rohre durch den Ofenboden 1b mit Anschlüssen an die Registerleitungen
zeigen.
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Gemäß Abb. I ist aus feuerfestem Material, insbesondere Ziegeln,
Stampfmasse u. dgl., ein Ofenkörper Ia, 1b, 1c gebildet, der gegebenenfalls von
einer metallischen Ummantelung Id (Abb. 3 und 5) umgeben sein kann. DertOfen besteht
im wesentlichen aus dem eigentlichen Heizschacht 2 und dem Verbrennungsraum 3, die
miteinander durch Kanäle 4 und 5 in Verbindung stehen. In dem Beispiel wird durch
den Brenner 6 Heizgas bzw. Öl, Kohlestaub od. dgl. enthaltendes Gasgemisch in den
Verbrennungsraum 3 eingeblasen; die Feuerungsgase strömen dann durch den Kanal 4
in den Heizraum 2 und verlassen den Ofen bei 7.
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In dem Heizraum 2 sind im Beispiel senkrecht und gegeneinander versetzt
(vgl. Abb. 2) Rohre 8
aus Metall oder keramischem Material, z. B.
Al2 O,-haltigen Massen, angebracht, die durch die Offnungen g mit Zwischenraum durch
den Ofendeckel Ic geführt und an den Registerleitungen 10 aufgehängt sind. Im Ofendeckel
Ic sind die Rohre 8 demnach nicht befestigt, sondern mit Spielraum g durchgeführt.
Die Abdichtung gegen den Ofendeckel Ie erfolgt mittels über die Rohre geschobener
Platten aus Asbest, keramischen Werkstoffen, Leichtstein, Metall od. Idgl. II, die
z. B. auf Ic aufliegen. Man kann aber auch beispielsweise mehrere über die Rohre
8 geschobene Platten I2 aus Asbest, keramischem Material, Metall od.dgl., die durch
mit Vertiefungen versehene Ringe 13 gehalten werden, übereinander anbringen und
so eine labyrinthartige Dichtung erzielen, ohne daß da'durch die freie Beweglichkeit
in Richtung der Achse oder nachrden Seiten behindert wird.
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Die Registerleitungen 10 tragen (vgl. auch Abb. 3 und 4) kurze Ansatzstutzen
I4, an Idenen z. B. mittels einer Stopfbuchse 15 die Rohre 8 gasdicht aufgehängt
sind. Wünscht man die Reaktionsgase gleich nach der Umsetzung zu kühlen, so kamm
man die Stutzen 14 entsprechend lang ausführen oder dieRohre8 verhältnismäßig weit
herausführen.
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An Stelle der Stopfbuchse 15 können natürlich auch andere Befestigungs-
bzw. Dichtungsmittel bekannter Art angewendet werden, z. B. Flansche, überwurfmuttern
usw. Stopfbuchse I5, Ansatzstutzenl 14 und Registerleitung 10 sind vorzugsweise
durch einen Kühlmantel 16 umgeben, der durch bei 17 ein- und bei I8 austretende
Kühlmittel, z. B. Wasser, Kühlgase, Reaktionsgase od. dgl., gekühlt wird, z. B.
unter Vorwärmung des Frischgases.
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Den Ofenboden tb durchsetzen die Rohre 8 ebenfalls frei beweglich,
d. h. mit Spielraum an den Öffnungen I9; sie können sich auf diese Weise insbesondere
nach unten unbehindert ausdehnen oder sind auch seitlich mit Spielraum verschiebbar.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der unteren Durchführungen zeigen
die Abb. 5 und 6. Über die mit Abstand den Ofenboden Ib durchsetzenden Rohre 8 sind
Asbestplatten, keramische Platten od. dgl. 20 gezogen, die durch mit Ausparungen
versehene Ringe 2t, vorzugsweise aus Metall, in ihrer Lage gehalten werden, indessen
seitlich Spielraum in die freien Räume 22 haben. Die Metallringe 21 werden durch
einen Schraubenbolzen 23 starr oder unter Zwischenlage einer Feder 24 elastisch
zusammengehalten. Durc'h die vorgesehenen Durchführungen durch den Ofenboden Ib
und den Ofendeckel Ic unter Aufhängung an den Registerleitungenl 10 ist eine betriebssichere
Anordnung der Heizrohre in dem Heizraum 2 ohne die Gefahr von Spannungsbrüchen gewährleistet.
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Der- untere Anschluß der Rohre 8 an die unteren Registerleistungen
25 ist ebenfalls aus Abb. 5 und 6 ersichtlich. Die Registerleitungen 25 weisen kurze
Rohrstutzen 26 auf, während die Rohre 8 vorzugsweise mittels einer Stopfbuchse 27
od. dgl. gasdicht mit einem insbesondere metallischen Endstücken8 verbunden sind,
das seinerseits gleichfalls kurze Rohrstutzen 29 trägt, die den Rohrstutzen 26 der
Registerleitungen gegenüberstehen. Die gas dichte Verbindung zwischen 26 und 29
erfolgt durch Schläuche 30, die aus Metall, Gummi, Kunststoffen od. dgl. bestehen
können. Auf diese Weise ist bei Ausdehnung der Rohre eine spannungsfreie, gasdichte
Verbindung mit den Registerleitungen 25 geschaffen, die auch bei großtechnischenAusführungen
des Ofens völlig betriebssicher ist.
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In dem geschilderten Beispiel treten die Gase z. B. durch die Registerleitungen
25 ein und strömen über 30, 29, 28 von unten in die Rohre 8 ein, die sie oben über
die Rohrstutzen 14 und Registerleitungen 10 verlassen. In Idem genannten Fall ist
es daher im allgemeinen nicht nötig, die unteren Registerleitungen und Rohrstutzen
besonders zu kühlern, es genügt dies vielmehr bei den oberen Ansatzstücken I5, 14
und 10. Bei Umkehrung der Gaswege wird man natürlich insbesondere die unteren Anschluß
stücke 27 bis 29, gegebenenfalls auch die Schlauchverbindung 30 sowie die Registerleitungen
25, mit Kühlung ausstatten.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Ofens ist der
Verbrennungsraum 3 des Heizmittels injektorartig ausgebiLdet, indem er bei 31 verengt
ist und die ganze Form des Verbrennungsraumes 30-3I-3 (von oben nach unten) den
Querschnitt eines Injektors hat. Hierdurch kann zwangsläufig ein Teil der durch
den Heizraum 2 geführten Feuerungsgase über den Kanal 5 wieder angesaugt werden
und strömt unter Verdünnung und Mäßigung bzw. Regelung der Temperatur der Heizgase
wieder dem Verbrennungsraum 3 zu. Die Menge der durch den Injektor rückgesaugten
Feuerungsgase läßt sich durch Stellung des Schiebers 32 einregulieren. Man hat es
damit leicht in der Hand, die Temperaturbedingungen des Ofens in gewünschtem Maße
einzustellen. An Stelle des Schiebers 32 können natürlich auch andere Regelvorrichtungen
zur Bemessung,der rückgesaugten Gasmenge dienen, beispielsweise Drosselklappen usw.,
oder die Gasrückführung wird mittels Umlaufgebläses durchgeführt.
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Der erfindungsgemäße Ofen ist insbesondere für chemische Reaktionen
bei hohen bzw. sehr hohen Temperaturen geeignet. Verwendet man als Rohre 8 solche
aus Korund, so kann der Ofen bis zu den Temperaturen der Erweichung des Korunds
benutzt werden. Der Ofen eignet sich insbesondere für alle chemischen Reaktionen,
bei denen ein kostbarer, empfindlicher Katalysator in beheizter Form zur Anwendung
kommen muß, beispielsweise zur großtechnischen Gewinnung von Blausäure aus Kohlenwasserstoffen
und Ammoniak, insbesondere aus Methan und Ammoniak unter gleichzeitiger Gewinnung
von Wasserstoff. In diesem letztgenannten Fall werden z. B. Rohre aus Silimanit,
Aluminiumoxyd od. dgl. verwendet, die auf ihrer inneren Oberfläche mit einem Überzug
aus Platin bzw. Platinmetallen oder Platinlegierungen überzogen sind, gegebenenfalls
unter Benutzung besonderer Imprägnierungsverfahren zur gleichmäßigen Bedeckung der
inneren Rohrwandungen mit Katalysatormetall.
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Die Blausäurebildung erfolgt in diesem Fall bei
Temperaturen
zwischen IOOO und I5000. Mit dem Ofen lassen sich des weiteren vorteilhaft Chlorierungsverfahren
und endotherme Hochtemperaturreaktionen aller Art durchführen, wobei auch solche
Arbeitsweisen unter die Erfindung fallen, bei denen die chemische Reaktion sich
an der äußeren, gegebenenfalls mit Katalysator bedeckten Oberfläche der Rohre abspielt,
während die Heizgase innen durch die Rohre 8 geleitet werden.