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Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Gasen oder Dämpfen und
zur Vornahme von Reaktionen.
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Es ist bekannt, daß zahlreiche chemische Reaktionen zwischen Gasen
oder Dämpfen mit einer Volumvermehrung (Dissoziation) oder einer Volumverminderung
(Kontraktion) verlaufen; es ist andererseits bekannt, daß gewöhnlich der Verlauf
einer Reaktion im einen oder anderen Sinne durch Vermehrung oder Verminderung des
Druckes im Reaktionsgemisch gefördert wird, derart, daß z. B. ein Dissoziationsprozeß
durchDrucliverminderung gefördert wird. Die Geschwindigkeit und der Verlauf der
Reaktionen ist zugleich abhängig von der Konzentration der in Reaktion tretenden
Stoffe, derart, daß die Geschwindigkeit mit abnehmender Konzentration kleiner wird.
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Es besteht ferner die Tatsache, daß bei fast allen Gasreaktionen
die Reaktion nicht nur in einem einzigen Sinne verläuft, sondern daß das erhaltene
Produkt bzw. die erhaltene Ausbeute eine Resultante aus mellreren bei der
betreffenden
Temperatur gleichzeitig eintretenden Reaktionen darstellt. Da diese verschiedenen
Reaktionen. insbesondere bei katalytischen Prozessen, mit verschiedenen Gescfrwiiidigkeiten
zu verlaufen pflege, hat man es in der Hand, z. B. durch NVahl geeigneter Konzentrationen
und genau bestimmter Berührungszeiten der reagierenden Bestandteile, mit dem Katalysator
den Anteil einer bestimmten Reaktion und mithin die Ausbeute an einem bestirnmten
Produkt zu vergrößern.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine weitgehende
Anpassung an diesen inneren Mechailismus sowie an die thermischen Verhältnisse einer
Gasreaktion und mithin die weitgehende Beeinflussung des Chemismus einer Gasreaktion
zu ermöglichen, indem man dem Reaktionsraum einen in der Richtung des Gasstromes
veränderlichen Querschnitt gibt.
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Grundsätzlich kann jeder Reaktionsraum von ganz bellebiger Form diese
Quers"chnittsänderung erfahren, beispieisweise also auch ein scheibenförmiger Reaktionsraum,
den die Reaktionsgase in der Richtung nach dem Zentrum oder der Peripherie durchströmen.
In den meisten praktischen Fällen wird jedoch der Reaktionsraum eine düsenähnliche
Gestalt annehmen. Zwar ist die Verwendung von Düsen im Anschluß an chemische Gasreaktionen
an sich bekannt, jedoch handelte es sich in allen diesen Fällen bisher immer nur
um eine rein mechanische Behandlung der Gase zwecks Einführung in einen Reaktionsraum
oder uun eine nachherige Expansion zwecks Kühlung der Gase; mit dem eigentlichen
chemischen Prozeß als solchen hatte aber dieAnwendung derartiger Düsen nichts zu
tun.
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Gegenstand dieser Erfindung ist es jedoch, den eigentlichen chemischen
Prozeß in einen Raum von veränderlichem Querschnitt zu verlegen, um dadurch den
Chemismus der Reaktion zu unterstützen. Die gewöhiliche Düsenwirkung trut dabei
volständig zurück.
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Man wird im allgemeinen Reaktionen, die mit Volumrerminderung verbunden
sind, so stattfinden lassen. daß die Reaktionsgase den Reaktionsraum von dem Ende
mit dem größeren Querschnitt in der Richtung nach dem kleineren Querschnitt durchströmen;
umgekehrt wird man im allgemeinen Dissoziationsprozesse in der Richtung vom kleineren
zum größeren Quersclinitt verlaufen lassen, jedoch können die thermischen Bedingungen
einer Reaktion unter Umständen auch den umgekehrten Verlauf erfordern.
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Reaktionsräume ron verändertem Querschnitt sind an und für sich bereits
bei elektrischen Öfen zur Erzeugung nitroser Gase bekannt. Aber diese Quersclmittsänderungen
entsprechen in keiner Reise den Veränderungen gemäß vorliegender Erfindung, denn
sie passen sich nicht dem veränderlichen Reaktionsverlauf und dem Chemismus des
ablaufenden Prozesses an, können dies auch unmöglich.
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Denn da in diesen Reaktionsrälunen der elektrischen Öfen notevendigerweise
dünne oder wandernde Bögen brennen müssen, können sie niemals ganz von einer Reaktionspbase
ausgefüllt sein. Es müssen sich vielmehr in grundlegendem Unterschied von vorliegender
Erfindung in demselben Querschnitt alle Reaktionszustände vom Maximum bis zur Reaktionslosigkeit
vorfinden. Da eine Querschmttsänderung zwar für die mechanische Gasführung, niemals
aber für den Reaktionsablauf einen Sinn haben kann, wenn nicht der ganze Reaktionsraum
völlig von der Reaktion erfüllt ist, so erhellt daraus, daß die schon bekannten
Querschnittsänderungen bei elektrischen Öfen zur Bindung des Luftstickstoffes von
dem Gegenstand der Erfindung grundsätzlich und völlig verschieden sind.
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Besonders gut wird die Anpassung des Reaktionsraumes an den Reaktionsmechanismus
en-eicht, wenn man im Innern des Reaktionsraumes einen verstellbaren korischen Mittelkörper
anordnet.
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Durch Verstellung des konischen Mittelkörpers hat man es in der Hand,
den Reaktionsraum, der im allgemeinen die Form eines Kegelmantels hat, zu verengen
oder zu erweitern und damit die Veränderung der Strömungsgeschwidigkeit und der
Druckverhältnisse gemäß den jeweiligen Betriebserfordernissen und Schwankungen beliebig
zu regulieren. Dies ist besonders wichtig für katalytische und reversible Prozesse,
bei denen eine bestimmte Reaktionszeit bzw. Berührungszeit mit dem Katalysator genau
innegehalten werden muß. Die Reaktion findet in diesem Falle in relativ dünner Schicht
statt. Dadurch wird insbesondere eine gleichmäßige Temperatur in allen Teilen des
Reaktionsraumes gewährleistet. Dies ist besonders wichtig, wenn große Mengen von
Reaktionsgasen durch den Reaktionsraum gefördert werden sollen. Geschieht das nämliche
in dicker Schicht, so ist leicht eine lokale Überhitzung oder Erkaltung und mithin
eine Störung der Reaktion möglich.
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Es empfiehlt sich, bei katalytischen Prozessen die innere Wandung
des Realitionsgefäßes sowie den verstellbaren AIittelkörperentweder aus dem katalytisch
wirkenden Material herzustellen oder damit zu überziehen. ,Vo]lte man bisher eine
intensil e Einwirkung des Katalysators auf alle Teile des Reaktiosgemischers sicherstellen,
so war man zumeist genötigt, den Katalysator in feiner Verteilung auf einer Faser
oder porösen Masse niederzuschlagen, diese über den ganzen Querschnitt zu verteilen
und die Gase mit einer bestimmten
Durchschnittsgeschwindigkeit hindurchzuleiten.
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Dabei blieben die einzelnen Partikel des Gasstromes mit dem Katalysator
ungleich, jedenfalls unbestimmt alge in Berührung, und es konnte so auch ein Teil
der Gase mit dem Katalysator zu lange oder zu kurze Zeit in Berührung bleiben und
die Ausbeute dadurch verschlechtert werden. Läßt man jedoch die Reaktion gemäß vorliegender
Erfindung in dünner Schicht stattfinden, so erreicht man für alle Gasteilchen eine
zuverlässige Berührung mit dem Katalysator und gleichzeitig eine genau begrenzte
Reaktionszeit für sämtliche Teile des Reaktionsgemisches ; außerdem läßt sich diese
Berührungszeit der Gase mit dem Katalysator genau der Veränderung der Reaktiosgeschwindigkeit
mit forstchreitendem Ablauf der Reaktion anpassen. Ferner läßt sich dabei die Wärmetönung
einer Reaktion genau regulieren. So empfiehlt es sich beispielsweiseJ Reaktionen,
die sehr stürmisch verlaufen und bei denen die Gefahr einer Überhitzung oder Explosion
besteht, in der Richtung vorn engeren zum weiteren Querschnitt zu leiten. Die Strömungsgeschvvindigkeit
kann dann im engen Querschnitt so groß gemacht werden, daß bei der ersten Berührung
mit dem Katalysator nur ein kleiner Teil des Reaktionsgemisches sich umsetzen kann,
während der Rest erst nach Ablauf des stürmischsten Teiles der Umsetzung mit dem
Katalysator in langsamere Berührung tritt. Dabei erlaubt die immer größer werdende
oberfläche der Wanmdung des Reaktiosraumes eine immer stärker werdende Kühlung gemäß
der steigenden Reaktionswärme. Ebenso ist durch die zunehmende Oberfläche der Wandung
auch eine immer stärkere Heizung des Reaktionsraumes möglich für solche Prozesse,
bei denen die letzten Anteile nur unter vermehrter Wärmezufuhr sich umsetzen. In
Abb. 2 ist a die äußere Wand des Reaktionsraumes, b der eigentliche Reaktionsraum,
c der verstellbare Mittelkörper, d der Überzug eines katalytisch wirkenden Stoffes
; e und e' sind Gasführungen.
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Je nach den Anforderungen des speziellen Prozesses wird man natürlich
die Veränderlichkeit des Querschnittes des Reaktionsraumes jeweilig verschieden
groß wählen. Auch braucht diese Querschnittsänderung nicht eine gleichmäßige zu
sein; so kann man beispielsweise auch eine Strecke gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit
einschalten (Abb. 3).
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Das einblasen und Abführen der Reaktionsgase kann in achsialer Richtung
und auch tangential erfolgen.
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Es ist ferner möglich, das Reaktionsgefäß sowie den Mittelkörper
als Heiz-oder Kühlkörper auszubilden oder aus einzelnen Zonen aufzubauen, die je
nach Bedarf für Heizung oder Kühlung eingerichtet sind. Die thermische Einwirkung
solcher Heiz- und Kühlflächen auf in dünner Schicht strömende Gase ist natrugemäß
besonders inensiv und gleichmäßig. So ist z. B. in Abb. 4 eine Ausführungsfomr des
Mittelkörpers schematish dargestellt, bei der der vordere Raum a für Reaktrische
Beheizung eingerichtet ist, während die anshließende Hölfte b geküblt ist und das
Eingefreren des Reaktiongsleichgweidhes zur Folge hat, das in dem umschließenden
Reaktionsraume erzeugt wurde. c ist eine Wärmeisolationsschicht; f ist die Leitung
des Heizstromes, e die Zu- und Ableitung des Kühlwassers.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es auch, bei reversiblen Prozessen
oder bei Umsetzungen) bei denen die Reaktion bei einem bestimmten Produkt plötzlich
unterbrochen werden soll, die Reaktionsgase sehr schnell aus der Reaktionszone zu
entfernen. Läßt man beispielsweise bei der katalytischen Oxydation von Ammoniak
zu nitrosen Gasen das Reaktionsgemisch den Reaktionsmaum vom größeren zum kleineren
Querschnitt durchlaufen, so erfahren die Gase bereits im Reaktionsraum infolge der
VeränderunBr des Querschnittes eine solche Beschleunigung der Strömung, daß sie
sehr schnell von dem mit dem Katalysator belegten Teil der Wandung des Reaktionsraumes
entfernt werden können; dadurch wird eine Zerstörung der gebildeten Stickoxyde verhindert.
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Ganz allgemein läßt sich die Ausführungsform, bei der ein konischer,
beweglicher und kühlbarer MittelLörper angeordnet ist, zum Kühlen von Gasen auch
ohne Reaktion verwenden, besonders dann, wenn die schnelle Entfernung der Gase aus
einem Reaktionsraume nötig ist.' In diesem Falle treten die kühlenden Gase an der
Stelle des kleinsten Querschnittes ein und durchströmen die küihlenden Wandflächen
erst sehr schnell, dann immer langsamer. Die eigentliche Kühlung geschieht dabei
nicht wie bei den üblichen Expansionsdüsen durch. Abgabe von innerer Energie, sondern
durch einfachen NVärmeaustausch zwischen der kalten Wandung und dem in dünner Schicht
strömenden Gase. Es empfiehlt sich. für diesen Fall, die Quersclmittsänderung im
Verhältnis zur Achsenlänge groß zu wählen.
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Das Verfahren läßt sich fast überall da anwenden, wo chemische Reaktionen
während des Durchströmens durch ein Gefäß stattfinden, und ermöglicht es dort, in
besonders vorteilhafter Weise den Reaktionsverlauf der theoretischen Reaktionslrurve
anzupassen, da die Strömungsgeschwindigkeit, die ,Värmezuund-ableitung sowie die
etwaige Berührungszeit mit einem Katalysator und schließlich
auch
der in jedem Querschnitt bestehende Energiegehalt des Systems genau eingestellt
und beherrscht werden können. Es läßt sich aber auch in besonders vorteilhafter
Weise das neue Verfahren aus denselben Gründen da anwenden, wo bisher chemische
Prozesse diskontinuierlich stattfanden, d. h. mit Füllung eines Gefäßes, Vornahme
der Reaktion, Entleeren und Reinigen und Neufüllung. Durch die genaue Beherrschung
der Geschwindigkeits- und energetis, chen Verhältnisse wird es möglich, bei allen
solchen diskontinuierlichen Verfahren, wie Nitrierung, Sulfurierung, Hydrierung
u. a. m., unerwünschte NebenrealStionen hintanzuhalten und in das Gebiet so hoher
Reaktionsgeschwindikeiten einzutreten, daß es möglich wird, diese Reaktionen ebenfalls
kontinuierlich, d.h. während des Durchströmens eines Reaktionsraumes, vorzunehmen.
In besonders eingehender Weise wurde aus der Klasse der kontinuierlichen Reaktionen
die katalytische Oxydation von Ammoniak untersucht, bei welcher neben einer bis
dahin unbekannten Herabsetzung der Temperatur auf oder noch unter kaum sichtbarer
Rotglut des Katalysators eine theoretische Ausbeute erhalten wurde. Aus der Klasse
der diskontinuierlichen Reaktionen wurde als typisches Beispiel neben anderen die
Invertierung von Stärke untersucht Hierbei gelang es, die üblichen Kochzeiten bei
gleichzeitiger nach Quantität und Qualität vorzüglicher Ausbeute bis auf 11/2 Minuten
herabzudrücken, und eine Kochzeit von 2t/2 Minuten wurde als besonders vorteilhaft
ermittelt. Bei derartigenZeitgrößen nird es aber möglich, solche Reaktionen während
des Dúrchströmens durch ein rohrartiges Gefäß gemäß der vorliegenden Erfindug stattfinden
zu lassen und eine typeische diskontinuierliche Reaktion in eine kontinuierliche
umzuwandeln.
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Die Versuchseinrichtung bestand aus einem konischen Rohr, welches
je nach denzuuntersuchenden chemischen Prozessen ebenso wie der Innenkörper aus
Quarzglas oder aus widerstandsfähigem Metall bestand. Am weiteren Ende des konischen
Rohres befand sich eine Verschlußscheibe, in welcher vermittels Spindel und Packung
der konische Mittelkörper von derselben Steigung wie das äußere Rohr frei tragerid
befestigt war. Der mittlere Abstand zwischen Mittelkörper und äußerem Rohr betrup
4 mm und ließ sich durch Verschieben des Mittelkörpers in der Achsenrichtung ziemlich
erheblich erweitern oder verengen. Der Mittelkörper war hohl ausgebildet, so daß
in ihm in naheliegender Weise Heiz- oder Kühlmittel eingeführt werdenkonnten, die
mit dem das äußere Rohr umgebenden Heis- oder Külninittel so in Verbindung standen,
daß es leicht möglich war, dieselben Temperaturen außen und innen anzuwenden.
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Bei der erwähnten katalytischen Oxydation des Ammoniaks wie überhaupt
bei Gasreaktionen wurde gewöhnlich der Abstand zwischen Innen- und Außenkörper auf
2 mm und noch weniger reduziert. Die Vergrößerung der Förderung würde im Bedarfsfalle
durch eine Vergrößerung des ringförmigen Reaktionsraumes erreicht. Bei derartig
kleinen Abständen zwischen Innern und Außenkörper, aber auch noch bei beträchtlich
größeren Schichtdicken des Reaktionsgemisches erwiesen sich die für den Energieausgleich
innerhalb der Reaktionsschicht senkrecht zur Achse notwendigen Zeiten als vernachlässigbar
klein im Vergleich zum Fortschreiten der Reaktion in der Achsenrichtung selbst bei
ziemlich bedeutender Strömungsgeschwindigkeit. Bei Süssigen und flüssig-festen Systemen
konnte die Schichtdicke um ein Mehrfaches größer sein, insbesondere dann, wenn die
Durchführung tangential stattfand.
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PATENTSPRÜCHE: I. Verfahren zur Behandlung von Gasen oder Dämpfen
und zur Vornahme von Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum entsprechend
den Bedingungen des Reaktionsverlaufes in seinem Querschnitt verändert wird.