DE545161C - Verfahren zur Temperaturregelung bei katalytischen Reaktionen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Temperaturregelung bei katalytischen Reaktionen Bei exothermen chemischen Reaktionen begegnet man häufig Schwierigkeiten in der Wegführung der dabei erzeugten Wärme. Die katalytische Luftosydation von Naphthalin zu Phtalsäureanhydrid ist ein Beispiel einer solchen Reaktion. Hier liegt das Temperaturoptimum über ßooO C etwa zwischen 4000 und 4500 C;:durch die Reaktionswärme entstehen jedoch weit höhere Temperaturen, sofern man dagegen nicht ankämpft.
• Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Ausführung esothermer chemischer Re-Reaktionen, bei denen in der Reaktionszone eine erwünschte Temperatur erreicht und festgehalten werden, ein Temperaturanstieg auf eine nicht erwünschte Höhe darüber hinaus aber verhindert werden und die ganze Temperaturregelung im wesentlichen selbständig erfolgen soll.
• N4an hat zur Temperaturregelung bei solchen Prozessen bisher Wasser als Kühlmittel benutzt, und in mancher Hinsicht ist Wasser auch ein hervorragendes Hilfsmittel. Es ist überall zu haben, besitzt eine hohe Wärmekapazität und läßt bequem die Reaktion leiten und regeln. Wird es in gehöriger Weise dem Katalysator und den Reaktionsdämpfen zugeführt, so kommt es unter Wärmeaufnahme zum Sieden. Dabei geben der Katalysator und die Reaktionsgase erhebliche Mengen Wärme ab, da eine bedeutende Wärmemenge (latente Verdampfungswärme) zur Herbeiführung des Siedevorgangs nötig ist.
• Gemäß der französischen Patentschrift 520 464 ist auch schon siedender Schwefel, der Polysulfide gelöst enthält, zur Regelung der Temperatur exothermer katalytischer Reaktionen vorgeschlagen worden; es hat aber, wie die französische Patentschrift selbst zugibt, dieses Verfahren große Mängel.
• Auch Quecksilber hat man für den Zweck der Temperaturregelung in Vorschlag gebracht, doch ergeben sich hierbei mancherlei Schwierigkeiten. Für viele katalytische Prozesse liegt in erster Linie der Siedepunkt des Quecksilbers zu niedrig, als daß es ohne besondere, wenn auch wohl bekannte Hilfsmaßnahmen, die die Kosten des Verfahrens aber erheblich steigern, mit Erfolg Anwendung finden kann. Der Preis des Quecksilbers verbietet schon seine unbegrenzte Verwendung im Gegensatz zu Wasser. Dabei besitzt dieses Metall einen relativ niedrigen Wärmeabsorptionsgrad und eine relativ niedrige Wärmeleitungsgeschwindigkeit ; auch oxydiert es unter lNmständen leicht, und sein hohes spezifisches Gewicht verlangt besonderen hohen Aufwand für die Aufnahmebehälter.
• Dem neuen Verfahren liegt die Entdeckung zugrunde, daß, wenn man eine Legierung -auch feste und flüssige Amalgame sind Legierungen - aus Metallen, deren Siedepunkte unterhalb der in Betracht kommenden Reaktionstemperaturen liegen, und aus Metallen, deren Siedepunkte oberhalb dieser Temperaturen liegen, in geeigneten Mengenverhältnissen herstellt und wenn man einen Wärmeaustausch zwischen einer solchen Legierung, dem Katalysator und den Reaktionsgasen bewirkt, diese Legierung bei einem dicht unter der erwünschten Reaktionstemperatur liegenden Wärmegrad zum Sieden kommt und daher zum Regeln der Reaktionstemperatur unterhalb gewisser Höchstgrenzen sehr geeignet ist.
• Wird beispielsweise bei der exothermen Reaktion der Umwandlung von Naphthalin in Phtalsäure nach dem Luftoxydationsverfahren ein Gemisch von Luft oder anderen Sauerstoff enthaltenden Gasen und Naphthalin in Dampfform bei angemessener Temperatur der Wirkung eines geeigneten Katalysators, z. B. Vanadinoxyd, ausgesetzt, so entsteht aus dem Naphthalin Phtalsäureanhydrid, wobei eine bedeutende Wärmemenge frei wird, die bei fehlender Regelung eine Temperaturerhöhung bewirken würde. Die Reaktionstemperatur soll, wie schon erwähnt, zwischen 400 und 4500 C liegen, am vorteilhaftesten ist eine solche von 4250. Wesentlich höhere Temperaturen sind nicht nur unerwiinscht, sondern wie die Erfahrung lehrt, sind sie von schädlicher Wirkung auf das Endprodukt und können sogar zur Zerstörung der Apparatur führen. Man kann diese unerwünschte Temperaturerhöhung vermeiden, wenn man dafür Sorge trägt, daß die Reaktionswärme an eine Legierung als Kithlflüssigkeit, deren Siedepunkt in der Nähe der gewünschten Temperatur liegt, übertragen wird.
• Wenn Blei mit einem Siedepunkt von 15250 C, Zinn mit einem Siedepunkt von 22700 C und Quecksilber von 3570 C in bestimmten Verhältnissen miteinander legiert werden, so kann man ein Amalgam mit einem nahe der verlangten Reaktionstemperatur liegenden Siedepunkt herstellen. Werden gleiche Mengen Blei und Zinn in verschiedene Mengen Quecksilber, in dem sich Blei und Zinn leicht lösen, gelöst, so kann man Metallgemische von beliebigem Siedepunkt innerhalb der erwünschten Grenzen erhalten. So ist eine Legierung aus 10 Gewichtsteilen Blei, 10 Gewichtsteilen Zinn und So Gewichtsteilen Quecksilber bei 200 C flüssig und siedet bei etwa 3700, während eine Legierung aus 40 Gewichtsteilen Blei, 40 Gewichtsteilen Zinn und 20 Gweichtsteilen Quecksilber bei etwa I60° C flüssig ist und bei etwa 450° C siedet.
• Bei einer Reaktionstemperatur von 4250 C würde eine Siedetemperatur von etwa 4050 C für das Regelungsmetall angemessen sein; man erhält ein solches Metall durch Legieren von 30 Gewichtsteilen Blei und 30 Gewichtsteilen Zinn mit 40 Gewichtsteilen Quecksilber ; diese Legierung ist bei etwa 1200 C flüssig und besitzt überdies noch mancherlei Vorzüge. Während das Wärmeleitungsvermögen von Ouecksilber verhältnismäßig niedrig ist (o,oISg), besitzt Blei ein Wärmeleitungsvermögen von 0,083 und Zinn von O,I423, so daß das Brärmeleitungsvermögen der Legierung hoch liegt, was ihrem Wärmeverteilungs- und Aufnahmevermögen zugute kommt. Schließlich ist auch das spezifische Gewicht der Legierung geringer als das des Quecksilbers.
• Bei der Ausführung des Verfahrens wird die Legierung in wärmeübertragende Beziehung zur Reaktionszone gebracht und dabei in einem Gefäß gehalten, durch dessen Wandung die Reaktionswärme zum Metall gelangt, dieses zum Sieden bringt, wobei die überschüssige Reaktionswärme absorbiert wird. Die durch das Sieden der Metallegiernng erzeugten Dämpfe werden aufgefangen und verdichtet und können wieder verwandt werden, wobei der niedrige Schmelzpunkt des Metalls die Durchführung dieser Arbeitsweise sehr erleichtert.
• Eine einfachere und vielleicht noch wirksamere Legierung, die sich gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden läßt, besteht aus Kadmium und Quecksilber. Werden Kadmium mit einem Siedepunkt von 7780 C und Quecksilber mit einem Siedepunkt von 3570 C in bestimmten Verhältnissen legiert, so kann man eine Legierung mit einem Siedepunkt erhalten, der nahe der betreffenden Reaktionstemperatur liegt. Eine Legierung von 12 Gewichtsteilen Kadmium und So Gewichtsteilen Quecksilber ist bei 200 C kaltflüssig und besitzt einet Siedepunkt von etwa 370° C, während eine Legierung aus loGewichtsteiIen Kadmium und 60 Gewichtsteilen Quecksilber bei 1510 C flüssig ist und bei etwa 4300 C siedet. Handelt es ich um eine Reaktionstemperatur von etwa 4250 C, so wird eine Siedetemperatur von etwa 4000 C für die regelnde Metallegierung im wesentlichen befriedigend sein; eine solche Siedetemperatur besitzt eine Legierung aus 25 Gewichtsteilen Kadmium, 75 Gewichtsteilen Quecksilber, die noch bei 1000 C flüssig ist und auch insofern günstig ist, als das Wärmeleitungsvermögen des Kadmiums hoch ist, nämlich 0,215; es hat somit auch diese Legierung ein vorteilhaftes höheres Wärmeverteilungs- und Aufnahmevermögen als reines Quecksilber. Hinzu kommt das vorteilhafte Moment des geringeren spezifischen Gewichts, das Kadmium (8,6) gegenüber dem des Quecksilbers (13,5).
• Bei der Ausführung des Verfahrens wird in gleicher Weise, wie vordem angegeben, das Metall in einem Gefäß durch die Reaktionswärme zum Sieden gebracht, wobei ebenfalls die entstandenen Metall dämpfe aufgefangen, verdichtet und wieder verwandt werden können.

Claims (10)

1. PATNTANSPRÜCHE: I. Verfahren zur Temperaturregelung bei katalytischen Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, daß während der exothermen katalytischen Reaktion ein Wärmeaustausch mit einer siedenden Legierung stattfindet, z. B. mit einer Kadmium-Quecksilber-Legierung oder einer Blei-Queclssilber. Legierung u. dgl., bei der mindestens der Siedepunkt eines Metalls über der Reaktionstemperatur liegt, während mindestens der Siedepunkt eines anderen Metalls unter der Reaktionstemperatur liegt.
2. . XVerfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle der verwandten Legierung einander lösen und v erschiedene Wärmeleitungsgeschwindigleiten besitzen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der exothermen katalytischen Reaktion zwischen den erhitzten gasförmigen Reaktionsteilnehmern an einem erhitzten Katalysator entstehende Reaktionswärme die als Kühlflüssigkeit verwandte Legierung teilweise zur Verdampfung bringt, wobei die aus der Siedezone herausgeführten Metalldämpfe verdichtet und dann wieder in den Arbeitskreis zurückgeführt werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Quecksilber und einem darin gelösten Metall besteht, das einen höheren Siedepunkt und eine größere Wärmeleitungsgeschwindigkeit als Quecksilber besitzt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Blei, Zinn und Quecksilber besteht.
6. G. Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Kadmium und einem Metall mit einem niedrigeren Siedepunkt als Kadmium, vorzugsweise einem flüssigen Metall, in dem das Kadmium gelöst ist, z. B. Quecksilber, besteht.
7. 7. Verfahren zur Umwandlung von Anthracen in Anthrachinon, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch von Anthracendämpfen und sauerstoffhaltigen Gasen der Wirkung eines Katalysators bei einer Arbeitstemperatur etwa zwischen 4500 C und 5500 C ausgesetzt wird und diese Temperatur dadurch aufrechterhalten wird, daß die erzeugte Reaktionswärme an eine bei jener Temperatur siedende Legierung aus Kadmium und Quecksilber abgegeben wird.
8. S. Luftoxydationsverfahren zur Umwandlung von Naphthalin in Phtalsäureanhydrid, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch von Naphthalindämpfen und Luft in Gegenwart eines aus Vanadinoxyd bestehenden Katalysators auf Reaktionstemperatur erhitzt wird und die Überhitzung des Katalysators sowie der Dämpfe dadurch verhütet wird, daß die Reaktionswärme an eine siedende, aus Quecksilber und Kadmium bestehende Legierung abgegeben wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeaufneh mende Legierung aus 75 Olo Quecksilber und 25 °/0 Kadmium besteht.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Übertragung der Reaktionswärme auf eine siedende, aus 75 Genvichtsprozent Quecksilber und 25 Gewichtsprozent Kadmium bestehende Legierung eine Reaktionstemperatur zwischen etwa 400 und 4500 C aufrechterhalten wird.