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Verfahren zur Ausführung exothermer katalytischer Reaktionen Es ist
bekannt, die katal !-tische Oxydation von Schwefeldioxyd und andere exotherme katalytische
Gasreaktionen in Vorrichtungen durchzuführen, die im wesentlichen aus einem Bündel
von Rohren mit kreisförmigem, elliptischem oder polygonalem Querschnitt bestehen.
Diese Vorrichtungen gestatten die in eine Vielheit von parallel geschalteten Einzelelementen
unterteilte Kontaktmasse einer mehr oder weniger regelbaren Kühlung durch die relativ
kalt eingeführten Ausgangsgase zu unterwerfen, wobei letztere gleichzeitig auf die
Ansprechtemperatur der Kontaktmasse vorgewärmt werden. ian hat bisher sowohl Vorrichtungen
verwendet, in denen die Iontaktmasse in parallel angeordnete, von den Frischgasen
umspülte Rohre eingefüllt ist, als auch solche, in denen die zusammenhängende Kontaktmasse
durch eingebaute, von den Frischgasen durchströmte Rohre durchsetzt ist. Wenn auch
diese Vorrichtung mit technischem Erfolg zur Anwendung gelangt ist. so hat sich
doch herausgestellt, daß sich in ihnen nicht immer die aus reaktionskinetischen
Gründen zu erstrebende Temperaturverteilung erzielen läßt.
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Es wurde nun gefunden, daß sich in den erwähnten Rohrbündelvorrichtungen
auch bei hohen Belastungen und unter Anwendung verhältnismäßig konzentrierter Gase
die Temperatur leicht und mit großer Genauigkeit regeln läßt, wenn die Kontaktmasse
zum Teil innerhalb der Rohre, zum Teil in den Räumen zwischen den Rohren angeordnet
ist und wenn die Reaktionsgase nach partiellem Umsatz in einem der beiden Teile
der Kontaktmasse zwecks Temperaturausgleichs in einen Sammelraum. wo gegebenenfalls
eine Erniedrigmlg oder Erhöhung der ausgeglichenen Temperatur vor dem weiteren Umsatz
vorgenommen wird, und dann nach Umkehrung der Strömungsrichtung in den anderen Teil
der Iontaktmasse geleitet werden. Die Frischgase können entweder erst die I<ontaktrohre
umspülen und dann durch die letzteren strömen oder umgekehrt geleitet werden. In
den Fig. I bis 6 der beigefügten Zeichnungen sind verschiedene Möglichkeiten der
Anordnung der Kontaktmasse zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens angeführt.
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Gemäß der in Fig. 1 veranschaulichten Arbeitsweise werden die l)ei
1 in die Vorrichtuiig eintretenden Ausgangsgase im Gegenstrom zu den die Kontaktrohre
2 durchströmenden Gasen geführt, erreichen im Wärmeaustausch mit diesen mindestens
die zur Auslösung der Reaktion erforderliche Temperatur und treten dann in die zwischen
den
Rohren 2 gelagerte Kontaktschicht 3 ein.
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Die einsetzende Reaktion erhitzt die Gase, auf die eine äul3ere Kühlung
an dieser Stelle nicht einwirkt, rasch auf die optimale Reaktionstemperatur. Die
Höhe dieser Schicht ist mit der Geschwindigkeit und Konzentration der Gase in der
Weise in Übereinstimmung zu bringen, daß die optimale Reaktionstemperatur nicht
nennenswert überschritten wird.
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Die die Kontaktschicht verlassenden Gase sammeln sich in dem oberen
Raum, treten dann unter Umkehrung der Strömungsrichtung in die Kontaktrohre 2 ein,
werden hier in dem oberen leeren Teil im Wärmeaustausch mit den Frischgasen abgekühlt
und gelangen in die Füllung der Rohre bei entsprechend ermäßigter Temperatur zwecks
Vervollständigung der Umsetzung. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht
darin, daß in dem Sammelraum 4 infolge der durch die Umkehrung der Strömungsrichtung
verursachten Wirbelströmung eine gute Durchmischung der Reaktionsgase erfolgt und
eine äußere Zwischenkühlung der Reaktionsgase, wie sie besonders bei hochkonzentrierten
Reaktionsgasen erforderlich ist, durch Verringern oder gänzliches Entfernen des
die Vorrichtung umgebenden Wärmeschutzes an der Deckplatte 5 in der einfachsten
Weise ermöglicht wird.
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Nötigenfalls kann man indessen auch die Deckplatte 5 mit Kühlelementen
versehen (vgl.
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Fig. 2), was eine intensivere Zwischenkühlung ermöglicht. Diese Anordnung
ist besonders für hochkonzentrierte Gase zu empfehlen.
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Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 ist ferner in den Kontaktrohren in
der gleichen Höhe wie in den Zwischenräumen eine Kontaktschicht angeordnet. Ferner
ist die Kontaktfüllung in den Rohren mehrfach unterteilt.
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Durch diese Unterteilung wird eine mehrfache Durchmischung der im
Innern der Rohre strömenden heißeren Gase mit den kälteren an den Rohrwandungen
strömenden Gase und demzufolge eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Reaktionsgas
bewirkt. Die Durchmischung kann durch Einbau von Stauscheiben 6 verbessert werden.
An Stelle einer Kühlung durch besondere Kühlmittel, wie Wasser o. dgl., an der Stelle
des Übertritts der Reaktionsgase aus den Zwischenräumen in die Rohre kann mit Vorteil
eine Kühlung durch Einführen kalter Frischgase mittels geeigneter Verteilerrohre
erfolgen.
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In der Anordnung gemäß Fig. 3 durchströmen die Frischgase zunächst
die Rohre 2 im Wärmeaustausch mit der außen gelagerten Kontaktmasse 3 und treten
vorgewärmt in die im oberen Teilrohre befindliche Kontaktschicht ein. In die Rohre
sind kegelförmig gestaltete Verdrängerkörper 6 zur weiteren Verbesserung des Wärmeaustausches
eingebaut. Durch diese Verdrängerkörper wird bewirkt, daß die Kühlwirkung gerade
an den Stellen in besonderem Maße erfolgt, an dellell aus reaktionskinetischen Erfordernissen
eine stärkere Wärmeabfuhr erforderlich ist.
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Weitere Möglichkeiten der neuen Kontaktordnung sind in den Fig. 4,
5 und 6 dargestellt. Fig. 4 zeigt einen Ofen, bei dem sich der untere Teil der Kontaktmasse
innerhalb der Rohre befindet, während der obere Teil auf einem Siebblech derart
angeordnet ist, daß er die Rohre umgibt. Zur Vergrößerung des Durchflußquerschnittes
des oberen Kontaktteiles erweist es sich als zweckmäßig, den Rohren auf dieser Strecke
einen kleineren Durchmesser zu geben (Fig. a). Infolge der Stauwirkung, welche durch
den den größeren Teil des Ofenquerschnitts ausfüllenden Vorkontakt hervorgebracht
wird, erfahren die aufwärts strömenden Gase eine gleichmäßigere Verteilung. Der
durch den unteren Teil der Rohre gebildete Vorwßärmer, in dem die vorzuwärmenden
Gase im Kreuzstrom zu den Rohren strömen, ist mit Hilfe der Venteile 2 und 3 regulierbar,
indem die zuströmenden Gase in größerer oder kleinerer Menge durch die Schlitze
4 oder durch die Schlitze 3 in den Ofenraum eintreten. In der Abbildung stellt 6
Manschetten aus Asbest dar. welche die Kontaktmasse an ihrem unteren Ende umgeben
und den Zweck haben, die Wärmeabgabe der Kontaktmasse an dieser Stelle zu vermindern.
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Gemäß Fig. 5 befindet sich der obere Teil der Kontaktmasse innerhalb
der Rohre, die zur Erzielung größerer Durchgangsquerschnitte aufgeweitet sind. Der
untere Teil ist in den freien Zwischenraum zwischen den Rohren eingefüllt und ruht
auf einem Siebblech. das mit Öffnungen für den Durchtritt der Rohre versehen ist.
Die zur Umsetzung bestimmten Gase treten bei 7 ein. Sie strönien im Innern der Rohre
nach oben. Zur Regelung der Wärmeübertragung auf diesem Wege können in die Rohre
Einbauten eingebracht werden. Die Hohlzylinder aus Wärmeisoliermaterial 8 bewirken
eine Verminderung des Wärmeüberganges am Ende der Kontaktmasse. 9 bedeuten in die
Rohre eingesetzte Blindrohre, die als Verdrängungs-und Strahlungskörper wirken,
indem sie einerseits durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Gase die Wärmeübertragung
durch Konvektion und andererseits durch ihre strahlende Oberfläche die Wärmeübertragung
durch Strahlung begünstigen. Werden diese Einbauten mit örtlich verschiedenem Durchmesser
ausgeführt. so ist es möglich, den Wärmeaustausch so zu leiten, daß die optimale
Temperaturverteilung in der Kontaktmasse
erreicht wird. Nachdem
die Gase diese mit Einbauten versehenen Rohrstrecken passiert haben, treten sie
von unten her in den oberen Teil der Kontaktmasse ein, in dem sie eine teilweise
Umsetzung erfahren. Die weitere Umsetzung findet in dem zwischen den Rohren eingefüllten
unteren Teil statt. Die aus diesem austretenden Gase durchströmen in nach Bedarf
einstellbaren Mengen entweder im Kreuzstrom den anschließenden Vorwärmerteil, in
dem sie einen Teil ihrer Wänne auf die eintretenden, noch nicht umgesetzten Gase
übertragen, um dann durch das Ventil lo die Vorrichtung zu verlassen, oder sie treten
unmittelbar durch das Ventil 11 aus.
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Durch Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der
die Frischgase ebenfalls zwecks Vorwärmung in Wärmeaustausch mit den Reaktionsgasen
nach deren Austritt aus der letzten Kontaktschicht gebracht werden. Die bei I und
2 in die Vorrichtung eintretenden Frischgase umspülen zunächst die unteren, nicht
mit Kontaktmasse gefüllten Teile der Rohre 3 und treten dann durch die Rohre, die
mit Schlitzen 5 zur Verbesserung derGasverteilung versehen sind, in den oberen Teil
der Vorrichtung über. Eine weitere Verliesserung der Gasverteilung und des Wärmeaustausches
wird dadurch erreicht, daß die Kontaktrohre in ihrem unteren Teil auf einen engeren
Durchmesser eingezogen sind. Der obere Teil der Kontaktrohre kann gemäß den obigen
Ausführungen in verschiedener Weise gestaltet sein, wie dies in der Zeichnung dargestellt
ist.
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Der technische Fortschritt, der durch die vorliegende Erfindung erzielt
wird, ist zusammengefaßt darin zu erblicken, daß der Ausnutzungsgrad der Kontaktmasse
erheblich heizer ist als bei allen bisher bekannten Öfen, daß der Umsetzungsgrad
der den Ofen verlassenden Gase in weiten Grenzen unabhängig von deren Menge und
Konzentration ist und daß die Gase und Ävärmeverteilung im ()fenraum den reaktionskinetischen
Forderungen entsprechend gestaltet werden kann.
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Aus diesen Gründen bietet die neue Arbeitsweise insbesondere für die
Durchführung der eingangs erwähnten Reaktionen in großtechnischem Älaßstahe große
Vorteile.
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Alaun hat zwar bereits bei der Ausführung exothermer Reaktionen die
Kontaktmasse gleichzeitig in den Reaktionsrohren und in den Räumen zwischen den
letzteren angeordnet, aber die besonderen Vorteile, die durch die vorliegende Arbeitsweise
erreicht werden und die insbesondere darin bestehen, daß die Zusammenführung der
Reaktionsgase in einen Sammelraum nach Durchströmen des ersten Teiles der Kontaktmasse
und die Umkehrung der Strötnungsrichtung der Gase in sehr rvirksatner Weise einen
Temperaturausgleich der meist mit verschiedener Temperatur aus der Kontaktmasse
austretenden Gase hervorrufen, könnten bei jenem Verfahren nicht erzielt werden.
Bei der vorliegenden Anordnung ist eine bequeme Kühlung der partiell umgesetzten
Gase durch äußere Mittel oder durch Zusatz kälterer Gase, Maßnahmen, die an sich
bekannt sein mögen, leicht möglich, und die Einführung und Entleerung der Kontaktmasse
läßt sich ohne Schwierigkeiten bewerkstelligen. Während bisher gebräuchliche einfache
Vorrichtungen ohne weiteres für den vorliegenden Zweck benutzt werden können, erfordern,
die Anordnungen nach dem erwähnten bekannten Verfahren komplizierte Apparate mit
ineinander geschachtelten Rohren, deren Ausführung als Rohrbündelofen in größerem
Maßstabe kaum durchführbar ist.