-
Vorrichtung zur Ausführung exothermer Reaktionen
Die technische Anwendung
zahlreicher chemischer Reaktionen wird durch die sie begleitende Wärmeentwicklung
erschwert, die verschiedene Nachteile haben.kann, und zwar: Verschiebung <des
chemischen Ausgleichzustandes, Zerstörung der gewonnenen Produkte, Beschädigung
der Vorrichtungen oder der Katalysatoren.
-
Ein erstes Mittel zur Überwindung dieser Schw,ierigkeit besteht darin,
die in einem neutralen Mittel reagierenden Körper zu verdünnen oder die Anordnung
derart zu treffen, daß nur ein Teil des Reaktionsgemisches tatsächlich reagiert,
was auf das gleiche hinausläuft. Als Nachteile dieses Verfahrens sind zu nennen
die umfangreiche und somit kostspielige Anlage in bezug auf die erzielte Produktion
sowie der zusätzliche Kraftbedarf für die Umwälzung des Verdünnungsmittels. Schließlich
erschwert auch die Gegenwart des Verdünnungsmittels in der Regel die Zurückgewinnung
der Reaktionsprodukte.
-
Ein anderes Mittel besteht darin, die Reaktion in einer Vorrichtung
vorzunehmen, deren Wärmeaustauschfläche in bezug auf Idas Volumen genügend groß
ist, um das Abführen der überschüssigen Wärmeeinheiten zu bewirken. Zur Anwendungdieses
Grun,dgedanlsens benutzt man häufig Vorrichtungen, in denen der Reaktionsraum, d.
h. der Raum, in dem die Reaktion abläuft, aus zahlreichen Elementen -mit kleinem
Einheitsvolumen besteht, die derart parallel geschaltet sind, daß sie für ein gegebenes
Volumen
eine große Fläche bieten. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise die Anordnung
mit Rohrbündeln treffen.
-
Wenn nun diese Anordnung vom Standpunkt des Wärmeaustausches aus
betrachtet sehr wirksam ist, so hat sie doch schwere praktische Nachteile.
-
Die hauptsächlichsten sind die folgenden: Es ist schwierig, das Reaktionsgemisch
gleichmäßig auf die verschiedenen Elemente zu verteilen, Xdas Verhalten eines jeden
Elementes wirksam zu prüfen, den Innenraum :der kleinen Elemente für die Reinigung
zugänglich zu machen und die darin enthaltene Katalysatormasse zu ersetzen. Die
Anlage ist kostspielig, und die zahlreichen mehr oder weniger zugänglichen Anschlüsse,
Dichtungs- und Schweißstellen haben eine unbequeme Unterhaltung zur Folge.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kennzeichnet sich dadurch, daß die
Reaktionszone durch einen Teil oder die Gesamtheit eines Ringraumes gebildet ist,
der sich zwischen zwei mit praktisch parallelen Wandungen ineinandergebauten Körpern
befindet. Die Wahl der Abmessungen dieser beiden Körper bestimmt die Austauschfläche,
die man den durch den Ringraum strömenden Mitteln bieten will. Die Außenwände des
äußeren Körpers und die Innenwände des inneren Körpers werden durch geeignete Mittel
beliebiger Art gekühlt.
-
Weitere Merkmale werden nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
-
Fig. I ist ein schematischer Schnitt durch die Vorrichtung; Fig.
2 ist eine ähnliche Ansicht einer anderen Ausführung.
-
Die Vorrichtung besteht im wesentlichen (Fig. I) aus einem zylindrischen
Mantel I, der oben durch einen abgedichteten Deckel 2 und unten durch einen ringförmigen
Boden 3 abgeschlossen ist. Der Boden kann durch einen oder zwei Flansche oder durch
autogenes Schweißen befestigt werden. Im letzteren Fall ist als Dichtungsmittel
nur dasjenige des Deckels 2 vorhanden. Dieses Dichtungsmittel befindet sich dabei
an einer Idurch das eintretende Reaktionsgemisch gekühlten Stelle und arbeitet deshalb
unter den günstigsten Verhältnissen.
-
Im Innern des Mantels I befindet sich ein gleichachsiger Zylinder
4, dessen Durchmesser gleich ist demjenigen der Oeffnung des ringförmigen Bodens,
mit dem er -durch einen Flansch oder durch Schweißen verbunden ist, und dessen Hohe
gleich ist derjenigen des Mantels 1. Er ist oben durch eine Haube 5 geschlossen,
deren Gestalt zur Erleichterung des Durchströmens des durch den Stutzen 6 eintretenden
Mittels gewählt ist. Diese Anordnung gestattet die freie Dehnung des inneren Zylinders
ohne besondere Einrichtung.
-
Der Reaktionsraum umfaßt einen Teil des Ringraumes oder den ganzen
Ringraum zwischen dem Mantel 1 und dem inneren Zylinder 4. Es ist ohne lveiteres
ersichtlich, daß durch dieWahl zdes Durchmessers und der Höhe der Teile I und 4
für ein gegebenes Volumen des Ringraumes die gewünschte Austauschfläche hergestellt
werden kann, die durch die Oberfläche des-Mantels-I und-des Zylinders 4 gebildet
wird.
-
Dieser Reaktionsraum enthält in der Regel katalytische oder nichtkatalytische
Füllkörper, die auf einem Rost 10 ruhen, unter dem ein freier Raum vorgesehen ist.
Diese Anordnung soll das durchströmende Mittel daran hindern, den bevorzugten Weg
F in Richtung der Austrittsöffnungen einzuschlagen. Die Wärmeleitfähigkeit der Füllung
muß bei der Berechnung der Vorrichtung berücksichtigt werden, und der Abstand zwischen
den Wänden I und 4 ist zum Teil von diesem Faktor abhängig.
-
Die Reaktionsprodukte treten durch mehrere Rohrstutzen 8 aus, deren
Anzahl von der Größe der Vorrichtung abhängig ist und genügend groß sein muß, um
eine gute Verteilung des Stromes im Reaktionsraum zu bewirken. Die Rohrstutzen münden
in ein Sammelrohr 9.
-
Die Außenseite des Mantels I und <die Innenseite des Zylinders
4 kann mit Rippen zur Erleichterung des Wärmeaustausches versehen sein. Der Mantel
1 kann durch die alleinige Einwirkung der Umgebungsluft oder durch an der Stelle
13 aufgeblasene Luft gekühlt werden. Er kann auch von einem Hilfsmantel II (Fig.
2) umgeben sein, durch den ein flüssiges oder gasförmiges Mlittel strömt.
-
Der oben geschlossene Zylinder 4 wird durch einen Luftstroms oder
ein sonstiges geeignetes Mittel gekühlt, das durch die axiale Rohrleitung7 zugeführt
wird.
-
Die Haube 5 sdes Zyhnders 4 kann mit einem Wärmeschutzmittel ausgekleidet
sein, durch das die vorzeitig Abkühlung des durch den Stutzen 6 eintretenden Mittels
verhütet wird. Soll aber das -Reaktionsgemisch vorgewärmt werdenj so wird das Wärmeschutzmittel
beseitigt und die Strömungsrichtung des Kühlmittels f umgekehrt (Fig. 2).
-
Dieses bei 14 eintretende Mittel wird in den Hilfsmantel II, 12 und
in die Rohrleitung 10, den Innen; raum des Zylinders.4 und in das Abzugsrohr 7 verteilt.
Unter diesen Verhältnissen wird ein Teil der an der Wand des Zylinders 4 aufgenommenen
Wärme an das Reaktionsgemisch vor dessen Eintritt in den Reaktionsraum übertragen.
-
Die Vorrichtung wird normalerweise aus Metall gebaut, das der Art
der zu fbehandelnden Produkte und den wärmetechnischen Verhältnissen entsprechend
gewählt wird. Es können aber auch andere Baustoffe gewählt werden, wenn die behandelten
Produkte oder die Betriebsverhältnisse dies erfordern. Für jeden Baustoff müssen.
jedoch die Wände genügend wärmeleitfähig sein, um den Wärmeaustausch dem Grundgedanken
der Erfindung entsprechend zu bewirken.
-
Die Vorrichtung kann bei einem Druck in der Nähe des Atmosphärendruckes
oder bei einem tiefen Unterdruck betrieben werden. Der Betrieb mit Überdruck, wenngleich
er theoretisch möglich ist, ist jedoch wegen der erforderlichen Wandstärken nicht
angebracht, die den Wärmeaustausch stören würden.
-
Die Vorrichtung soll im wesentlichen für Reaktionen in Ider Gasphase
mit oder ohne Kata-
lysator dienen. Sie kann aber auch für Reaktionen
einer Flüssigkeit mit einem Gas oder mit einer anderen Flüssigkeit mit oder ohne
Katalysator benutzt werden.
-
Ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen, kann man die Strömung der
Mittel innerhalb und außerhalb der Vorrichtung ändern, vorausgesetzt, daß die den
Grundgedanken der Erfindung bildenden Vorschriften eingehalten werden.
-
Beispiel I Formaldehyd Formaldehyd wird dadurch gewonnen, daß man
ein Gemisch von Luft und Methanoldämpfen über einen Katalysator streichen läßt,
der durch den exothermen Charakter der Reaktion 2 CH3OH + °2 # 2 H2O @ + 2 CH2C)
+ 83,3WE auf einer Temperatur von etwa 6000 gehalten wird.
-
Wünscht man eine starke Leistung für jede katalytische Volumeinheit,
so steigt die Temperatur, und der Formaldehyd wird teilweise oder ganz durch die
Nebenreaktionen CHOCO + H2 2CH2O CO2 + CH4 auf Kosten der Leistung zerstört.
-
Eine technische Rohrbündeleinheit, bestehend aus zehn parallel geschalteten
Elementen mit einem Katalysatorinhalt von 250 cm3, liefert in 24 Studen 3,5 t eines
marktfähigen Produktes mit einer Ausbeute von 77 % der Theorie.
-
Man ersetzt diese Einheit durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
der in Fig. I dargestellten Art mit dünnen Wänden aus rostfreiem Stahl, jedoch mit
einem angeschweißten Boden. Das aus Luft und Methanoldämpfen bestehende Gemisch
tritt durch den Stutzen 6 ein, die Reaktionsprodukte treten durch die Stutzen 8
un<d das Sammelrohr 9 aus. Der mit breiten Rippen versehene Mantel 1 wird durch
die Umgebungsluft gekühlt. Der Zylinder 4 wird mit einem durch die Rohrleitung 7
eingeblasenen Luftstrom gekühlt. Die im Ringraum enthaltene Katalysatormenge beträgt
2,5 1 und ist gleich der in den zehn Rohren der ersetzten Vorrichtung enthaltenen
Menge.
-
Unter diesen Verhältnissen beträgt die tägliche Leistung 5,250 t.
Das gleiche Katalysatorvolumen erzeugt somit I,5mal mehr, und die Ausbeute erreicht
83 °/o der Theorie.
-
Beispiel 2 Cyclohexan Benzol läßt sich katalytisch zu Cyclohexan
gemäß der Formel QH6+3 H2¼H12+49,8WE hydrieren. Oberhalb 2000 verschiebt sich das
Gleichgewicht der Reaktion nach links, wodurch die Gewinnung eines benzolfreien
Produktes verhindert wird. Unterhalb I80° sinkt die Schnelligkeit der Reaktion wesentlich
auf Kosten der Leistung der Vorrichtung.
-
Zur Vermeidung der schädlichen Wirkungen der Überhitzung ist es üblich,
die Benzoldämpfe mit einem starken überschuß an Wasserstoff zu verdünnen, der nach
Rückgewinnung des entstandenen Cyclohexans wieder eingeführt wird. Um aber eine
genügend lange Berührungszeit zwischen dem Reaktionsgemisch und dem Katalysator
zu erzielen, müssen derart große Katalysatormengen eingesetzt werden, daß die Stundenleistung
eines Liters Katalysator nur 10 g beträgt. Auch muß in der Vorrichtung eine große
Menge Wasserstoff umgewälzt werden, die nur als Wärmeträger dient.
-
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung aus Rotkupfer der in Fig. 2
dargestellten Art benutzt.
-
Das Gemisch aus Benzol!dämpfen und Wasserstoff, in dem der Anteil
an Wasserstoffgas nur wenig, etwa 10% größer ist als theoretisch notwendig, wird
durch den Rotirstutzen 6 eingelassen und durchströmt den im Ringraum befindlichen
Katalysator. Die Reaktionsprodukte, bestehend aus Cyclohexandämpfen und dem Überschuß
an Wasserstoff, treten durch die Rohrstutzen 8 und das Sammelrohr g aus.
-
Der Hauptmantel ist von einem Hilfsmantel 11 umgeben, der Boden des
Zylinders 4 ist geschlossen, der Zylinder 4 und der Hilfsmantel- I I sind mit einem
Verteilungs rohr verbunden, durch das ein Ölstrom von etwa I400 zugeführt wird.
Ein Teil dieses Öls fließt durch den Hilfsmantel 11 und tritt durch das Ringrohr
12 aus. Ein anderer Teil gelangt in den Zylinder 4, erwärmt sich an dessen Wänden,
gibt einen Teil seiner Wärme an das R'e<aktionsgemisch durch die Wand der Haube
5 ohne Wärmeschutz ab und tritt durch das Rohr 7 aus. Die auf diese Weise bewirkte
Vorwärmung des Reaktionsgemisches gestattet das Einsetzen der Reaktion sofort bei
der Berührung mit dem Katalysator, der jedoch durch den Umlauf auf der günstigsten
Temperatur gehalten wird.
-
Unter diesen Verhältnissen kann I 1 Katalysator stündlich 300 g Cyclohexan
liefern mit mindestens I °/0 nicht hydriertem Benzol. Die starke Verminderung des
Volumens der Restgase, die nur einen Bruchteil des eingesetzten Wasserstoffs darstellen,
vereinfacht wesentlich die Rückgewinnung des Cyclohexans.