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Verfahren zur Regelung der Temperatur bei Reaktionen in strömenden
Gemischen Es ist bekannt, bei der Ausführung von Reaktionen in strömenden Medien,
insbesondere bei Reaktionen mit starker Wärmetönung, einen Temperaturausgleich mit
Hilfe der zuzuführenden Stoffe auszuführen, z. B. nach dem Gegenstromprinzip oder
durch Verlegen der Zuführungsrohre in den Reaktionsraum selbst. Diesen Verfahren
haften verschiedene Nachteile an. Der Wärmeaustausch erfolgt vorzugsweise nahe der
Eintrittsstelle des kalten Reaktionsgemisches in die innerhalb des eigentlichen
Reaktionsraumes liegende Wärmeaustauschvorrichtung, weil dort das Temperaturgefälle
am größten ist, während am Austritt des Reaktionsgemisches aus dem Wärmeaustauscher,
also an der Eintrittsstelle in den Reaktionsraum infolge des dort vorhandenen sehr
geringen Temperaturgefälles nur ein entsprechend geringerer Wärmeaustausch stattfindet.
Infolgedessen kann die Temperierung des Reaktionsraumes keine gleichmäßige sein.
Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren ist die für jeden Apparat zwangsläufige Verknüpfung
der Geschwindigkeit der zugeführten Stoffe im Reaktionsraum und im Wärtneaustauscher,
die dadurch gegeben ist, daß die gesamte durch den Wärmeaustauscher geleitete Stoffnenge
das Reaktionsgefäß durchströmt.
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Nach der vorliegenden Erfindung werden diese Nachteile beseitigt,
und zwar dadurch, daß das Reaktionsgefäß selber als Wärmeaustauscher ausgebildet
wird, dessen einer Teil als Reaktionsraum dient, während durch den anderen Teil
(Kreislaufraum) das Reaktionsgemisch in fortwährendem Kreislauf und Wärmeaustausch
mit dem Gemisch im Reaktionsraum hindurchgeleitet wird, wobei ein Teil des Stoffgemisches
dem Kreislauf entzogen und dem Reaktionsraum zugeführt wird, während eine entsprechende
Menge von frischem Gemisch in den Kreislauf eingeführt wird. Da die im Kreislauf
befindliche Stoffmenge von ihrem dem Reaktionsraum zuzuführenden Anteil unabhängig
ist, ist es möglich, durch entsprechende Bemessung der Kreislaufgeschwindigkeit
an allen Punkten des Wärmeaustauschers ein praktisch gleiches Temperaturgefälle
zum Reaktionsraum und damit eine sehr vollkommene Temperaturregelung innerhalb desselben
zu erzielen. Ein weiterer Vorteil ist dabei, daß infolge der vergrößerten Strömungsgeschwindigkeit
der Stoffe im Wärmeaustauscher der Wärmeübergang bedeutend verbessert wird.
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Die im Kreislauf geführten Stoffe werden in bekannter Weise außerhalb
des Reaktionsgefäßes, je nachdem, ob die vorzunehmende Reaktion exotherm oder endotherm
verläuft, durch eine Kühl- oder Heizvorrichtung geleitet.
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Das Wesen der Erfindung wird durch folgende Beispiele und an Hand
beiliegender Zeichnung erläutert: Beispiel I In einer Apparatur nach der Zeichnung
wird Aceton aus Acetylen und Wasserdampf nach der Gleichung 2C2H2+3H2O = CH3COCH3
+ CO2 + 2H2 + 80 Cal hergestellt. Durch das Rohr 10 werden stündlich 100 cbm Acetylen
und I000 cbm Wasserdampf in die Apparatur eingeleitet. Im Umleitungsrohr 3 trifft
das eintretende Gas mit dem umgewälzten zusammen und wird durch die Pumpe 6 und
durch die Leitung 5 bzw. 4 dem eigentlichen Reaktionsgefäß zugeführt, wo es durch
die Rohre 2 strömt. Bei 7 werden 1100 cbm Gasgemisch stündlich abge zweigt, die
durch die Katalysatorräume 1 strömen, während die zehnfache Menge, d. h.
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II 000 cbm stündlich durch die Leitung 3 wieder dem Umlauf zugeführt
wird. Das umgewälzte Gasgemisch verläßt den Kühler 11 mit einer Temperaturvon 405°,
mischt sich mit dem 120° warmen Frischgas und erreicht die Katalysatorrohre mit
einer Temperatur von 370°, diebeim Entlangstreichen längs derRohre auf etwa 4250
steigt. Das umgesetzte Reaktionsgemisch werläßt den Katalysatorraum bei 8 durch
die Leitung 9 mit einer Temperatur von durchschnittlich 4500. Bei Anw, endung eines
Kontaktes, der aus mit Zinkoxyd imprägniertem oxydiertem Eisenschwamm besteht, beträgt
die Ausbeute an Aceton 85 % der Theorie, bezogen auf angewandtes, und 90 %, hezogen
auf umgesetztes Acetylen.
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Beispiel 2 In einer Apparatur, die im Beispiel I jedoch mit dem Unterschied,
daß 11 eine Heizvorrichtung darstellt, beschrieben - ist, wird Aceton aus Äthylalkohol
und Wasserdampf nach der Gleichung 2C2H5OH + H2O = CH2COCH3 + CO2 + 4H2 - 20 Cal
hergestellt. Es werden stündlich 350 kg eines Dampfgemisches, das durch Verdampfen
yon 30 Obigem Äthylallcohol erhalten wind, blei einer Temperatur von I300 zugeführt.
Umgewälzt wird die sechsfache Menge, d. h.
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2I00 kg stündlich. Das Dampfgemisch erreicht den Reaktionsraum mit
einer Temperatur von 5000. Beim Entlangstreichen längs der Katalysatorrohre sinkt
die Temperatur bis auf 480°. Das umgesetzte Reaktionsgemisch verläßt den Kontaktraum
mit einer Temperatur von 4500 C. Das umlaufende -Dampfgemisch wird zusammen mit
dem frischen Gas durch die Heizvorrichtung geleitet, die es auf 500° erwärmt. Die
Ausbeute beträgt bei Anwendung eines Katalysators, der aus mit Calciumoxyd imprägniertem
angerostetem Eisenschwamm besteht, 83 Olo der Theorie, bezogen auf angewandten Äthylalkohol.
8 01o des Alkohols werden unverändert wiedergewonnen.
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Es lassen sich natürlich auch andere Ausführungsformen der Erfindung
denken. Die zuzuführenden Stoffe können statt in geraden Rohren z. B. spiralförmig
durch den Reaktionsraum geleitet oder konzentrisch um die Reaktionsrohre herumgeführt
werden im Gegenstrom oder im Gleichstrom mit den durch den Reaktionsraum strömenden
Stoffen.
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Das Verfahren beschränkt sich nicht auf Gasreaktionen, sondern es
lassen sich in ähnlichen Apparaturen auch Reaktionen zwischen flüssigen Stoffen
oder zwischen Flüssigkeiten und Gasen ausführen.
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Mit besonderem Vorteil wird- die vorliegende Erfindung bei stark
exothermen oder stark endothermen Reaktionen angewendet oder abler bei sehr temperaturerupfind
lichen Reaktionen, bei denen eine sehr genaue Innehaltung der Temperatur erforderlich
ist.
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In der englischen Patentschrift 268 72I wird ein Verfahren zur Durchführung
von exothermen Gasreaktionen unter Druck und bei hoher Temperatur beschrieben, bei
dem das Ausgangsgemisch im Kreislauf um die Wandungen des Reaktionsgefäßes geführt
wird, wobei ein beliebig zu bemessender Anteil des Gemisches dem Kreislauf entzogen
und dem Reaktionsraum zugeführt und andererseits Frischgas dem Kreislauf wieder
beigemischt wird. In den Kreislauf ist ferner eine Kühlvorrichtung eingeschaltet,
um dem Gas diejenige Wärme zu entziehen, die infolge der exothermen Reaktion von
dem Reaktionsgefäß beim Entlangstreichen an den Wandungen abgegeben wird. Indessen
hat man solche Vorrichtungen bisher nicht in dem Sinne ausgebaut, daß die Reaktionswärme
in beliebig weitgehendem Umfange an das um das Reaktionsgefäß geführte Ausgangsgemisch
abgegeben werden kann. Man hat im Gegenteil nach der angeführten Patentschrift das
Reaktionsgefäß mit einer wärmeisolierenden Wand umgeben, um den Durchgang der Wärme
möglichst zu unterbinden und zu verhindern, daß Wärme durch die zirkulierende Gas
schicht hindurch an die gegen Erwärmung empfindlichen drucktragenden äußeren Wandungen
der Vorrichtung gelangen. Erst reeht nicht hat man erkannt, daß ein solcher Kreislauf,
wenn man nur einen hinreiehenden Wärmeaustausch zwischen dem umlaufenden Gas und
den Wänden des Reaktionsgefißes ermöglicht, dazu dienen kann, auch endotherme
Reaktionen
durch Zuführung von Wärme bei gut konstanten T, emperaturen in Gang zu halten. Im
Gegensatz zu dem bekannten Vorschlag zeichnet sich die Anordnung gemäß der Erfindung
dadurch aus, daß wärmeisolierende Schichten zwischen Reaktionsgefäß und umspülendem
Gas ganz vermieden werden und daß im Gegenteil die Oberfläche des Reaktionsgefäßes
unter gleichzeitiger Verwendung gut wärmedurchlässiger Materialien, z. B. durch
Verteilung des Katalysators auf eine größere Zahl von Rohren, so weitgehend vergrößert
wird, daß der Wärmeaustausch mit dem umlaufenden Ausgangsgemisch in beliebigem Umfange
durchgeführt werden kann, z. B. also auch der entsprechend große Wärmeüberschuß
stark exothermer Reaktionen, zweckmäßig unter Einschaltung einer Kühlvorrichtung
in den Gaskreislauf, vollständig abgeführt oder der Wärmebedarf stark endothermer
Reaktionen durch Einschaltung einer Heizvorrichtung in den Kreislauf vollständig
befriedigt werden kann.