DE959547C

DE959547C - Verfahren zur Durchfuehrung exothermer chemischer Reaktionen zwischen gasfoermigen Reaktionsteilnehmern unter Gewinnung mechanischer Energie

Info

Publication number: DE959547C
Application number: DEW8139A
Authority: DE
Inventors: Lennart Wikdahl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1951-03-20
Filing date: 1952-03-19
Publication date: 1957-03-07
Also published as: FR1052598A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

AUSGEGEBEN AM 7. MÄRZ 1957

DEUTSCHES PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 12g GRUPPE 4oi INTERNAT. KLASSE BOIj

W8i3pIVa/i2g

Lennart Wikdahl, Djursholm (Schweden) ist als Erfinder genannt worden

Lennart Wikdahl, Djursholm (Schweden)

Verfahren zur Durchführung exothermer chemischer Reaktionen

zwischen gasförmigen Reaktionsteilnehmern

unter Gewinnung mechanischer Energie

Patentiert im Gebiet der Bundesrepublik Deutschland vom 19. März 1952 an Patentanmeldung bekanntgemacht am 13. September 1956

Patenterteilung bekanntgemacht am 14. Februar 1957 Die Priorität der Anmeldung in Schweden vom 20. März 1951 ist in Anspruch genommen

Es ist bekannt, daß exotherme chemische Reaktionen dadurch verzögert werden, daß die Temperatur des Reaktionsgemisches steigt.

Um trotzdem einen möglichst vollständigen Ablauf der Reaktionen zu erzielen, hat man verschiedene Maßnähmen ergriffen, um die Reaktionswärme zu entfernen und die Reaktionstemperatur auf einer Höhe zu halten, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit entweder mit oder ohne Katalysatoren genügend ist.

Sämtliche bisher bekannten Methoden zur Entfernung der bei der Reaktion frei werdenden chemischen Energie gehen darauf hinaus, daß das Reaktionsgemisch entweder indirekt, z. B. mit Wasser, oder mit kaltem Reaktionsgemisch gekühlt wird, oder daß man die Reaktion in mehreren Stufen verlaufen läßt und zwischen den verschiedenen Stufen das teilweise umgesetzte warme Reaktionsgemisch mit einem oder mehreren der an der Reaktion teilnehmenden Stoffe von einer niedrigeren Temperatur verdünnt.

Bei kräftiger exothermer Reaktion liegt jedoch die Gefähr vor, daß die Temperaturen an gewissen Stellen im Reaktionsgemisdh so hoch

steigen, daß unerwünschte Nebenreaktionen eintreten und daß die !Lebensdauer und die Wirksamkeit des Katalysators verschlechtert werden.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird die bei exothermer chemischer Reaktion zwischen gasförmigen Reaktionsteilnehmern frei· werdende Wärme in mechanische Energie umgesetzt, indem die Reaktionen in einer Gasturbine in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt werden, to Es ist zwar bekannt, Reaktionskomponenten in einer Kolbenmaschine zu verbrennen. Hierbei tritt jedoch bei der Zündung der komprimierten Mischung eine sehr starke Temperaturerhöhung auf. Die Reaktion verläuft demgemäß nicht isotherm, sondern teilweise adiabatisch. Wie oben ausgeführt, besteht bei einer stark exothermen Reaktion die Gefahr, daß die Temperaturen an gewissen Stellen im Reaktionsgemisch so hoch werden, daß unerwünschte Nebenreaktionen einao treten und die Lebensdauer und die Wirksamkeit des Katalysators verschlechtert werden. Außerdem wird bei unkontrollierten hohen Temperaturen sowohl die chemische Ausbeute als auch die Energieausbeute ungünstig beeinflußt. Wird die Reaktion dagegen, wie es bei dem Verfahren nach der Erfindung der Fall ist, in einer Gasturbine durchgeführt, so hat man die Möglichkeit, die exotherme Reaktion bei konstanter Temperatur, d. h. isotherm, durchzuführen. Man erreicht hierdurch im Gegensatz zu den bekannten Verfahren in Kolbenmaschinen bei höherer chemischer Ausbeute eine höhere Energieausbeute durch den verbesserten thermischen. Wirkungsgrad. Außerdem wird der Katalysator nicht zerstört, und Nebenreaktionen werden vermieden.

Es ist weiterhin ein Verfahren bekannt, nach dem chemische Reaktionen in turbinenähnlichen Vorrichtungen durchgeführt werden sollen. Dieses bekannte Verfahren setzt aber voraus, daß ein Kavitationseffekt vorhanden ist und soll demgemäß nur auf Reaktionen solcher Stoffe und Stoffgemische Anwendung finden, bei denen wenigstens eine flüssige Phase vorhanden ist.

Ferner ist eine Vorrichtung bekannt, die zum Zerstäuben von Flüssigkeiten, zum Konzentrieren von Lösungen sowie zum Homogenisieren von Suspensionen bzw. zur Durchführung chemischer Reaktionen zwischen zerstäubten Stoffen verwendet werden soll. Diese bekannte Vorrichtung stellt aber ausschließlich eine Homogenisiervorrichtung dar, die im Gegensatz zu der bei dem Verfahren nach der Erfindung verwendeten Turbine nicht zur Gewinnung von Energie dient, sondern bei der die beiden sich im entgegengesetzten Sinne bewegenden Rotationssysteme durch eine Fremdkraft angetrieben werden.

Auch ist bekannt, Reaktionen in Gegenwart eines Katalysators durchzuführen, wobei die Gase oder Dämpfe mittels eines kreisenden Rades, eines Ventilators oder einer ähnlichen Vorrichtung aus einem Vorratsbehälter angesaugt, innig gemischt und nach erfolgter Reaktion rasch aus dem Kontaktbereich abgeführt werden. Die bei diesem bekannten Verfahren verwendeten, mit Katalysatoren ausgerüsteten propellerartigen Misch- bzw. Zerteilungsorgane dienen dabei dem Zweck, die Fördergeschwindigkeit zu erhöhen, um den Zerfall der entstandenen Reaktionsprodukte zu vefhindern und einen großen Teil der Wärmemengen schnell abzuführen, damit Nebenreaktionen ausgeschaltet werden. Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden die Reaktionen in einer Gasturbine durchgeführt, wodurch es möglich ist, den Druck und die Temperatur der Reaktion sicher zu kontrollieren und zugleich die frei gemachte Energie nutzbar zu machen, indem die in der Gasturbine gewonnene Energie z. B. über einen Generator im elektrische! Energie übergeführt wird.

Dabei kann es vorteihaft sein, dem Reaktionsgemisch einen höheren Druck und eine höhere Temperatur zu geben als für die Durchführung der Reaktion erforderlich ist, nämlich dann, wenn es erwünscht ist, z. B. mehr elektrische Energie zu erzeugen, als der frei gemachten, chemischen, Energie entspricht. In dem ersten Teil der Expansion erfolgt dann keine chemische Reaktion, sondern nur eine Umsetzung der Druck- und. Wärmeenergie in Bewegungsenergie. Wenn der Druck und die Temperatur eine gewisse Höhe erreicht haben, tritt dann die chemische Reaktion ein, welche gegebenenfalls während der Fortsetzung der Expansion weitere Bewegungsenergie ergibt. In dieser Weise wird der thermodynamische Wirkungsgrad der Turbine verbessert. Nach Beendigung der Reaktion kann die Expansion mit daraus folgender Temperatursenkung fortgesetzt und in dieser Weise die Reaktion zum Stillstand gebracht werden. Oft kann es auch vorteilhaft sein, nachdem die Expansion eine Endstufe erreicht hat, einen gewissen Überdruck beizubehalten, um eine nachfolgende Behandlung der Reaktionsprodukte, z. B. Absorption, Waschen oder Trocknen unter Druck, zu ermöglichen.

Die Reaktion kann auch bei anderem als Atmosphärendruck erfolgen. Des weiteren können die i°5 Reaktion und' die Expansion des Reaktionsgemisches und/oder anderer an der Reaktion nicht teilnehmender Stoffe gleichzeitig erfolgen.

Der Katalysator kann in dem Reaktionsraum schwebend gehalten werden, oder aber die Reak- *¹⁰ tionskomponenten an einem im Reaktionsraum fest angebrachten Katalysator vorbeigeführt werden.

Da bei dem Verfahren nach der Erfindung die Expansion in der Turbine gleichzeitig mit der chemischen Reaktion erfolgt, unterscheidet sich "5 dieses wesentlich von einem den Gegenstand eines älteren Patents bildenden Verfahren zur Steuerung von partiellen Oxydationen oder Spaltungen von organischen Stoffen, bei dem die Reaktionskomponenten zuerst über einen Katalysator ge- leitet werden, wo eine partielle Reaktion erfolgt, und dann in eine Gasturbine eingeleitet werden, wo die Gasmasse expandiert und dies ein oder mehrere Male wiederholt wird.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden die Reaktionskomponenten vorzugsweise kompri-

miert, bevor sie in die Turbine geleitet werden. Auch kann neben den Reaktionskomponenten ein bei den Reaktionsbedingungen inertes Gas zugeführt werden. Schließlich kann die Reaktion gleichzeitig mit einer Expansion des Reaktionsgemisches und anderer, bei der Reaktion nicht teilnehmender Stoffe erfolgen.

Beispielsweise können in der Turbine Hydrierungsreaktionen, wie die Methanolsynthese, das ίο Fischer-Tropsch-Verfahren oder die Hydrocolprozesse und die Krackprozesse durchgeführt werden.

Ebenso kann die Oxydation von Methanol zu Formaldehyd, von Äthylalkohol zu Azetaldehyd, von Azetaldehyd zu Essigsäure oder auch die Oxydation von Naturgas zu Synthesegas, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Turbine durchgeführt werden.

Ferner kann die Reaktion in einer Oxydation von anorganischen Verbindungen, wie der Oxydation von Schwefel oder Pyrit zu Schwefeldioxyd oder der Oxydation von Ammoniak zu Stickstoffoxyden bestehen.

Die Zeichnung stellt eine Anlage zur Herstellung ^a5 von Schwefelsäure unter gleichzeitiger Gewinnung von elektrischer Energie schematisch dar. Die Reaktionskomponenten sind Schwefeldioxyd und Sauerstoff, wobei das Schwefeldioxyd in einem Kompressor mit einem Druck von 10 atü bei 5°°° komprimiert wird. Der Sauerstoff wird in Form von mit Sauerstoff angereicherter Luft in den Kompressor 2 geleitet und auf einen. Druck von 10 atü bei 500⁰ gebracht. Die komprimierten. Gase werden dann jedes für sich in eine Gasturbine 3 geleitet, in welcher Rotor und Stator platiniert sind. Die· Gase reagieren in der Turbine unter Bildung von Schwefeltrioxyd miteinander, wobei, die freiwerdende Energie in Bewegungsenergie übergeführt wird, die dann in einem Generator 4 in elektrische Energie umgewandelt wird. Aus der Turbine wird das Reaktionsgemisch, das noch einen Druck von etwa 2 atü hat, in einen Absorptionsturm 5 geleitet, wo das Schwefeltrioxyd in Schwefelsäure absorbiert wird. Von dem Absorptionsturm 5 geht das restliche Gasgemisch zu einer Gasturbine 6, wo es auf Atmosphärendruck expandiert wirdi, und zwar gleichfalls unter Abgabe von Energie über einen Generator 7. Bei einer Produktion von t Schwefeltrioxyd in der Stunde werden iQoo-kW geiwonnen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Durchführung exothermer chemischer Reaktionen zwischen gasförmigen Reaktionsteilnehmern unter Gewinnung mechanischer Energie, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionen im Expansionsraum einer Gasturbine in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator im Reaktionsraum schwebend gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponenten einen im Reaktionsraum fest angebrachten Katalysator passieren.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponenten komprimiert werden, bevor sie in die Turbinen geleitet werden.

5. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Reaktionskomponenten ein bei den Reaktionsbedingungen inertes Gas dem Reaktionsraum zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion gleichzeitig mit einer Expansion des Reaktionsgemisches und anderer bei der Reaktion nicht teilnehmender Stoffe erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften: .

Deutsche Patentschriften Nr. 171 623, 421 665, 458844, 898745, 489115, 423 433, 557617, 845496, 850602; schweizerische Patentschriften Nr. 149 394, 129;

USA.-Patentschrift Nr. 2 335 J2,¹].

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

i 609 618/461 9.56 (609833 2.57)