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Verfahren zum Herstellen eines chemisch inerten oder aktiven Gases
von erhöhter Temperatur
Bei zahlreichen Verarbeitungsaufgaben der chemischen Technik
ist die Beschaffung und Herstellung eines chemisch entweder inerten oder aktiven
Gases von erhöhter Temperatur aus einem Ausgangsgas von niedriger Temperatur notwendig.
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Beispiele hierfür bieten chemische Reaktionen der verschiedensten
Art, insbesondere Gasreaktionen, Verarbeitungen von festen und flüssigen Stoffen
bei erhöhter Temperatur unter Mitwirkung von Gasen, insbesondere Verdampfungen,
Destillationen, Verflüchtigungen usw. namentlich höhersiedender Stoffe. Bekannt
ist die Herstellung eines derartigen Gases von erhöhter Temperatur aus einem Ausgangsgas
von niedriger Temperatur durch Benutzung eines regenerativ zu betreibenden Erhitzers,
bei dem also die Erhitzungsvorrichtung ein zur Wärmespeicherung geeignetes feuerfestes
Füllwerk enthält, das im Wechsel durch eine Befeuerung aufgeheizt und hiernach zum
Hindurchleiten des in Betracht kommenden Ausgangsgases zwecks Erhöhung seiner Temperatur
dient (vgl. als Beispiel etwa die Patentschrift 502 186). Die Benutzung dieses einfachen
Regenerativprinzips führt jedoch zu Mängeln und Schwierigkeiten, wenn an die Höhe
und Gleichmäßigkeit der Endtemperatur des zu erwärmenden Gases strenge Anforderungen
gestellt werden, wie sie sich durch jeweilige Verwendung des betreffenden Gases
ergeben. In der Regel sind die höchsten Aufheizungstemperaturen des Füllwerks wegen
der normalerweise gegebenen Flammentemperaturen der J3efeuerung, die man aus technischen
und wirtschaftlichen Gründen nicht ohne
weiteres herabsetzen kann,
wesentlich höher als die verlangten Endtemperaturen des erwärmten Gases; schon wegen
dieser unvermeidbaren Temperaturspanne hält es schwer, in einem Regenerativerhitzer
ein erwärmtes Gas von bestimmter Temperatur zu erhalten, besonders wenn die Beaufschlagung
oder Durchsatzleistung der Vorrichtung in ihrer Größe schwankt. Es kommt aber vor
allem hinzu, daß wegen des Wechsels zwischen der Aufheizung. d. h. Wärmespeicherung,
und der Gaserwärmung, d. h. Wärmeentnahme, über die Dauer der letzteren ein ständiges
Absinken der erzielten Höchsttemperatur des erwärmten Gases eintritt, d. h. daß
diese Endtemperatur im Verlauf des Betriebes immer zwischen einem oberen und unteren
Grenzwert schwankt, deren Abstand vorwiegend von der Häufigkeit des Wechsels, d.
h. der Dauer der einzelnen Wechselphasen, abhängt. Diese Schwierigkeit ist grundsätzlicher
Art und jeder regenerativ betriebenen Erhitzungsvorrichtung eigentümlich.
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Durch die Erfindung werden die vorgeschilderten Schwierigkeiten beseitigt
und bei Benutzung eines ihrer Aufgabe dienenden regenerativ zu betreibenden Erhitzers
für jeden beliebigen Belastungsfall eine bestimmte beliebig gewünschte Höhe der
Endtemperatur und deren dauernde Konstanz erhalten.
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Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet daß ein Teilstrom des Ausgangsgases
durch den vorher aufgeheizten Erhitzer geleitet, mit dem restlichen Teilstrom dieses
Gases von niedriger Temperatur vermischt und die Mischtemperatur dadurch, daß ein
von ihr beeinflußter Thermostat das Aufteilungsverhältnis beider Ströme einregelt,
konstant erhalten wird. Durch diese erfindungsgemäße Betriebsführung des Regenerativerhitzers
können selbst größere Absenkungen, d. h. Schwankungen der Aufheizungstemperatur
seines Füllwerts innerhalb einer zum Gaserwärmen dienenden Wechselphase, ohne Beeinträchtigung
des gewünschten Ergebnisses zugelassen werden. Man kann also die Betriebsdauer der
einzelnen Wechselphasen vergrößern und dementsprechend die Häufigkeit des Wechselns
verringern; dies bedeutet eine Vereinfachung des Betriebes und ermöglicht auch eine
Verkleinerung, also Verbilligung der Erhitzereinrichtung.
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Nach einer Ausführungsform des Verfahrens kann, wenn es sich um die
Herstellung eines chemisch inerten Gases handelt, das Ausgangsgas aus dem Beheizungsabgas
des Regenerativerhitzers bestehen, das auf gewöhnliche Temperatur gekühlt und gespeichert
wird. Bei dieser Purchführungs weise des Verfahrens wird nicht nur das zu erwärmende
Inertgas unmittelbar aus dem Beheizungsbetrieb des Regenerativerhitzers, also ohne
besondere Vornahmen, erhalten, sondern auch dadurch, daß dieses Gas vor seiner Erwärmung
gekühlt und gespeichert wird, ein wertvoller Ausgleich und Regulator in den ganzen
Betrieb eingeschaltet.
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Da man mit der Erfindung, wie oben dargelegt, die Betriebsdauer jeder
Wechselphase vergrößern kann, ohne die Konstanz der zu erhaltenden Erwärmungstemperatur
des inerten oder aktiven Gases auszuschließen, kann man das Verfahren der Erfindung
dazu anwenden, um nach einer vorangegangenen einheitlichen Aufheizung des Regenerativerhitzers
in der daran anschließenden Wechselphase der Gaserwärmung aufeinanderfolgend verschiedene
inerte oder aktive Gase von erhöhter, jeweils konstanter Temperatur herzustellen.
Bei dieser Ausführungsform braucht man für mehrere verschiedene Gase, die nacheinander
bei bestimmten konstanten Temperaturen benötigt werden, nur einen einzigen Regenerativerhitzer
vorzusehen und in Betrieb zu halten, was eine bedeutende Vereinfachung und Verbilligung
bedeutet.
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Die Zeichnung stellt in einer schematisch gehaltenen Ansicht, zum
Teil im senkrechten Schnitt, eine Gesamteinrichtung als Beispiel dar, mittels welcher
das Verfahren der Erfindung durchgeführt werden kann.
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In dieser Gesamteinrichtung bedeutet I einen regenerativ zu betreibenden
stehenden Gaserhitzer nach Cowper-Bauart, die jedoch für die Erfindung nicht wesentlich
ist, 2 eine unmittelbar wirkende Kühlvorrichtung, 3 einen Gasbehälter für die Speicherung
des zu erhitzenden Gases, das gemäß dem Ausführungsbeispiel Inertgas ist, und 4
und 5 Gebläse für die Förderung des zur Erwärmung bestimmten Gases durch die Einrichtung.
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Der Regenerativerhitzer I besitzt ein stehendes zylindrisches Blechgehäuse
6 mit einer inneren Ausmauerung 7, die oben eine abschließende Kuppel 8 bildet.
Im Innern ist einseitig der Verbrennungsschachtraum g durch den gemauerten zylindrischen
Schacht abgeteilt; dieser reicht oben his etwa zur Ansatzstelle der Kuppel e. Der
neben dem Schacht 10 innerhalb der Ausmauerung 7 verbleibende Hohlraum II enthält
den aus feuerfestem Füllwerk od. dgl. bestehenden wärmespeichernden Besatz I2, der
am unteren Ende auf einem starken gußeisernen Rost I3 abgestützt ist.
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Am Grund des Verbrennungsschachts g ist die Brennvorrichtung 14 angeordnet,
die mit Brenngas aus einer Rohrleitung 15 mit Absperr- und Regelventil I6 und mit
Verbrennungsluft aus einer Rohrleitung 17 mit Absperrventil I8 gespeist wird.
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Unter dem Rost I3 befindet sich der Sammelraum I9, der einen Abführstutzen
20 für die abziehenden Verbrennungsabgase und einen Einfiihrstutzin 2 I für das
zum Erwärmen bestimmte Gas besitzt. An den Schachtraum g ist etwa in mittlerer Höhe
der Abführstutzen 22 für das erwärmte Gas angebaut. Die erwähnten Rohrstutzen 20,
2I, 22 sind durch Ventile 23, 24, 25 absperrbar. An das Ventil 23 des Abführstutzens
20 für Befeuerungsabgas schließt sich die Saugleitung 26 des Gasgebläses 4 an, dessen
Druckleitung 27 in den untersten Teil der Kühlvorrichtung 2 einmündet. An der Rohrleitung
26 sitzt ein Abzweigungsrohr 49, das nach einem Schornstein führt; Absperr- und
Regelventile 50 und 5I in den beiden Rohrleitungen 49 und 26 ermöglichen es, einen
beliebigen Teilbetrag oder gegebenenfalls die Gesamtmenge des aus dem Erhitzer I
abgeführten Abgases nach dem Schornstein abzuleiten. Die Kühlvorrichtung 2 ist ein
Waschturm
mit inneren Verteil- und Rieselböden, die von oben her mit kaltem Kühlwasser aus
der das Regelventil 28 enthaltenden Zufuhrrohrleitung 29 durch die Brause 30 berieselt
wird. Das verbrauchte erwärmte Kühlwasser und das ihm beigemischte, aus dem Gas
als Kondensat abgeschiedene Wasser fließen am Fuß der Kühlvorrichtung 2 durch die
Rohrleitung 31 ab. In dieser Kühlvorrichtung 2 wird das durchgeleitete Abgas, das
ein Inertgas darstellt, bis auf gewöhnliche Temperatur herabgekühlt. Das somit fertiggekühlte
Inertgas gelangt über die Rohrleitung32 und das anschließende Rohr 33 in den Gasbehälter
3 hinein, der hier als ein Glockengasometer dargestellt ist, und wird darin gespeichert.
Es wird nun von hier aus nach Bedarf durch die Rohrleitung 34 über die Absperrvorrichtung
35 der Saugseite des Gasgebläses 5 zugeleitet und von diesem über die Druckrohrleitung
36, das Absperrventil 24 und den Anschlußstutzen 2I dem Sammelraum Ig des Gaserhitzers
I zugeführt. In der Zeichnung ist an die Saugseite des Gasgebläses 5 die weitere
Rohrleitung 37 mit Absperrvorrichtung 38 angeschlossen; dieser Rohranschluß dient
dazu, Ibei Abschaltung des Gasometerableitungsrohrs 34 durch die Vorrichtung 35
an Stelle des aus dem Gasometer zu entnehmenden Inertgases atmosphärische Luft oder
ein anderes Gas durch das Gebläse 5 anzusaugen und in den Erhitzer hineinzufördern,
wenn dies gewünscht wird.
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Erfindungsgemäß ist an die Druckrohrleitung 36 des Gasgebläses 5
die Abzweigrohrleitung 39 mit dem Regelventil 40 angeschlossen, die mit der Fortsetzungsrohrleitung
41 hinter dem Absperrventil 25 des am Schacht g sitzenden Abführungsstutzens 22
in die dort anschließende Rohrleitung 42 einmündet. Durch diese Anordnung wird die
von dem Gasgebläse 5 durch die Rohrleitung36 hineingeförderte Gesamtmenge des zu
erwärmenden Ausgangsgases in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der eine Teilstrom
durch 24 und 2I in den Erhitzer 1 geht, der andere restliche Teilstrom aber diesen
Erhitzer umgeht und schließlich mit dem ersten Teilstrom in der Rohrleitung 42 vermischt
wird. Gemäß der Erfindung wird nun dieses Aufteilungsverhältnis beider Ströme selbsttätig
so eingeregelt, daß die Mischtemperatur eine bestimmte und dauernd konstante Höhe
erhält. Zu diesem Zweck ist hinter der Vermischungsstelle, dem Rohrstück 42, der
Rohrkörper 43 mit der angebauten Regelvorrichtung 44 vorgesehen, welche mit einem
in den Mischgasstrom hineinragenden Thermostaten 45 zusammenarbeitet. Dieser Thermostat
überträgt den Impuls, den er von der Mischtemperatur des Gases empfängt, auf die
Regelvorrichtung 44 etwa in der Weise, daß diese, je nach Richtung und Größe des
Impulses, einen in sie hineingeleiteten Energieträger, z. B. durch den Rohrstutzen
46 zugeführte Druckluft (oder Drucköl u. dgl.), dermaßen steuert, daß diese Druckluft
über die Verbindungsrohrleitung 47, z. B. eine druckempfindliche Membran, einer
besonderen, in die Rohrleitung 36 eingefügten Regelvorrichtung 48 beeinflußt, welche
die Öffnungsweite für den Durchlaß des einen Teilstroms von Gas einstellt, der durch
den dahinterfolgenden Rohrstutzen 21 in den Sammelraum 19 und damit in den Gaserhitzer
hineingefördert wird. Auf diese Weise wird selbsttätig ein solches Aufteilungsverhältnis
der beiden durch die beiden Rohrleitungen 36, 21 einerseits und 39, 4I andererseits
ziehenden Teilströme eingeregelt, daß sich nach der Wiedervermischung beider Ströme
in dem Rohrstück 42 eine konstante Mischtemperatur einstellt. Das in dem Abzweigrohr
39, 4I noch weiter vorgesehene Regelungsventil 40 kann dazu dienen, in dem System
eine Grobregelung des Aufteilungsverhältnisses vorzusehen und dadurch der von dem
Thermostaten 45 ausgelösten und durchgeführten Einregelung desselben nur noch eine
Feineinstellung zuzuweisen.
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Im Betrieb der beschriebenen Gesamteinrichtung sind, wenn beispielsweise
nach einer stattgehabten Umschaltung die Wechselphase einer Aufheizung des Regenerativerhitzers
I einsetzen soll, die Absperrventile 24, 25 für den Durchzug des zu erwärmenden
Gases geschlossen und die Absperrventile I6 und I8 der Brennervorrichtung 14 sowie
das Absperrventil 23 der Abgasabfuhr geöffnet; ebenso ist die für das Gebläse 5
vorgesehene Absperrvorrichtung 38 geschlossen. Durch Zufuhr von Brenngas aus der
Rohrleitung 15 und von Verbrennungsluft aus der Rohrleitung I7 wird die von der
Brennervorrichtung 14 geschaffene Befeuerung des Erhitzers I unterhalten und durch
die heißen Verbrennungsgase die Aufheizung des Gitterwerksbesatzes I2 auf eine hohe
Temperatur, beispielsweise bis zu etwa 10000 C, durchgeführt. Die Verbrennungsgase
ziehen hierbei durch den Verbrennungsschacht g aufwärts, fallen durch den Gitterwerksschacht
II, 12 abwärts, treten durch den Rost I3 in den Sammelraum 19 über und werden unter
der Wirkung des Gasgebläses 4 durch das geöffnete Ventil 23 des Abführstutzens 20
und die anschließende Rohrleitung 26 abgesaugt und über die Druckleitung 27 in die
Kühlvorrichtung 2 hineingefördert. Auf diese Weise wird unmittelbar das Befeuerungsabgas
des Erhitzers I als das in dem System zu verwendende Inertgas verfügbar gemacht.
Es hat beim Austritt aus dem Erhitzer I eine Temperatur von etwa 250 bis 4000 C
und wird in der nachgeschalteten Kühlvorrichtung 2 bis auf gewöhnliche Temperatur,
etwa 250 C, durch das über diese Vorrichtung mittels der Zufuhrrohrleitung 29 und
Brause 30 rieselnde Kühlwasser abgekühlt. Danach wird dieses Inertgas zunächst in
dem Gasbehälter 3 gespeichert. Nach Beendigung der Aufheizung des Regenerativerhitzers
I und Schließen der Absperrventile 23 und 25 setzt die Wechselphase der Gaserwärmung
ein. Hierbei entnimmt das Gasgebläse 5 Inertgas aus dem Gasbehälter und fördert
es durch die Druckrohrleitung 36 in den Erhitzer I. Durch die Aufteilung dieses
gekühlten Inertgasstromes nach den beiden Rohrabzweigungen 21 und 39 hin und durch
die zugleich vorgenommene Regelung des Aufteilungsverhältnisses mittels derVorrichtungen
und Anordnungen 43
bis 48 wird eine dauernde Konstanz der Nlischtemperatur,
die sich nach der Vermischung beider Verzweigungsteilströme in dem Rohrstück 42
einstellt, gesichert, obwohl die Temperatur des wärmespeichernden Gi tterwerks 12
während der Gaserwärmung ständig absinkt.
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Man kann an Stelle von Inertgas, das in der vorbeschriebenen Weise
aus Abgas des Erhitzers I genommen wird, durch das Gebläse 5 und seine Druckleitung
36 dem Erhitzer ein beliebiges anderes inertes oder aktives Gas zu dessen Erwärmung
zuführen. Dieses andere Gas kann dem Gebläse 5 durch die Rohrleitung 37 und das
Ventil 38 zugeführt werden und beispielsweise atmosphärische Luft, aber auch ein
beliebiges anderes Gas sein. Bei dieser Schaltung des Gasgebläses 5 ist die Absperrvorrichtung
35 in der Abfuhrrohrleitung 34 des Gasometers 3 geschlossen und ebenso das Gebläse
4 stillgesetzt. Zugleich bleibt die Absperrvorrichtung 51 in der Gebläsesaugleitung
26 geschlossen und die Abzweigrohrleitung 49 mit dem Ventil 50 nach dem Schornstein
hin geöffnet. Selbstverständlich könnte man aber für diesen Fall auch den Gasbehälter
3 durch eine in sein Zuführrohr 33 eingefügte Absperrvorrichtuiig 52 abschalten
und zur Speicherung des vorgesehenen anderen Gases ausnutzen, das dann wieder über
den Weg 34, 35 dem Gebläse 5 zuzuführen wäre.
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Man kann nach dem Vorgesagten mit der beschriebenen Gesamteinrichtung
mehrere verschiedene inerte oder aktive Gase dem Erhitzer I zuführen. Dabei kann
der Betrieb auch so geführt werden, daß mehrere solche verschiedene zur Erwärmung
bestimmte Gase aufeinanderfolgend in derselben Wechselphase durch den Erhitzer I
geleitet werden, der dazu in einer vorangegangenen Phase eine einheitliche Aufheizung
erfahren hat.
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Dabei kann erfindungsgemäß wiederum mittels der Regelvorrichtungen
43 bis 48 für jedes der zu erwärmenden Gase eine konstante Endtemperatur eingehalten
werden, die für die einzelnen Gase untereinander nach Belieben verschieden hoch
oder auch gleich hoch sein kann. Praktisch kann diese Verfahrensweise in solchen
Fällen Anwendung finden, wo eine chemische Reaktion oder Verarbeitung in verschiedene
aufeinanderfolgende Phasen aufgeteilt wird, die das Zuführen von untereinander verschiedenen
erwärmten Gasen bestimmter Temperaturen benötigen; dies kann namentlich bei katalytischen
Prozessen praktisch vorkommen. Als Beispiel hierfür sei die katalytische Umwandlung
von Methankohlenwasserstoffen in aromatische Kohlenwasserstoffe, z. B.dieUmwandlung
von Dämpfen des Heptans (C1 H12) bei höheren Temperaturen in Toluol (C7 H5), genannt.
Dieser Prozeß umfaßt außer einer Phase der eigentlichen Umwandlungsreaktion, die
z. B. bei 5200'C durchgeführt wird, eine weitere Phase, in welcher der Katalysator
durch die Einwirkung von Luft regeneriert wird, und mindestens zwei je vor und nach
dieser Regenerierung liegende Phasen, in denen Inertgas zum Durchspülen der Kontaktkammer
verwendet wird; alle diese weiteren Durchleitungsphasen von anvieren als Reaktionsgasen
müssen ebenfalls bei konstanten Temperaturen der Gase von 5200'C durchgeführt werden.
In diesem Beispielsfall führt man bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
jeweils die Wechselphase der Aufheizung des Regenerativerhitzers gleichzeitig miit
der Phase der katalytischen Umwandlung durch und stellt in der anschließenden Wechselphase
des Erhitzers aufeinanderfolgend Inertgas, Luft und wiederum Inertgas von der gewünschten
erhöhten Temperatur her, die dann nacheinander durch die Kontaktkammer geleitet
werden. Diese Schaltungsweise gemäß der Erfindung wird durch die für sie charakteristische
Wirkung möglich gemacht daß ungeachtet der Absenkung d.h. Inkonstanz der im Regenerativerhitzer
herrschenden Temperaturen. bei denen die in ihm aufgespeicherte Wärme wieder abgegeben
wird, die zu erwärmenden beliebigen, gegebenenfalls auch verschiedenen Gase auf
eine für jedes Gas konstante Temperatur erwärmt werden.