DE966833C

DE966833C - Vorrichtung zur Herstellung schwefeltrioxydhaltiger Gase

Info

Publication number: DE966833C
Application number: DEB17127A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Fritz Hettler; Dr Adolf Johannsen; Dr-Ing Herbert Wolf
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1951-10-10
Filing date: 1951-10-10
Publication date: 1957-09-12
Also published as: NL205521A; GB714555A; DE972117C; NL84499C; US2846291A; DE974619C; NL108211C; BE514697A

Description

Vorrichtung zur Herstellung s chwefeltrioxydhaltiger Gase Bei der Herstellung schwefeltrioxydhaltiger Gase aus schwefeldioxyd- und sauerstoffhaltigen Gasen in einem mehrstufigen katalytischen Verfahren muß das Gasgemisch gekühlt werden, da sonst die Temperatur infolge des exothermen Verlaufs der Umsetzung so sehr über die zum Anspringen des Katalysators erforderliche Mindesttemperatur ansteigt, daß infolge der Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts kein befriedigend hoher Umsatz erreicht werden kann. Die Kühlung der Reaktionsgase wurde bisher in der Hauptsache auf indirektem Wege durchgeführt, indem man die den Katalysator tragenden, von den heißen Reaktionsgasen durchströmten Teile des Ofens in Wärmeaustausch mit kaltem Frischgas brachte oder indem man die Reaktionsgase nach Passieren einer oder mehrerer Schichten des Katalysators einem zwischen den Schichten oder außerhalb des Ofens angeordneten Wärmeaustauscher zuführte. Die Anzahl der Wärmeaustauscher hängt dabei von der Größe der Anlage und der Anzahl der Katalysatorschichten ab. Derartige Wärmeaustauscher verteuern allerdings die Anlagekosten erheblich, sie erhöhen den Gaswiderstand und den Raumbedarf, sie kühlen bei Betriebsunterbrechungen, soweit sie außerhalb des Katalysatorofens angeordnet sind, schnell ab und tragen zur Erhöhung der Reparaturkosten bei.
Es ist bekannt, das vorgewärmte Röstgas vor seinem einmaligen Durchgang durch mit Katalysatormasse gefüllte Röhren mit kaltem Röstgas an derjenigen Stelle außerhalb der die Katalysatormasse enthaltenden Röhren zu vermischen, an der in diesen Röhren die Hauptreaktion stattfindet, und dieReaktionsgase nach dem Passieren dieser Röhren durch zusätzliche Schichten von Katalysatormasse hindurchzuführen, die gegebenenfalls ganz oder teilweise durch Gaszwischenschichten voneinander bzw. von den genannten Röhren getrennt sein können.
Es ist auch bekannt, Kühlgas zu den aus den Katalysatorschichten austretenden Reaktionsgasen in Rohrleitungen zuzumischen, die die örtlich voneinander getrennten Kammern eines Hordenofens miteinander verbinden und in welchen den Reaktionsgasen vor ihrem Eintritt in die jeweils nächste Katalysatorkammer die Kühlgase zugeführt werden. Aber abgesehen davon, daß durch die Aufteilung des Katalysatorraumes in mehrere alleinstehende Kammern das Verhältnis von Oberfläche zu Inhalt sich sehr ungünstig gestaltet und man so nur unter Aufwand beträchtlicher Mittel für die Isolierung eine gleichmäßige Temperatur in den Katalysatorschichten aufrechterhalten kann, ist es praktisch unmöglich, auf diese Weise eine Kühlung hinter jeder aus einer Vielzahl von Katalysatorschichten bestehenden - Schicht vorzunehmen, wie dies notwendig ist, um mit einem Minimum an Katalysatormasse eine möglichst hohe Belastung unter Erzielung von Umsätzen von über 970/r zu erreichen.
Man hat daher schon die einzelnen Umsetzungsstufen in einem einzigen Hordenofen angeordnet und die Reaktionsgase zwischen den einzelnen Umsetzungsstufen durch Zusatz kalter schwefeldioxyd-und sauerstoffhaltiger Gase oder kalter Luft direkt gekühlt. Um in diesem Fall einen guten Umsatz in der Endstufe zu erzielen, ist es notwendig, die kalten Gase mit den heißen Reaktionsgasen möglichst homogen zu vermischen, damit in der nächsten Katalysatorschicht ein über den ganzen Querschnitt gleichmäßiger Fortschritt der Reaktion erfolgt.
Diese Arbeitsweise sei an Hand der Abb. I näher erläutert. In den Ofen I treten die auf die Anspringtemperatur des Katalysators, z. B. auf 4600, erhitzten Gase durch den Stutzen 2 ein und durchlaufen die erste Umsetzungsstufe 3, wobei sie eine Temperatursteigerung auf etwa 6000 erfahren. In dem Zwischenraum zwischen der ersten Umsetzungsstufe 3 und der zweiten Umsetzungsstufe 4 wird den heißen Gasen aus der Ringleitung 7 über radial oder tangential angeordnete Stutzen 8 kaltes Frischgas zugegeben, dessen Menge mittels der Schieber 9 geregelt werden kann. Dieselbe Maßnahme ist vor den folgenden Umsetzungsstufen 5 und 6 vorgesehen. Die Gasgeschwindigkeit zwischen den Umsetzungsstufen ist dabei kleiner als in der Katalysatormasse. Auf der zwischen den einzelnen Umsetzungsstufen zur Verfügung stehenden freien Wegstrecke tritt indessen, wie sich gezeigt hat, eine ausreichende Durchmischung nicht ein. Man hat deshalb durch Einbau von den Gasstrom brechenden Elementen, z. B. schirmartigen Einsätzen ga, versucht, eine bessere Durchmischung zu erreichen.
Diese Einsätze haben den Nachteil, daß die Bauhöhe des Ofens größer gewählt werden muß und daher mehr Baustoff erforderlich ist. Ein weiterer sehr ins Gewicht fallender Nachteil liegt in der ungenügenden Zunderfestigkeit der für die Einsätze zu verwendenden metallischen Werkstoffe, selbst bei Anwendung legierter Stähle. Die verzunderten Teilchen werden mit dem Gasstrom auf den Katalysator getragen und bilden dort Verkrustungen, die den Gaswiderstand des Ofens allmählich so erhöhen, daß eine Auswechslung des Katalysators erforderlich wird.
Um eine bessere Durchmischung zu erzielen, soll nach einem anderen bekannten Verfahren das Kühlgas in die Gasräume zwischen den einzelnen Umsetzungsstufen eingeführt werden, wie es in der Abb. I gezeigt ist, und das Gemisch des Reaktionsgases mit demKühlgas jeweils durch den Zwischenraum zwischen dem schirmartigen Einsatz und der Ofenwand der nächsten Katalysatorschicht zugeführt werden, wobei dieser Zwischenraum durch oberhalb und unterhalb des schirmartigen Einsatzes in geringem Abstand davon angeordnete Prallbleche verengt ist. Der Bereich, in dem zwecks besserer Durchmischung die Strömungsgeschwindigkeit der Gase höher gehalten wird als in den freien Gasräumen zwischen den einzelnen Katalysatorschichten, beschränkt sich bei dieser Anordnung somit auf eine in ihrer gesamten Ausdehnung mit dem Gasraum zwischen je zwei Katalysatorschichten kommunizierenden engen Randzone.
Es wurde nun gefunden, daß man eine sehr viel bessere Durchmischung der Reaktionsgase mit den kälteren Gasen erzielen kann, wenn man die Zumischung der kälteren Gase zwischen den Katalysatorschichten in einem Ofen vornimmt, in dem die einzelnen Katalysatorräume von engen Kanälen für die Zumischung der kälteren Gase begrenzt werden, die in der unten angegebenen Weise zwischen den Katalysatorschichten oder als konzentrische Zylinderringe um die Längsachse des Ofens angeordnet sind, wobei jeweils ein Kanal in einen der Katalysatorräume mündet und dieser Katalysatorraum sich jeweils in einen Kanal fortsetzt, in den die Zuführung der kälteren Gase für den darauffolgenden Katalysatorraum mündet.
In Abb. 2 ist ein solcher Ofen im Querschnitt beispielsweise dargestellt. Die umzusetzenden Gase, die in diesem Fall durch die umgesetzten Gase in einem außerhalb des Ofens angeordneten Wärmeaustauscher, der nicht gezeichnet ist, auf etwa 300° vorgeheizt sind, treten durch den Stutzen 10 in den Wärmeaustauscher 1 1 ein und erhitzen sich durch die aus der ersten Katalysatorschicht 12 kommenden Reaktionsgase auf die Anspringtemperatur des Katalysators (etwa 4600). Sie strömen darauf durch den Kanal 13 und treten von unten in die erste Katalysatorschicht I2 ein. In dieser erhitzen sie sich infolge der einsetzenden Reaktion auf etwa 6000. Sie strömen dann durch den Kanal 14 in den Wärmeaustauscher II zurück und geben einen Teil ihrer Wärme an das frisch zugeführte Gas ab. Diese Arbeitsweise ist nur erforderlich, wenn kalt gereinigte Gase zur Umsetzung gelangen. Stehen heiße Gase mit der Anspringtemperatur des Katalysators zur Verfügung, wie sie z. B. durch Verbrennen von Elementarschwefel oder durch Zumischen heißer, durch Verbrennen von Elementarschwefel erhaltener Gase zu kalt gereinigten Röst- gasen oder durch Erhitzen kalt gereinigter Röstgase in anderer Weise, z. B. mittels der heißen Röstgase aus Pyritöfen oder mittels heißer Abbrände, erhalten werden, so können die Wärmeaustauscher wegfallen, und die direkte Kühlung setzt schon nach der ersten Umsetzungsstufe ein. Die aus dem Wärmeaustauscher austretenden, auf etwa 4600 abgekühlten Gase gelangen durch den Kanal 15 in die zweite Umsetzungsstufe I6, in der sie sich auf etwa 5200 erhitzen. Durch die Kanäle I7 und I8 werden sie der dritten Umsetzungsstufe 19 zugeführt, nachdem sie durch Zugabe von kaltem Röstgas durch den Stutzen I8a auf etwa 4400 gekühlt sind.
Die dritte Umsetzungsstufe kann auch unmittelbar unter der zweiten Umsetzungsstufe angeordnet werden. Im vorliegenden Beispiel ist sie indessen in den unteren Teil des Ofens gelegt, um die fertig umgesetzten Gase etwa in der Mitte des Ofens abziehen zu können, damit sie auf kürzestem Wege den äußeren, nicht gezeichneten Wärmeaustauscher von oben nach unten durchströmen können. Durch den Kanal 20 werden die Gase der vierten Umsetzungsstufe 21 zugeführt, nachdem sie mit getrockneter Frischluft, die durch den Stutzen 20 a eintritt, auf etwa 4250 abgekühlt werden. Durch den Kanal 22 gelangen sie schließlich in die fünfte Umsetzungsstufe, nachdem ihre Temperatur, die nach der vierten Umsetzungsstufe etwa 4400 beträgt, durch Zugabe weiterer Kaltluft, die durch den Stutzen 22 a eintritt, auf 4200 gesenkt wurde.
Nach der vierten Umsetzungsstufe beträgt der Umsatz etwa 960/o. Er steigt in der fünften und sechsten Umsetzungsstufe auf über 980/o an. Eine nennenswerte Temperaturerhöhung findet dabei nicht mehr statt. Erforderlichenfalls trägt man durch Einbau eines kleinen Kühl- oder Heizelements 25 in denKanal 24 dafür Sorge, daß in der sechsten Umsetzungsstufe die Optimaltemperatur von etwa 420 bis 4250 eingehalten wird. Die umgesetzten Gase verlassen schließlich durch den Kanal 27 den Ofen.
Mit Vorteil läßt sich auch eine Vorrichtung benutzen, bei der die engen Kanäle für die Zumischung der kälteren Gase als konzentrische Zylinderringe um die Längsachse des Ofens ausgebildet sind und an ihren Enden jeweils in einen der den äußeren Zylinderring bildenden und darin übereinander angeordneten Katalysatorräume übergehen. Diese Ausführungsform ist in Abb. 3 beispielsweise dargestellt. Bei ihr ist um ein zentrales Rohr ein ringförmiger Zwischenwärmeaustauscher angeordnet; um diesen sind in konzentrischen Ringen die Kühlkanäle angebracht, und im äußeren Ring befinden sich die übereinander angeordneten Katalysatorschichten. Das auf etwa 3000 vorgeheizte schwefeldioxyd- und sauerstoffhaltige Gasgemisch tritt von oben in das zentrale Rohr 30 ein, durchströmt den ringförmigen Zwischenwärmeaustauscher 3I von unten nach oben, in dem es sich auf etwa 4600 erhitzt. Es durchströmt darauf die erste Umsetzungsstufe 32, wobei die Temperatur auf etwa 6oo0 ansteigt. Nachdem sich das Gas in dem Wärmeaustauscher durch die frisch zugeführten Gase auf etwa 4600 abgekühlt hat, gelangt es über den Ringkanal 31 a in die zweite Umsetzungsstufe 33, in der die Temperatur infolge der fortschreitenden Reaktion auf etwa 5200 ansteigt. Anschließend werden die Gase im Ringkanal 34 durch kaltes Röstgas, das über einen Verteilerring 35 zugeführt wird, auf etwa 4600 abgekühlt. Sie durchströmen darauf die dritte Umsetzungsstufe 36 unter Erwärmung auf etwa 4800 und werden im folgenden Ringkanal 37 durch Kaltluft auf etwa 4250 abgekühlt. Die Zugabe der Kaltluft erfolgt über einen Verteilerring 38. Nach Durchströmen der vierten Umsetzungsstufe 39 beträgt der Umsatz etwa 960/o, die Temperatur etwa 4400. Durch Zugabe weiterer Kaltluft im Ringkanal 40 aus einem Verteilerring 41 wird die Temperatur nochmals auf etwa 4200 gesenkt, bevor die Gase die beiden letzten Umsetzungsstufen 42 und 43 durchströmen und den Ofen über den Ring 44 mit einem Umsatz von über 98 0/o verlassen.
Falls gewünscht, kann die Temperatur der letzten Umsetzungsstufe43 durch das Kühl- oder Heizelement 45 auf dem erforderlichen Optimalwert gehalten werden.
Dadurch, daß sich die Kanäle aus keramischem Material herstellen lassen, werden die durch Verzunderung metallischer Einsätze sonst hervorgerufenen Nachteile vermieden und kann der Ofen beträchtlich länger ohne Auswechseln des Katalysators betrieben werden.
Die Zuführung der kälteren Gase und ihre Vermischung mit den Reaktionsgasen in Kanälen, die zwischen oder neben den Katalysatorschichten angeordnet sind, gestattet zudem, mit einer geringeren Bauhöhe des Ofens auszukommen, als dies bei Zuführung und Vermischung in den Gasräumen zwischen den jeweiligen Katalysatorschichten möglich ist.
PATENTANSPRSCHE I. Vorrichtung zur Herstellung schwefeltrioxydhaltiger Gase durch katalytische Umsetzung schwefeldioxyd- und sauerstoffhaltiger Gase in mehreren übereinander angeordneten Katalysatorschichten unter direkter Zwischen kühlung der Reaktionsgase durch Zumischung kälterer Gase in engen Kanälen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen sowie gegebenenfalls unter und über den Katalysatorschichten horizontale, enge, durch Doppelzwischenböden gebildete Kanäle angeordnet sind und daß jeweils ein Kanal in einen der hierdurch abgetrennten, jeweils eine Katalysatorschicht enthaltenden Katalysatorräume mündet und dieser Katalysatorraum sich jeweils in einen Kanal fortsetzt, in den die Zuführung der kälteren Gase für den darauffolgenden Katalysatorraum mündet.

Claims

2. Vorrichtung zur Herstellung schwefeltrioxydhaltiger Gase durch katalytische Umsetzung schwefeldioxyd- und sauerstoffhaltiger Gase in mehreren Stufen unter direkter Zwischenkühlung der Reaktionsgase durch Zumischung kälterer Gase in engen Kanälen, dadurch gekennzeichnet, daß enge Kanäle für die Zumischung der kälteren Gase als konzentrische Zylinderringe um die Längsachse des Ofens ausgebildet sind und an ihren Enden jeweils in einen der den äußeren Zylinderring bildenden und darin iibereinander angeordneten Katalysatorräume übergehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle für die Zumischung der kälteren Gase aus keramischem Material bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 670 672; USA.-Patentschriften Nr. 723 595, 723 596, I I 970 923-