DE1081983B - Elektrisch beheizter Ofen mit Rohrheizkoerpern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrisch beheizten Ofen als Reaktionsgefäß für Reaktions- oder Heizgase, wobei dieHeizung durch einen oder mehrere elektrische Rohrheizkörper erfolgt, -deren Heizleiter als Seelen in eine pulverförmige Masse eingebettet sind, welch letztere wiederum in einem Metallrohr eingeschlossen ist.

Elektrische Rohrheizkörper dieser Art, bei welchen ein oder mehrere Wärme erzeugende Heizleiter in eine pulverförmige Masse eingebettet sind, die ihrerseits wiederum von einem rohrförmigen metallenen Bauelement aufgenommen wird, sind bereits bekannt. Sie werden je nach dem Verwendungszweck und der in Frage kommenden Temperatur in Stahl, Chromstahl, Chromnickelstahl, Kupfer, Messing oder Leichtmetall ausgeführt. Auch werden sie mit elektrolytisch aufgebrachten Überzügen, z. B. Vernickelung oder Verchromung, oder mit umpreßten Überzügen nach doubleähnlicher Art ausgeführt. Die im Ofen erreichten Betriebstemperaturen liegen zwischen 250' und etwa 800° C. Hierbei können Heizleitungen von über 20 Watt je Zentimeter Rohrlänge des Rohrheizkörpers erzielt werden.

Elektrische Rohrheizkörper, bei welchen die die Elektrizität leitenden Heizleiter sowie die Rohrmäntel, in welchen sich das Pulver befindet, aus einem stark dehnbaren Metall, wie z. B. Kupfer, verfertigt werden, können in beträchtlichen Längen, beispielsweise bis zu 300 m, hergestellt werden, wenn man als Ausgangsmaterial Rotationskörper geringer Länge von entsprechendem Querschnitt verwendet. Diese Rotationskörper werden dann einem Ziehvorgang unterworfen, wobei man darauf achten muß, daß während des Ziehens das Metall je nach Bedarf bei Temperaturen geglüht wird, die hoch genug sind, um dem Me- tall eine Streckbärkeit wiederzugegeben.

Derartige Rohrheizkörper werden in beträchtlichem Ausmaße für verschiedenartige Heizzwecke verwendet, bei welchen Biegsamkeit und leichter Einbau gefordert werden und die Rohrheizkörper ferner dem Einfluß von beispielsweise öl und Wasser, welche im allgemeinen die Isolationsfestigkeit beeinträchtigen, sowie gegenüber Wärmeeinwirkungen, beispielsweise bei Bränden, einen erheblichen Widerstand entgegensetzen. Wenn die pulverförmige Einbettungsmasse, welche beispielsweise aus Magnesiumoxyd oder CaI-ciumoxyd oder einem Gemisch beider Stoffe bestehen kann, alle Temperaturen aushält, welchen der Werkstoff der Rohrmäntel, beispielsweise Kupfer, widersteht, dann erreicht man damit nicht nur, daß die Rohrheizkörper bei kleinen Bränden unbeeinträchtigt bleiben, sondern erhält damit auch den Vorteil, daß die Rohrheizkörper derartige Brände nicht verursachen oder irgendwelche Brände weiterverbreiten Elektrisch, beheizter Ofen
mit Rohrheizkörpern

Anmelder:

Dipl.-Ing. Haldor Frederik AxelTops0e,
Hellerup, Kopenhagen (Dänemark)

Vertreter: Dr. M. Eule, Patentanwalt,
München 13, Kurfürstenplatz 2

Dipl.-Ing. Leif Rump, Charlottenlund (Dänemark),
ist als Erfinder genannt worden

können, wie es bei Rohrheizkörpern vorkommen kann, die mit organischen Isolierstoffen isoliert sind. Daher eignen sich diese Rohrheizkörper für die Hauptstromleitungen in Schiffen oder Maschinenräumen und weiterhin für viele Fälle, wo die Feuersgefahr besonders groß ist oder wo ein Feuer besonders ernste Folgen haben könnte oder auch dort, wo große Anschlüsse vorhanden sind, welche, wenn die Rohrheizkörper mit einem organischen Stoff isoliert wären, selbst Anlaß zur Entstehung von Bränden geben könnten.

Überdies verwendet man derartige Rohrheizkörper von jeher in manchen Fällen als elektrische Widerstandsheizelemente für Temperaturen unterhalb 250° C, insbesondere zur ausreichenden Erhöhung der Temperatur zwecks Verhinderung des Einfrierens von Wasser oder des Erstarrens von öl in langen Rohrleitungen während der Kälteperioden, wobei die Rohrheizkörper entweder innerhalb der Rohre oder außen an denselben angebracht werden, wobei man sich ferner den Umstand zunutze macht, daß die bei diesen Rohrheizkörpern allgemein verwendeten Kupferkerne bei den für diesen Zweck erforderlichen geringen Belastungen bei langen Rohrheizkörpern nur einen geringen Spannungsabfall verursachen.

Für die Widerstandsbeheizung strömender Medien verwendet man hauptsächlich zwei Typen von elektrischen Widerstandsheizelementen.

Bei der ersten dieser Typen kommt das zu erhitzende Medium, im allgemeinen ein Gas, in direkte Berührung mit dem elektrischen Leiter. Ein solcher Lei-

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ter kann in sehr großen Längen angefertigt werden, jedoch können von der relativ kleinen Oberfläche des elektrischen Heizleiters nur geringe Heizleistungen auf das Medium übertragen werden. Bei diesem Typ von elektrischen Widerstandsheizelementen muß der Leiter von Isolotaren gehalten werden. Die elektrische Isolierung wird aber leicht beschädigt, da es vorkommen kann, daß die Isolatoren von Staub bedeckt werden, welcher aus dem zu erhitzenden Medium oder von Körpern, an denen das Medium vorbeistreicht oder mit denen dasselbe in Berührung gebracht wird, herrührt, beispielsweise dem Katalysator eines Ofens oder Reaktionsgefäßes zur Ausführung katalytischer Prozesse mit dem Medium.

Der andere Typ von Widerstandsheizelementen besteht aus einem Rohr aus Metall, in welchem sich ein elektrischer Heizleiter befindet, der zylindrisch oder auch schraubenförmig sein kann. Als Isoliermaterial verwendet man Magnesiumoxyd oder einen ähnlichen Stoff in Pulverform, welcher den Heizleiter umgibt und trägt. Der Vorzug dieses Typs von Heizelement ist der, daß im wesentlichen die ganze Länge des Heizleiters so vollständig eingeschlossen ist, daß ein Versagen der Isolation infolge abgelagerten Staubes nicht eintreten kann.

Diese Rohrheizkörper können, wenn Stahl, Chromstahl oder Chromnickelstahl für ihre Herstellung verwendet werden soll, nicht durch Ziehen hergestellt werden, weil derartige Werkstoffe nicht die gleiche Dehnbarkeit haben wie Kupfer. Sie sind deshalb meist nur in kurzen Längen verfügbar. Infolgedessen wird deren Verwendungsfähigkeit durch den Umstand beschränkt, daß die Enden der Heizelemente bis zu einer Stelle in dem Ofen geführt werden müssen, an der es keinen Staub gibt und deren Temperatur unter 350° C liegt, denn die Rohrenden bzw. die freien Enden der Heizleiter an den Rohrenden könnten durch Staub oder hohe Temperaturen — etwa 500° C — beschädigt werden.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist der elektrisch beheizte Ofen als Reaktionsgefäß für in zwangläufigem Durchsatz oder Umlauf durch- bzw. eingeleitete Reaktions- oder Heizgase mit elektrischen Rohrheizkörpern, die einen kupfernen Heizleiter und einen die isolierende Einbettungsmasse des Heizleiters umgebenden Kupferrohrmantel aufweisen, erfindungsgemäß so gebaut, daß der Kupferrohrmantel als Innenmantel ausgebildet und zusätzlich mit einem an sich bekannten Mantel aus hitzebeständigem Werkstoff als Außenmantel nach Doubleart umgeben ist und daß jeder der im Ofen angeordneten Rohrheizkörper, deren Länge jeweils ein Mehrfaches der Heizrohre ist, durch die das Heiz- oder Reaktionsgas hindurchströmt, nacheinander durch mehrere dieser Heizrohre haarnadelförmig hindurchgeführt ist. Es kommen also lange Rohrheizkörper zur Anwendung, bei welchen die Heizleiter in an sich bekannter Weise aus Kupferdraht bestehen, während die Rohrmäntel aus einer Innenschicht aus Kupfer oder einem ähnlichen Werkstoff und der Außenmantel aus einem metallischen Werkstoff, der hohen Temperaturen besser als das Kupfer widersteht, ausgeführt ist.

Derartige Rohrheizkörper mit in Doubleart ausgeführtem Zweischichten-Rohrmantel können unter Beibehaltung der Fälligkeit der bekannten Rohrheizkörper mit Meinem Krümmungsradius gebogen werden, was der Leichtigkeit des Einbaues dient. Während Rohrheizkörper, die lediglich einen Kupfermantel haben, bereits bei Temperaturen bis herab zu etwa 250⁰C sehr rasch oxydieren, halten die Rohrheizkörper mit dem vorbeschriebenen Zweischichten-Rohrmantel höhere Temperaturen aus, und zwar mindestens bis zu etwa 800° C, wenn entsprechender Werkstoff, wie Chromstahl oder Chromnickelstahl, verwendet wird. Da die kupfernen Heizleiter eine relativ hohe Strombelastung aufnehmen können, wenn die pulverförmige Masse in bekannter Weise aus stark verdichtetem Magnesiumoxyd besteht, kann die Belastung bis zu etwa 20 Watt je Quadratzentimeter

ίο Oberfläche des Heizleiters erhöht werden. Je Längeneinheit des Rohrmantels wird also genügend Wärme erzeugt, so daß der Rohrheizkörper in öfen für chemische Reaktionen verwendet werden kann. Die elektrischen Heizelemente können in großen Längen hergestellt werden, während gleichzeitig die Heizleistung je Längeneinheit des Rohrheizkörpers gerade so groß sein kann wie diejenige, die man bei den bekannten Heizelementen mit schraubenförmig gewickeltem Widerstandsdraht erhält. Infolge der größeren Länge der Heizelemente können elektrische Verbindungen innerhalb des Ofens oder der Reaktionskammer vermieden oder es kann deren Anzahl vermindert werden; gleichzeitig können Kabeldurchführungen, durch, die Ofenwandung hindurch auf ein Mindestmaß eingeschränkt werden.

Die Enden jedes Heizleiters werden selbstverständlich nicht im Inneren des Ofens angeklemmt, sondern durch zu den elektrischen Anschlüssen außerhalb des Ofens geführt. Da der Heizleiter völlig in einem nicht stromführenden Rohrmantel eingeschlossen ist, kann dieser in entsprechenden Abständen geerdet werden. So ist der Draht keinem Kurzschluß oder Erdschluß durch leitenden Staub aus der Atmosphäre des Ofens oder Reaktionsgefäßes oder beispielsweise von einem Katalysator innerhalb des Ofens oder Reaktionsgefäßes herrührend ausgesetzt. Infolge der erheblichen Länge der Heizelemente können die Wärmeverluste, an den Durchführungen durch die Ofenwandung, deren Temperatur niedrig ist, vernachlässigt werden.

Die Rohrbogen können, wie wiederholt erwähnt, mit kleinem Krümmungsradius ausgeführt werden, wodurch es möglich wird, die einzelnen Heizelemente parallel zueinander und dicht nebeneinander anzuordnen.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Gase im Ofen oder Reaktionsgefäß durch Kanäle gedrückt, in welchen Teile des Rohrheizkörpers bildende Heizelemente völlig lose angebracht oder nur an einigen wenigen Stellen befestigt sind. Auf diese Weise erhält man einen guten Wärmeaustausch zwischen Heizkörper und Gas sowie einen geringen Strömungswiderstand.

Durch die Heizrohre hindurch läßt man die Reaktionsgase bzw. Heizgase .strömen. Sie sind auf diese Weise gezwungen, durch den die Rohrheizkörper umgebenden Ringraum zu strömen, welcher durch die Innenwandung des Rohres bzw. Kanals begrenzt wird, während die äußere Wandung mit dem Raum des Ofens in Berührung steht, welcher für Wärmebehandlungszwecke verfügbar ist.

Bei einer wahlweisen Ausführungsform des Ofens sind die Heizrohre für die Ofen- bzw. Reaktionsgefäßatmosphäre ringförmig und enthalten hauptsächlich Längen oder Schleifen des Heizkörpers, wobei diese Längen oder Schleifen in der S.trömungsrichtiang hintereinander angeordnet sind; man erzielt dadurch eine Konzentration der Heizelemente bei geringem Strömungswiderstand.

Infolge des Umstandes, daß für den Heizleiter Kupfer verwendet wird, das ja für den spezifischen

elektrischen Widerstand einen großen Temperaturbeiwert besitzt, kann man einen einfachen Schutz gegen Überlastung erhalten. Bei der für den Heizkörper maximal zulässigen Temperatur besteht selbstverständlich, wie groß auch immer die Stromstärke sein möge, ein Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke. Wenn bei der Nennspannung die Stromstärke niedriger als normal ist, dann heißt das, daß die Temperatur im gleichen Verhältnis höher als normal ist. Man kann also ein Impedanzrelais vorsehen, das eine Alarmvorrichtung betätigt, wenn der Widerstand im Heizleiter Werte außerhalb bestimmter vorausbestimmter Grenzen annimmt, oder das dabei direkt den Heizkörper ein- und ausschaltet.

Der Ofen nach der Erfindung ist besonders geeignet für die Reaktionsprozesse, die unter Hochdruck ausgeführt werden müssen. Selbstverständlich wird man den Außenmantel so stark ausführen, daß er den Beanspruchungen widerstehen kann, denen er im Betrieb ausgesetzt ist, beispielsweise einem Druck von 300 kg/cm² oder mehr, bei der jeweiligen Betriebstemperatur.

Beispiele für derartige Öfen sind die Konverter, in welchen Wasserstoff und Stickstoff unter Druck sowie in Gegenwart eines Katalysators, wie z. B. Eisen, in Ammoniak umgewandelt werden. Der Katalysator wird dabei in Form eines Oxyds eingeführt und muß, bevor derselbe aktiv wird, reduziert werden. Wenn das Reaktionsgemisch bei einer Temperatur von etwa 400 bis 500° C durch den Katalysator hindurchgeht, findet eine Reduktion des Eisenoxyds zu Eisen statt, wodurch es dem Katalysator erst möglich wird, die Bildung von Ammoniak zu bewirken. Bei diesem letzterwähnten Vorgang wird eine beträchtliche Wärmemenge erzeugt, welche durch die Katalysatormasse hindurch übertragen wird; dadurch wird dieselbe in vollem Umfange aktiv. Sobald die Reaktion auf diese Weise eingeleitet wurde, ist keine weitere Wärmezufuhr mehr erforderlich. Die Einstellung der Temperatur erfolgt durch den Wärmeaustausch zwisehen dem in den Konverter eintretenden und dem den Konverter verlassenden Gas sowie durch den Zutritt einer veränderlichen geregelten Menge kalten Reaktionsgases oder auch durch die Änderung anderer Faktoren, um so die Temperatur innerhalb des günstigsten Bereiches zu halten. Außerdem kann es jedoch nach erfolgter Reduktion notwendig werden, dem Konverter für kurze Zeit von außerhalb Wärme zuzuführen, um Störungen in dem katalytischen Prozeß selbst zu begegnen; hier ist es von Wichtigkeit, daß diese Wärmezufuhr rasch und in einer solchen Weise erfolgt, daß ein Abkühlen des Konverters vermieden wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform eines solchen Ofens für andere, ähnliche Zwecke werden die Rohrheizkörper in einer großen Anzahl von Rohren untergebracht, die über den ganzen Querschnitt der Masse verteilt sind, durch welche hindurch das Reaktionsgas aufwärts oder abwärts oder sowohl aufwärts als auch abwärts geführt wird, wobei das Gas in direkter Berührung mit der Katalysatormasse steht.

Die Ausfertigung eines Rohrheizkörpers für einen Ofen nach der Erfindung kann in der Weise vorgenommen werden, daß man einen Rohrheizkörper bekannten Typs mit einem oder mehreren kupfernen Heizleitern in ein Rohr aus Chromstahl oder Chromnickel einbringt, dessen Innendurchmesser ein wenig größer ist als der Außendurchmesser des Rohrheizkörpers, worauf man das den Rohrheizkörper enthaltende Rohr durch eine Presse kufen läßt, in welcher es auf einen Durchmesser reduziert wird, welcher um so viel geringer ist, daß nicht nur eine gute Wärmeberührung zwischen Rohr und Rohrheizkörper zustande kommt, sondern daß das Rohr gleichzeitig auch ein wenig gestreckt wird, wobei die Dehnung jedoch nur gering zu sein braucht, beispielsweise etwa 5 bis 10%.

Bei dem Ofen nach der Erfindung soll die Länge des im Ofen verwendeten Rohrheizkörpers nicht geringer als etwa 25 m sein; das ist bei weitem mehr als die Längen, wie sie bisher bei den mit einem Pulver angefüllten Rohren mit schraubenförmig gewickeltem Widerstandsheizdraht als Heizkörper verwendet wurden.

In nachstehendem soll die Erfindung an Hand der Zeichnungen noch ausführlicher beschrieben werden. Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines elektrischen Rohrheizkörpers zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Ofen;

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Rohrheizkörpers nach Fig. 1, wobei die einzelnen Schichten teilweise entfernt sind, um die darunterliegenden Schichten zu zeigen;

Fig. 3 zeigt einen schematischen vertikalen Axialschnitt durch einen Ofen nach der Erfindung, bei welchem die Rohrheizkörper nach den Fig. 1 und 2 zur Beheizung und zur Regelung der Temperatur verwendet werden;

Fig. 4 zeigt in größerem Maßstab den oberen Teil des Ofens nach Fig. 3 im vertikalen Axialschnitt;

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch den Oberteil des in Fig. 4 dargestellten Ofens;

Fig. 6 zeigt Einzelheiten der Fig. 3, 4 und 5, und zwar einen vertikalen Axialschnitt durch ein Korbaustauscherrohr sowie die Anordnung des darin befindlichen Heizkörpers, zusammen mit Teilen der benachbarten Heizrohre im Aufriß;

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt zur Darstellung nach Fig. 6;

Fig. 8 ist ein weiterer Querschnitt zur Darstellung nach Fig. 6;

Fig. 9 ist ein Aufriß, teilweise im Schnitt, eines Teiles des Korbaustauscherrohres; sie zeigt einen Ansatz zum Halten des Rohrheizkörpers nach Fig. 8.

In den Fig. 1 und 2 ist 1 ein Kupferleiter, 2 die isolierende pulverförmige Einbettemasse, 3 ein rohrförmiger kupferner Rohrmantel, welcher die Einbettemasse umgibt, 4 ein rohrförmiger Mantel aus Chromnickelstahl oder Chromnickel, der so gepreßt ist, daß er mit dem Kupfermantel 3 in inniger Oberflächenberührung steht.

Der als Ammoniakkonverter ausgebildete Ofen in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform besteht aus einem zylindrischen Hochdruckbehälter 5 mit einem Hals am unteren Ende für die Anschlußkanäle, welche in den Innenraum des Behälters führen. An der Innenwandung des Hochdruckbehälters 5 befindet sich eine Anpaßfläche 12; für eine Sockelplatte 8, welche eine zylindrische Wandung 9 trägt. Die letztere umgibt den unteren Wärmeaustauscher 7, dessen oberer Teil von einer durch die Wandung 9 getragenen Platte 13 gebildet wird. Diese Platte 13 trägt den Zylindermantel 14 des Katalysatorkorbes 6. Die Austauscherwandung 9, die obere Platte 13 und der Korbmantel 14 werden vor dem Einbau in den Hochdruckbehälter 5 miteinander verschweißt. Die erwähnten drei Teile sind in ihrem Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Hochdruckbehälters, so daß an ihrer Außenseite ein Ringraum 15 gebildet wird, der teilweise leer ist, teilweise aber auch von einer Isolier-

schicht 16 an der äußeren Oberfläche des Korbmantels und der Austaüscherwandung eingenommen wird. Der Korbmantel 14 ist an seinem oberen Ende abgeschlossen durch einen Katalysatorkorbdeckel 17., der vor dem Einbau des Katalysatorkorbes in das Hochdruckgefäß ebenfalls mit dem Korbmantel verschweißt würde und gleichfalls durch einen Isolierüberzug 16 abgedeckt ist. Die Höhe der Mantel 9 und 14 ist geringer als die Höhe des Hochdruckbehälters 5, so daß unten ein Raum 18 und oben ein Raum 19 verbleibt. Das Hochdruckgefäß wird oben durch einen Hochdruckdeckel 20 abgeschlossen.

Am unteren Ende des Wärmeaustauschermantels 9 befinden sich öffnungen 11, welche den Ringraum 15 mit dem Inneren des Wärmeaustauschers verbinden. Die Austaus eher rohre 21 sind senkrecht zwischen der Sockelplatte 8 und der oberen Platte 13 des Wärmeaustauschers angeordnet. In dem von der Austauscherwandung 9 umgebenen Innenraum befinden sich ferner geeignete Prall- bzw. Umlenkbleche 22 und 23; ferner erstreckt sich in diesen Raum durch eine zentrale Öffnung in der Sockelplatte 8 hinein ein Rohr 24 für die Zuleitung eines kalten Reaktionsgases unter Druck durch den Hals des Hochdruckbehälters hindurch. In diesem Hals befindet sich weiterhin ein Auslaß 25 für Reaktionsgas, das durch die Rohre 21 und leeren unteren Raum 18 hindurchgegangen ist.

In der Mitte der oberen Platte 13 befindet sich eine Öffnung, die durch ein zentrales Anschlußrohr 26 mit dem Inneren des Sammelkastens 27 verbunden ist, letzterer in der Form eines zylindrischen Behälters mit einem Bodenteil 28, einem Deckelteil 29 und einem Zylindermantel 30 geringer Höhe. Der Durchmesser des Sammelkastens ist kleiner als der Innendurchmesser des Korbmantels, so daß rundherum ein Ringraum 31 verbleibt, durch welchen hindurch das Gas vom Inneren des oberen Teiles des Katalysatorkorbes zum unteren Teil desselben strömen kann, von welchem aus die Austauscherrohre 21 sich abwärts erstrecken. Von der oberen Deckelplatte 29 des Sammelkastens 27 aus gehen die Korbaustauscherrohre 32 ab, welche in nachstehendem ausführlicher beschrieben werden sollen. Diese Rohre 32 erstrecken sich bis in den obersten Teil des Katalysatorkorbes und gehen im unteren Teil desselben durch eine gelochte Tragplatte 33 hindurch, auf welche der Katalysator 34 geschüttet wird, und zwar bis zu der Ebene 35 etwas unterhalb der oberen Enden der Korbaustauscherrohre 32; in der Mitte des Hochdruckdeckels 20 befindet sich ein Einlaß 36.

In den Umlaufrohren werden Schleifen aus den elektrischen Rohrheizkörpern in einer Weise angeordnet, die ausführlicher im Zusammenhang mit den Fig. 4 bis 9 beschrieben werden wird.

Vor der Beschreibung der Einzelheiten der Anordnung der Heizkörper in den Korbaustauscherrohren 32 müssen die Betriebsweise sowie die Betriebsverhältnisse des Konverters kurz gestreift werden.

Dem Konverter wird durch den Einlaß 36 ein Gasgemisch zugeführt, das in der Hauptsache aus Wasserstoff und Stickstoff besteht. Andere Bestandteile sind Ammoniak, das in Mengen-bis zu 10 Volumprozent vertreten sein kann, sowie inerte Gase, d. h. also Gase, welche an der Reaktion nicht teilnehmen, wie z. B. Argon, Methan und Helium. Das Verhältnis zwischen Wasserstoff und Stickstoff beläuft sich normalerweise auf 2:1 bis zu 3 : 1 (Volumenverhältnis). Vom Einlaß 36 aus strömt das Gasgemisch durch den Ringraum 15 zu dem unteren Teil des Austauschers 7, wo es durch die Kanäle 11 in das Innere des Austauschers eintritt, also in den Raum, der von der Austauscherwandung 9 umgeben wird. In dem Austauscher strömt das Gasgemisch um die Kanten der Prall- bzw. Umlenkbleche 22 und 23 in Berührung mit der äußeren

■ Oberfläche der Austauscherrohre 21 zu dem Verbindungsrohr 26 und dem Sammelkasten 27, von welchem es in die Korbaustauscherrohre 32 gelangt. An den oberen Enden dieser Rohre befinden sich

ίο öffnungen, durch welche das Gas bindurchströmt und nunmehr durch den Katalysatorkorb hindurch abwärts strömt, wobei es die auf der gelochten Platte 33 ruhende Katalysatorschicht 34 durchdringt. Mach dem Durchtritt durch den Katalysator und die gelochte Platte 33 gelangt das Gas in den unteren Teil des Korbes und strömt nun durch den Ringraum 31, welcher den Umfang des Sammelkastens umgibt, zu dem oberen Ende der Austauscherrohre 21. Hierauf strömt das Gas durch das Innere der letztgenannten Rohre zu dem Raum 18 im Hals des Hochdruckbehälters 5, aus welchem es durch den Auslaß 25 abzieht.

Ein anderer Teil des Gases kann durch das Rohr 24 eingeführt werden.

Die Temperatur des zugeführten Gases kann sich auf beispielsweise 35° C belaufen. Wenn dieses Gas an der Innenseite des B ehälter mantels entlangstreicht, hält es dabei den Mantel auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur, z. B. auf 50° C, obwohl die Temperatur der Isolierschicht 16 an der Außenseite des Korbmantels erheblich höher sein kann. In dem Wärmeaustauscher 7 nimmt die Temperatur das Gases infolge des Wärmeaustausches mit dem durch das Innere der Wärmeaustauscherrohre 21 strömenden heißen Gas zu. Wenn das auf diese Weise vorgewärmte Gas durch die Korbaustauscherrohre 32 strömt, nimmt es dabei eine Temperatur an, die für die Einleitung der Reaktion geeignet ist, beispielsweise 400° C. Gleichzeitig verhindert das Übergehen von Wärme von der Katalysatorschicht auf das Gas das Überhitzen und die Beschädigung des Katalysators durch die große bei der Reaktion entwickelte Wärmemenge.

Beim Durchströmen der Katalysatormasse wird das.

Gasgemisch teilweise in Ammoniak umgewandelt, wobei je nach den Betriebsverhältnissen das Gemisch einen Ammoniakgehalt von 10 bis 25 Volumprozent erreichen kann. Nach Durchströmen der Austauscherrohre 21 verläßt das Gas den Konverter mit einer Temperatur von beispielsweise 260° C, je nach dem Grad der Umwandlung. Wenn die Temperatur dazu neigt, über eine gewisse Grenze hinaus anzusteigen oder auch abzusinken, kann die Menge an kaltem Reaktionsgas, welches durch das Rohr 24 eingeführt wird, nach Bedarf geändert werden, um die Temperatur konstant zu halten.

Der für die Ammoniaksynthese verwendete Katalysator besteht aus Eisen mit geringen Zusätzen aktivierender und stabilisierender Substanzen. Der Katalysator wird als Eisenoxyd in den Konverter eingefüllt und muß vor dem Zustandekommen der Ammoniaksynthese reduziert werden. Die Reduktion wird ausgeführt durch Erhitzen des Katalysators auf 400 bis 500° C in einem Strom von Wasserstoff oder eines wasserstoffhaltigen Gasgemisches, beispielsweise des normalen Ammoniaksynthesegases. Während der Reduktion wird Wasser gebildet, das durch den Gasstrom aus dem Konverter herausgeführt wird.

Eine angemessene Reduktion ist für eine hohe Wirksamkeit des Katalysators wesentlich. In diesem

Zusammenhang sind insbesondere die folgenden Punkte von Wichtigkeit.

1. Der reduzierte Katalysator erleidet durch die Berührung mit Wasserdampf in gewissem Umfange Schaden, wohingegen der Katalysator die Einwirkung von Wasserdampf recht gut aushält, solange sich derselbe im Zustande des Oxyds befindet. Es ist daher von Vorteil, wenn die Reduktion so vorgenommen wird, daß dieselbe in der Hauptsache vom Eintritt des Gases bis zum Austritt des Gases aus der Katalysator-Schicht fortschreitet, da der während der Reduktion entwickelte Wasserdampf dann hauptsächlich nur mit dem unreduzierten Katalysator in Berührung kommt.

2. Während der Reduktion ist es vorteilhaft, im Katalysator eine möglichst hohe Gasgeschwindigkeit *5 zu haben. Dadurch wird nicht nur der Gehalt des Gases an Wasserdampf niedrig gehalten, sondern es hat sich weiterhin erwiesen, daß eine hohe Gasgeschwindigkeit an sich die Reduktion günstig beeinflußt und schneller gestaltet. Eine hohe Gasgeschwindigkeit bewirkt auch ein gleichmäßiges Erhitzen der inneren Bestandteile des Konverters, was vom mechanischen Standpunkt aus gesehen von Wichtigkeit ist.

Bei der hier dargestellten Ausführungsform befinden sich die Rohrheizkörper in den Korbaustauscher rohr en 32 in einer Anzahl von beispielsweise sechzig. Da jeder der Rohrheizkörper 37 in der Form einer Anzahl von Haarnadelschleifen angeordnet ist, die sich abwärts und aufwärts durch jedes der Korbaustauscherrohre 32 in einer gewünschten Länge derselben erstrecken, sollen die Heizkörper mindestens je 25 m lang sein, wodurch man mittels einiger weniger Heizkörper Haarnadelbogen für alle Rohre bekommt. Bei der dargestellten Ausführungsform kann jeder Heizkörper zwölf solcher Schleifen bilden, wodurch die Anzahl der Anschlüsse und Durchführungen durch die Wandung des Hochdruckbehälters entsprechend herabgesetzt wird.

Die Schleifen der Rohrheizkörper 37 sind in Fig. 6 dargestellt, und zwar von oben in dieKorbaustauscherrohre 32 eingesetzt. In der Mitte eines jeden Rohres 32 befindet sich ein rohrförmiges Füllstück 38, das gleichachsig bzw. konzentrisch zu dem Rohr 32 angeordnet ist und rundherum einen Ringraum 39 für den Gasstrom frei läßt, der am unteren Ende des Rohres 32 eintritt und nahe dem oberen Ende durch die oberen Öffnungen 40 oberhalb der oberen Oberfläche 35 der Katalysatorschicht austritt. In das obere Ende jedes Korbaustauscherrohres 32 wird ein Kopfstück 41 mit den Aussparungen 42 zur Aufnahme der Rohrheizkörperteile 37 sowie mit einem zentralen Ansatz 43 zur Führung des Füllstückes 38 eingesetzt. Das Kopfstück kann mit dem Füllstück sowie mit dem Rohr 32 in irgendeiner geeigneten Weise verbunden werden, so z. B. durch Verschrauben, Verschweißen usw. Das untere Ende des Füllstückes 38 ist ausgespart zur Aufnahme des Verbindungsteiles der beiden Schleifenzweige des Rohrheizkörpers 37, so daß die Wärmeausdehnung desselben frei erfolgen kann.- In geeigneten Abständen längs der Oberfläche des Füll-Stückes 38 sind Ansätze 44 vorgesehen, welche den Heizkörper 37 in der richtigen Lage innerhalb des Rohres 32 halten.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Enden jedes Rohrheizkörpers so geformt, daß sie Expansionsbogen 45 bilden, und zwar innerhalb des oberen Raumes des Katalysatorkorbes. Mittels Durchführungen 46 in dem Korbdeckel sind diese Expansionsbogen an die Enden eines Heizkörpers angeschlossen, der zu einer Anzahl benachbarter Rohre 32 gehört. In entsprechender Weise befinden sich Expansionsbogen in dem oberen Raum des Hochdruckbehälters sowie in dem Deckel 20 desselben die Durchführungen 48. Jede dieser Durchführungen kann aus Metall bestehen; sie wird abgedichtet, indem man den die Kabelenden umgebenden Raum mit einer geeigneten Legierung ausfüllt.

Durch die beschriebene Anordnung wird die Notwendigkeit einer außerhalb angeordneten und an den Konverter angeschlossenen Heizvorrichtung vermieden. Im Anfahrstadium besteht keine Gefahr, daß untere Schichten des Katalysators vor den oberen Schichten reduziert werden; vielmehr geht die Reduktion abwärts und gleichmäßig durch die ganze Katalysatormasse hindurch vor sich. Die Heizvorrichtung kann für verschiedene Leistungen ausgelegt werden, ohne daß man nötig hätte, den Rauminhalt des Hochdruckbehälters beträchtlich zu erhöhen, da der Wärmeübergang durch die beträchtliche Oberfläche der Umlaufrohre verbessert wird durch die erhöhte Gasgeschwindigkeit, die dadurch gesichert bleibt, daß die Mitte der Korbaustauscherrohre mit den Füllstücken ausgefüllt ist. Im Falle von Störungen während des normalen Betriebes kann das Aufheizen sehr rasch erfolgen. Die Rohrheizkörper können — wie bereits oben erklärt wurde — gegen eine Wärmeüberlastung durch ein den Heizstrom überwachendes Minimalstromrelais geschützt werden. Die Heizkörper werden weder durch gegebenenfalls in der Atmosphäre des Reaktionsgefäßes des Ofens vorhandenen Eisenstaub noch durch irgendeinen anderen Staub geschädigt.

Claims (4)

PatentanspeücHE:

1. Elektrisch beheizter Ofen bzw. Reaktionsgefäß für in zwangläufigem Durchsatz oder Umlauf durch- bzw. eingeleitete Reaktions- oder Heizgase mit elektrischen Rohrheizkörpern, die einen kupfernen Heizleiter und einen die isolierende Einbettungsmasse des Heizleiters umgebenden Kupferrohrmantel aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferrohrmantel als Innenmantel ausgebildet und zusätzlich mit einem an sich bekannten Mantel aus hitzebeständigem Werkstoff als Außenmantel nach Doubleart umgeben ist und daß jeder der im Ofen angeordneten Rohrheizkörper, deren Länge jeweils ein Mehrfaches der Länge der Heizrohre ist, durch die das Heiz- oder Reaktionsgas hindurchströmt, nacheinander durch mehrere dieser Heizrohre haarnadelförmig hindurchgeführt ist.

2. Ofen gemäß Anspruch 1, wobei das Erhitzen unter Hochdruck stattfindet und der Raum, in welchem die hohe Temperatur herrscht, von einem Innenmantel oder Korb innerhalb eines Hochdruckbehälters umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dicht durch die Wandungen des Innenmantels oder Korbes sowie durch die Wandung des Hochdruckbehälters herausgeführten Enden der Rohrheizkörper in den Räumen zwischen diesen Wandungen Dehnungsschleifen aufweisen.

3. Ofen gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdurchtritt durch die Rohre einen ringförmigen Querschnitt hat und eine Anzahl gerader Rohrheizkörper enthält, die in der Strömungsrichtung angeordnet sind, wobei die einzelnen Längen Teile einer oder mehrerer Schleifen ■bilden.

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4. Ofen bzw. Reaktionsgefäß gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Einschalten eines den Heizstrom der Rohrheizkörper überwachenden Minimalstromrelais in den Stromkreis.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 436 009;

Druckschrift der Firmen Elektrobaiu Leicht und Trambauer, K.G. in Pfungstadt beim Darmstadt: »Eltra-Heizstäbe«, aus dem Jahre 1940.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen