DE1667036A1

DE1667036A1 - Verfahren und Vorrichtung zum direkten elektrischen Erhitzen von Gasen oder gasfoermigen Stoffen

Info

Publication number: DE1667036A1
Application number: DE19671667036
Authority: DE
Inventors: Karl Dr Braendle; Karl Dipl-Ing Engel; Walter Weidmann; Hans Dr Zirngibl
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1967-01-02
Filing date: 1967-01-02
Publication date: 1971-05-27
Also published as: ES348818A1; BE708796A; NL6717491A; CH503515A; US3497674A; AT277404B; GB1215140A; NO125306B; FR1554917A

Description

FARBENFABRIKEN ^ LEVERKUSEN-Bayerwerk MT/K PATENT-ABTEILUNG

Verfahren und Vorricntung zum direkten elektrischen Erhitzen von Gasen oder gasförmigen Stoffen

Die- -^ri'iii-Iung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum direkten elektrischen Erhitzen von Gasen oder gasförmigen Stoffen, z. J. Däupfen unter Verwendung eines feuerfest und isoliert ausgemauerten Reaktors. Die direkte elektrische Aufheizung von Gasen usv/. erfolgt häufig mittels stab- oder röhrenförmiger V/iderstandsneizelernente, wobei das zu erhitzende Gas um oder durch dieselben strömt. Diese Vorrichtungen haben den Nachteil, daß die Wärmeaustauschflachen stets verhältnismäßig gering sind, das Verfahren also praktisch nur mit solchen Gasen durchführbar ist, die Strahlung aufnehmen. Große Wärmeübertragflächen sind dagegen erreichbar, wenn man elektrisch beheizte Fließ- oder //irbelbetten benutzt, die aus Kohle oder Graphit bzw, seinen Gemischen mit inerten Granalien als Bettmaterial oder auu Jc tuitt gütern aus Kohle, Koks, Graphit u. a. die so zwischen üiloktroden plaziert sind, daß das Gas durch das elektrisch beheizte Jonüttgut aufsteigen muß.

beiden letztgenannten Verfahren haben aber auch Nachteile. 'joLm elektrisch beheizten Fließbett erfolgt ein beträchtlicher Abrieb des hott matt; riain, und es rauß der heizvorrichtung eine

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geheizte Gasreinigung nachgeschaltet werden. Die Abriebverluste sind hoch, ganz besonders dann, wenn Kohle im Gemiseb mit wesentlich härterem Inertmaterial verwendet wird. Dazu kommt; noch, daß man bezüglich der durchzusetzenden Gasmengen gebunden ist, denn ein Fließbett ist bei gegebenen Dimensionen nicht universell einsetzbar, vielmehr muß das Bett den Reaktionsbedingungen jeweils genau angepaßt werden.

Das Schuttbett mit grobstückigem Kohle- bzw. Graphitmaterial wendet man vorzugsweise bei größeren Dimensionen an. Geht man zu kleineren Reaktorgrößen über, dann muß,um weiterhin eine hohe Wärmeaustauschfläche zu haben, ebenso die Teilchengröße des Schüttgutes verringert werden. Das hat zur Folge, daß zumindest beim Betrieb mit Gasströmung von unten nach oben die Partikel des Schüttgutes nicht mehr fest und unbeweglich aufeinanderliegen, sondern schon bei verhältnismäßig niedrigen Gasgeschwindigkeiten sich lockern und gegeneinander bewegen. Bei einer angenommenen Verwendung von Graphitkugeln von 10 mm Durchmesser und einer Gastemperatur von 700⁰C würde die "Lockerungsgeschwindigkeit" bei Stickstoff 4,5m/sec, bei Chlor 5,0 m/sec und bei Metallchloriddämpfen noch weniger betragen, wobei unter "Lockerungsgeschwindigkeit" die Gasgeschwindigkeit, gerechnet für das leere Rohr, zu verstehen ist, bei der sich das Schüttgut zu lockern und zu bewegen beginnt.

Man sieht, daß die Lockerung des Gutes schon bei verhältnismäßig geringen Geschwindigkeiten erfolgt. Tritt dieser Zustand

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ein, dann geht natürlich ein ausreichender Eontakt verloren und die Folge sind Lichtbögen, die zu erheblichen Störungen führen können. Treten die Lichtbogen in Wandnähe auf, so kann das Wandmaterial anfangen zu schmelzen, was zu Verkrustungen des Schüttmaterials und Verschlechterung des Stromdurchganges fü'rt. Durch Überhitzung infolge von Lichtbogen sind auch chemische Reaktionen zwischen dem keramischen Material der Ausmauerung und der Kohle bzw. dem Graphit möglich. Handelt es sich um siliziumdioxidhaltiges Material, so kann beispielsweise Reduktion zum SiO erfolgen, das an kälteren Stellen des Bettes wieder disproportioniert. Dabei entsteht dann ein SiOp-Überzug auf der Kohle, und der Stromdurchgang wird mehr und mehr verschlechtert, was dann in vermehrtem Umfang zu Überschlagen führt. Schließlich kommt der Stromfluß gänzlich zum Erliegen, oder der G-asdurchgang wird infolge der Yerkrustungen außerordentlich erschwert; beides zwingt zum häufigen Unterbrechen der Reaktion.

Es wurde nun gefunden, daß sich Gase, oder gasförmige Stoffe, wie beispielsweise Dämpfe, direkt elektrisch erhitzen lassen, indem die Gase oder gasförmigen Stoffe erfindungsgemäß durch ein Schüttbett geleitet werden, welches durch eigenen Stromtransport sowie durch die Wärmeleitung und Strahlung eines vom Schüttbett umschlossenen Widerstandsheiaelementee aufgeheizt wird und die Wärmeübertragung auf das Gas Bum größten Teil über das Schüttbett erfolgt. Damit wird ein störungsfreier Wärmeübergang im Schüttbett erzielt trotz Verwendung von kleinstückigem Schüttmaterial zum Erreichen einer großen Wärmeaus-

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tauschfläche sogar bei Gasführung von unten nach oben. Außerdem vermeidet die Erfindung Kontaktschwierigkeiten innerhalb des > Bettes, so daß keine Lichtbögen auftreten und oder überhitzte Stellen im Bett entstehen. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bedient man sich eines isoliert und feuerfest ausgemauerten Reaktors, zwischen dessen Gaseinlaß- und -auslaßöffnungen ein Schüttbett aus Kohle, ,Graphit oder ähnlichem leitenden Material angeordnet ist und mindestens ein elektrisches HeizMLderstandelement umschließt, das mit Stromanschlüssen versehen ist. Das Heizwiderstandsheizelement ist in vorteilhafter Weise zwischen zwei Elektroden eingespannt, wobei wenigstens eine derselben beweglich gelagert ist und einen elastischen Stromanschluß aufweist.

Da der Stromdurchgang durch den Einbau des HelstrlderetAnd»!·· mentes gesichert ist, kann das Schüttbett aus Partikeln beliebiger Größe bestehen. Es ist nicht mehr nötig, daß sie vermittels ihres Eigengewichtes fest aufeinanderliegen und Kontakt vermitteln, vielmehr können die Partikel so klein gehalten werden, daß das aufzuheizende Gas nahe an die Lockerungsgeschwindigkeit herankommt. Diese freie Wahl der Größe der Bettpartikel hat ganz entscheidende Vorteile. Gtobrauoht man Graphit oder ein ähnliches Material als Schüttbett, so werden diese auf Grund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit neben einem gewissen Strahlungsanteil einen großen Teil der im H*iiwfcft#rfttandelement freigesetzten Wärme in das Bett abführen, und dort kann die Wärme an das Gas abgegeben werden, da im Bett eine große Wärme-

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Übertraglingsfläche zur Verfügung steht. Durch die weitgehend freie Wahl in der Größe der Bettpartikel hat man auch die Möglichkeit, bei vorgegebener Reaktordimension die Wärmeübertragungsfläche durch Variation der Korngröße in einem weiten Bereich zu verändern. Dieser !Tatbestand ist ganz besonders wichtig, wenn es darum geht, Gase aufzuheizen, die selbst keine Strahlung aufnehmen, denn dann ist die Wärmeübertragungsfläche für einen ausreichenden Wärmeübergang entscheidend. Die Wärme wird allerdings nicht ausschließlich im Widerstandsheizelement erzeugt; das Bett übernimmt ebenfalls einen Stromtransport und heizt sich damit auch selbst auf. Der Anteil des Stromes, der über das Bett geleitet wird, kann z. B. ein Drittel sein. Um Wärmedehnungen des eingespannten Heizwiderstandselementes auszugleichen, ist dafür Sorge getragen, daß sich das zwischen zwei Elektroden eingespannte Widerstandsheizelement gegen das Schuttbett und damit gegen den Reaktor verschieben kann; indem wenigstens eine der Elektroden beweglich gelagert und mit einem elastischen Stromanschluß versehen ist. Die Erfindung bringt noch einen weiteren Vorteil mit sich. Da durch das Widerstandsheizelement der Stromdurchgang immer gewährleistet und eine dichte Packung der Bettpartikel, so daß sie sich nicht mehr bewegen können, nicht notwendig ist, kann man die beschriebene Vorrichtung beliebig im Räume anordnen; sie kann von oben nach unten sowie von unten nach oben oder aber auch horizontal betrieben werden.

Das Verfahren eignet sich zur Aufheizung verschiedenster Gase, wie Stickstoff, Chlor, Wasserstoff oder Metall- und Halbmetallhalogenide, wie z. B. Siliciumtetrachlorid, Titantetrachlorid

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Aluminiumchlorid und andere. Insbesondere eignet sich das Verfahren für Gase, die selbst keine Strahlung aufnehmen, wobei aber die Erfindung nicht auf letztgenannte Gase beschränkt sein soll. Das Widerstandsheizelement kann aus den verschiedensten Materialien gefertigt sein. Es können z. B. Verwendung finden: Metalle oder Verbundwerkstoffe mit Metallen, Kohle, Graphit, Carbide und ähnliches, leitendes Material. Die Materialien müssen in ihrer Auswahl abgestimmt sein auf die aufzuheizenden Gase und müssen bei den herrschenden Semperaturen dem Rohr- bzw. Stabmaterial gegenüber inert sein. Die Ausmauerung des Reaktors muß ebenfalls -so gewählt werden, daß die aufzuheizenden Stoffe dagegen inert sind. Geeignet sind z. B. oxidische oder silikatische Materialien, SiO₂, Al₂O₅, Mullit, Steatit oder Graphit. In einer Zeichnung sei das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung an einem AuBfÜhrungsbeispiel erläutertr.

Die Erhitzungazone besteht aus einem zylindrischen Metallmantel 1, der mit einer feuerfesten 2 nntf gtner isolierenden Ausmauerung 3 versehen ist. Darin befindet sich das Schutt bett 4 aus Graphit, Kohle oder dergl. das ein Widerstands-Heizelement 5 umschließt, das beidseitig mit den Elektroden 6 und 7 fest verbunden ist. Während die Elektrode 7 starr eingesetzt ist, ist die Elektrode 6 beweglich angeordnet, um die Wärmedehnungen beim Betrieb auszugleichen. Die Dehnung wird von der elastischen Stromführung 8 aufgenommen, die ihrerseits fest mit den isoliert durch das Gehäuse geführten Doppelelektroden9 verbunden ist. Die Zuführung des zu erhitzenden Gases erfolgt durch den Stutzen 10; das heiße Gas tritt bei 11 wieder aus. Der Hauptteil der Elektrode 6, die elastische Strom-

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führung 8, die isoliert hindurchgeführte Elektrode 9 und die Gaszuführung 10 sind in dem erweiterten Teil 12 der Vorrichtung angeordnet. Dieser Teil bleibt verhältnismäßig kalt und kann allein aus einem gegenüber den aufzuheizenden Gasen resistenten Metall gefertigt sein.'

Am Ende der Heizzone befindet sich ein perforierter Graphitring 1p, der das Schüttmaterial zurückhält und durch den das aufgeheizte Gas durchtritt. Gegenüber dem Gasaustritt 11 befindet sich noch ein Stutzen 14» durch, den bei Bedarf noch ein anderes Gas zugemischt werden kann. Eine perforierte Platte 15 hält das Schuttbett fest; sie hat innen eine Bohrung, durch die der Widerstandsstab hindurchgeht. Diese Platte gewährleistet eine ungehinderte Bewegung von Stab 5 und Elektrode 6 gegenüber dem Bett 4.

Die Vorrichtung kann mit Gleich- oder Wechselstrom betrieben werden; in beiden Fällen kann das Gehäuse einpolig geerdet sein. Wählt man Gleichstrombetrieb, so werden vorzugsweise die Elektroden 6 und 9 sowie die elastische Stromführung 8, die vorteilhaft aus einer Litze oder aus gefalteten Metallbändern gefertigt ist, die spannungsführenden Teile sein. Die Elektrode 7 ist dann leitend mit dem Gehäuse verbunden, das seinerseits geerdet ist. Wählt man Wechselstrom und will vermeiden, daß das Gehäuse Spannung führt, λ
Gehäuse geführt.

Spannung führt, wird die Elektrode ebenfalls isoliert durch das

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Claims

I b b 7 Ü 3 6 Patentansprüche o

1. Verfahren zum direkten elektrischen Erhitzen von Gasen oder gasförmigen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase oder gasförmigen Stoffe durch ein Schüttbett geleitet werden, welches

durch eigenen Stromtransport sowie durch die Wärmeleitung und Strahlung eines vom Schuttbett umschlossenen ffolzwid«r*t*nd·!·· mentes aufgeheizt wird und die Wärmeübertragung auf das Gas zum größten Teil über das Schuttbett erfolgt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens unter Verwendung eines feuerfest und isoliert ausgemauerten Reaktors, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Reaktors zwischen Gaseinlaß- (10) und -auslaßöffnungen (11) ein Schüttbett (4) aus Kohle, Graphit oder ähnlich leitendem Material angeordnet ist und mindestens ein Heizwiderstandselement umschließt, das mit Stromanschlüssen (6,7) versehen 1st.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizwiderstandselement (5) ewischen zwei Elektroden (6,7) eingespannt ist, wobei wenigstens eine (6) derselben beweglich gelagert ist und mit einem elastischen Stromanschluß (8) versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß

Stab oder das Heizwiderstandselement (5) aus einem/Rohr aus Kohle, Graphit,

Carbiden oder ähnlich gegenüber den Gasen inertem Material besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Materials des Schüttbettes (4) unterschiedlich ist.

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