Aluminiumoxidrohre und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft gasdichte Rohre aus Aluminiumoxid-Keramik. Gasdichte Keramikrohre werden eingesetzt, um beim BMA-Prozeß bei hohen Temperaturen ein Gemisch von Methan und Ammoniak katalytisch in Blausäure und Wasserstoff umzuwandeln (vgl. Chemie-Technik 1978, S. 231). Die Umsetzung erfolgt an einem Platinkatalysator, der auf der Innenseite eines Aluminiumoxidrohres aufgetragen ist. Die Rohre sind im Inneren einer Brennkammer aufgehängt und werden auf etwa 1250°C gehalten.

Die verwendeten Rohre sollten gasdicht und gegen hohe Temperaturen beständig sein. Ferner sollten sie an der Innenseite die erforderliche Menge Platin pro Flächeneinheit aufnehmen können. Die Beschichtung eines Aluminiumoxid-Kontaktrohres mit einer Platinlösung wird in Beispiel 1 der DBP 30 34 957 beschrieben. Die Herstellung von Aluminiumoxidrohren, die für den BMA-Prozeß verwendbar sind und die den Wirkstoffklassen KER 70δ und KER 710 nach DIN 40.685 zuzuordnen sind, ist seit langem Stand der Technik. Ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten Al2θ3~Roh en mit erhöhter Rauhigkeit der Innenseite wurde in DE 37 34 914 vorgeschlagen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Rohre aus

Aluminiumoxid-Keramik bereitzustellen, die bedingt durch eine veränderte Geometrie, zu einer Verbesserung der Reaktionsausbeute des BMA-Prozesses führen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich beim BMA-Verfahren eine verbesserte Durchmischung der Reaktionsgase in höheren Reaktionsausbeuten bemerkbar macht. Dies beruht vermutlich auf einer Störung der laminaren Strömung im Katalysatorrohr.

Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung eines gasdichten Aluminiumoxidrohres gefunden, das zur Durchführung katalytischer Hochtemperaturreaktionen geeignet ist, wobei man Aluminiumoxid-Pulver mit Wasser, einem Bindemittel und mit einem Plastifiziermittel versetzt, das Gemisch durch Strangziehen zu einem zylinderförmigen Grünkörper verformt, man das zylindrische Rohr bei ca. 1740°C durehsintert und man gegebenenfalls das gesinterte Rohr mit einer Lösung tränkt, die katalytisch wirksame Metallionen enthält, mit der Maßgabe, daß man bezogen auf die Längsrichtung den zylindrischen Grünkörper nach dem Strangziehen an mindestens zwei Stellen so verformt, daß der ehemals runde Querschnitt des Rohres etwa die Form einer Ellipse annimmt. Figur 1 zeigt das Rohr (1) im Längsschnitt. Es ist zu erkennen, daß die Wand (2) des Rohres an mehreren Stellen eingedrückt ist. Dabei wird der Durchmesser des zylinderförmigen Rohres bis auf den kleinen Ellipsendurchmesser (5) verengt. Senkrecht dazu kommt es gleichzeitig zu einer Ausweitung des Rohres bis zum großen Ellipsendurchmesser. Der Grad der Verwirbelung des durch das Rohr strömenden Gases nimmt mit zunehmender Anzahl der Querschnittsveränderungen, d.h. der von außen aufgebrachten Verformungen(4), zu, so daß für praktische Zwecke an 5 bis 50, bevorzugt an 10 bis 30, insbesondere bevorzugt an 20 bis 25 Stellen, bezogen auf eine Länge von 1 m, der Querschnitt bis auf den kleinen Ellipsendurchmesser 5 verengt wird. Figur 2 zeigt den zylindrischen Teil im Querschnitt, Figur 3 zeigt einen Schnitt in Höhe der Verformung III-III und Figur 4 zeigt einen Schnitt in Höhe

IV-IV. Figuren 3 und 4 zeigen die Verformung des kreisförmigen Querschnitts zu einer Ellipse (3).

Die obere Grenze der Anzahl von Verformungen (4) des keramischen Rohres (l)wird nur durch wirtschaftliche

Überlegungen begrenzt. Eine besonders gute Durchmischung der Gase im Rohr läßt sich dadurch erreichen, daß die ellipsenförmigen Querschnittsverengungen jeweils um

• = 90° verdreht zueinander vorgenommen werden (siehe Figur 1 und Figur 4). Der Abstand zwischen zwei Querschnittsverengungen sollte 20 bis 100 mm, vorzugsweise 35 bis 75 mm betragen. Die Verformun (4)des zylindrischen Grünkörpers läßt sich durch zwei gegeneinander wirkende, halbkugelförmige Stempelenden aus Hartgummi, Kunststoff oder Keramik, die einen an den angestrebten Abstand angepaßten Radius von etwa 10 bis 20 mm aufweisen, vornehmen. Vorteilhafterweise wird der Stempel unter Vibration diametral auf den rohrförmigen Grünkörper gedrückt, da das thixotrop erregte keramische Material leichter verformbar ist. Die Verformung des rohrförmigen Grünkörpers erfolgt so, daß im ellipsenförmigen Querschnitt des gebrannten Rohres ein Achsenverhältnis von 1,5 bis 3, vorzugsweise 1,75 bis 2,5 vorliegt. Das Verhältnis Innendurchmesser des gebrannten Rohres (an den nicht verformten Stellen) zum Abstand zweier Verformungen sollte bevorzugt 1 zu 10 bis 1 zu 2 betragen, besonders bevorzugt wird ein Verhältnis von 1 zu 6 bis 1 zu 4.

Die Herstellung von Aluminiumoxidrohren ist seit Jahren bekannt. Beispiele für die Herstellung transparenter Aluminiumoxidrohre finden sich z. B. in DE-0S 32 01 750, DE-0S 28 10 128, US-PS 4 396 595 und in der Europäischen Anmeldung 134 277. Da es im vorliegenden Fall auf eine

Transparenz der Rohre nicht ankommt, kann auf anorganische Dotierstoffe wie Magnesium und Zirkonoxid verzichtet werden. Der Reingehalt des verwendeten Aluminiumoxids sollte im Hinblick auf eine hohe Temperaturbeständigkeit des Rohres mindestens bei 90%, vorzugsweise mindestens bei 95%, liegen. Beste Ergebnisse wurden mit einem Reingehalt von ca. 99% erzielt. Ein günstiges, herkömmliches Herstellungsverfahren von Aluminumoxidrohren besteht im wesentlichen aus folgenden drei Verfahrensschritten:

a) Durch Mahlen von Aluminiumoxid gewinnt man eine wäßrige Aufschlämmung des pulverförmigen Aluminiumoxids.

b) Die wäßrige Aufschlämmung von Stufe a) wird versprüht und das gewonnene Sprühkorn mit Wasser und

Plastifiziermittel versetzt. Das Gemisch wird zu einer plastischen Masse aufgeknetet und diese durch Strangziehen zu einem rohrförmigen Grünkörper verformt.

c) Diese Rohre werden zunächst bei 50°C getrocknet und dann bei etwa 1740°C gebrannt.

Das erste Mahlen von Aluminiumoxid in Schritt a) erfolgt am besten solange, bis beim späteren Brand bei 1740° eine Gasdichtigkeit erreicht werden kann. Dies ist bei mittleren Korndurchmessern unter 15 μm, insbesondere von 2 bis 5 μm der Fall. Das Versprühen in Schritt b) erfolgt vorzugsweise ohne Zusatz eines Bindemittels. Als Plastifiziermittel in Schritt b) werden üblicherweise hochmolekulare organische Verbindungen wie Polyvinylalkohol und/oder Methylcellulose oder wasserlösliche Stärke (Dextrin) verwendet. Die Rohre werden üblicherweise durch Strangziehen verformt; jedoch kann man auch Rohre durch isostatisches Pressen gewinnen, was aber aus Kostengründen unüblich ist. Die in dieser Erfindung beschriebene Verformung des Grünkörpers erfolgt

zwischen den Verfahrensschritten b) und c) und wurde vorhergehend beschrieben. Die Erfindung wird durch das Beispiel näher erläutert.

Beispiel

Aluminiumoxidpulver von 99%iger Reinheit wird durch Naßmahlung in einer Trommelmühle zerkleinert. Der mittlere Korndurchmesser bei dieser Naßmahlung (d,- _Q -Wert) liegt bei 3 μm. Für die Weiterverarbeitung zu Rohren wird die AI2O3 Pulver-Suspension sprühgetrocknet, mit Wasser und einer Plastifiziermasse angeteigt und in einer Vakuumstrangpresse zu Rohren verformt. Die Rohre besitzen dann einen Außendurchmesser von 25,7 mm, einen Innendurchmesser von 19,8 mm und eine Länge von ca. 3000 mm. Das Rohr wird unmittelbar nach dem Strangziehen in der Weise bearbeitet, daß es insgesamt 3 jeweils 58 mm lange, aufeinanderfolgende Verformungen aufweist. Die gesamte Verformungstrecke von 34 x 58 mm = 1972 mm wird dabei so plaziert, daß sie gleichweit von den Rohrenden entfernt, d.h. mittig liegt. Diese Verformungen werden durch halbkugelförmig ausgebildete Stempelenden aus Hartgummi, Kunststoff oder Keramik, die einen Durchmesser von ca. 30 mm besitzen, erzeugt. Dazu werden die Stempel diametral und unter gleichzeitiger Vibration - durch die Vibration läßt sich die Verformung leichter vornehmen - so gegen den Rohrquerschnitt gedrückt, daß der ehemals kreisförmige äußere Querschnitt zu einem ellipsenähnlichen Querschnitt mit den Achsenlängen von 19,8 und 29, 2 mm verformt wird. Diese Verformungen erfolgen jeweils im Abstand von 50 mm und um 90° versetzt. Anschließend wird das Rohr auf bekannte Weise bei 50°C getrocknet und danach bei 1740°C gebrannt. Dabei ergibt sich ein Brennschwund von ca. 14%. Nach dem beiderseitigen Verkürzen des Rohres auf eine Länge von 2100 mm liegt dann eine Ausführung gemäß der Figur vor.

Ein so hergestelltes Rohr ergibt nach der Beschichtung beim BMA-Prozeß eine merklich höhere Ausbeute an Blausäure.