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Verfahren zur Ausführung chemischer Reaktionen und physikalischer Prozesse bei hohen Temperaturen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausführung chemischer Reaktionen und physikalischer
Prozesse bei hohen Temperaturen und umfasst weiterhin auch einen zur Ausübung dieses Verfahrens geeigneten Ofen. Gemäss der Erfindung wird es möglich, chemische und physikalische Prozesse, insbesondere stark endothermische Prozesse in praktisch einwandfreier Weise ohne Anwendung der sonst üblichen, zwischen Beschickung und Heizquelle angeordneten Muffel-oder Retortenwand zu verwirklichen, indem das zu behandelnde Material der Einwirkung strahlender Wärme in einem Flammofen unter Zwischenschaltung einer Gasschicht ausgesetzt wird, welche den Prozess nicht stört oder ihn fördert und die Flammengase von der Beschickung fernhält.
Das neue Verfahren kann in der Weise ausgeführt werden, dass verhältnismässig kalte Heizgase über der Beschickung in den Flammofen eingeleitet und wenigstens zum Teil durch Einführung von Luft in dem übrigen Ofenraum zur Verbrennung gebracht werden. An Stelle von kalten Heizgasen können auch Gase beliebiger chemischer Natur unmittelbar über der Beschickung zugeleitet und die zur Heizung nötigen Gase weiter oberhalb dem Ofenraum zugeführt werden. Die flüchtigen Reaktionsprodukte können erfindungsgemäss durch den durchlässigen Herd nach unten abgeführt werden. Das neue Verfahren kann zur Ausführung der verschiedensten chemisehenReaktionenundphysikalischenProzessemitErfolg verwendet werden, so z.
B. zur Herstellung von Cyanverbindungen oder zur Erhitzung reduzierbarer, in Hitze flüchtiger Metalle mit kohlehaltigen Stoffen, zur Erzeugung von Wassergas und anderer brennbarer Gase, zum Brennen von Kalk und zur Führung ähnlicher Dissoziationen, zum Schmelzen von Bohr-und Drehspänen und ähnlichen stark wärmezehrend verlaufenden Prozessen. Ein zur Ausübung des neuen Verfahrens geeigneter Ofen wird nach der Erfindung dadurch, erhalten, dass ein Flammenraum in möglichst technischer Annäherung an den Kirchhoff'schen schwarzen Körper als Höhlung gestaltet ist und die dauernd erzeugte Wärme an einer offenen Stelle vorzugsweise an der Unterseite abliefert.
Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 und 2 im Querschnitt und Längsschnitt einen zur Ausübung des neuen Verfahrens geeigneten Flammofen in einem Ausführungsbeispiel, dessen Beschreibung die Einzelheiten auch des Verfahrens näher erkennen lässt.
Unter dem Ofengewölbe 1 ist der Rost 2 angeordnet, auf dem z. B. bei der Stickstoffbindung eine Kohlebeschickung aufgebracht wird, der Soda zugemischt oder als besondere Schicht überlagert ist. Diese Beschickung gibt in der Hitze und bei Gegenwart von Stickstoff Kohlenoxyd und Natriumzyanid in Dampfform nach der Gleichung
Na, C03 + 4 C + N2 = 2 Na C N + 3 CO.
Die Erzeugung dieser wertvollen Abgase kostet aber 200. 000-300. 000 Wärmeeinheiten für das Kilogramm Äquivalent. Man beurteilt diesen Wärmebedarf, wenn man bedenkt, dass das gewöhnliche Feuer mit idealem Kohlenstoff bei der Verbrennung zu Kohlensäure nur 97.000 Wärmeeinheiten und bei Verbrennung zu Kohlenoxyd, welche hier chemisch einzig eiwägbar ist, nur 29.000 Wärmeeinheiten liefert.
Erfindungsgemäss wird die Beschickung nun dadurch dauernd heiss gehalten, dass sie mit Wärme bestrahlt wird. Zu diesem Zwecke wird durch die zweckmässig regelbaren Öffnungen 3 Generatorgas zugeführt, während durch die feuerfesten Steine des Gewölbes 1, die mit feinen Kanälen versehen sein können, Luft in der erforderlichen Menge eingepresst wird. Dann kommt das Gewölbe in hohe Glut und seine Hitze und mehr noch die Hitze der Luftflammen wird auf den Rost gestrahlt. Durch den Gasinhalt des Ofens wird auf dem gewöhnlichen Wege der Leitung keine Wärme übertragen, da die Verbrennungs-
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sich an der Beschickung des Rostes erwärmt, zieht man mit den Reaktionsprodukten nach unten ab, wofür die Abzugskanäle 6 mit den verstellbaren Drosselorganen 7 unter dem Rost 2 vorgesehen sind.
Ausserdem ist der ganze Ofen 1 gasdicht in die Blechhülle 24 eingebaut und sein oberer Teil, an dem der Luftzutritt durch die Öffnung 25 zur Brockenschicbt 22 stattfindet, ist durch die gasdichte Einlage 5, die durch ein Winkeleisen gebildet sein kann, von dem unteren Teil getrennt. Gibt man der zutretenden Luft den höchsten im Ofen vorkommenden Druck und den Heizgasen eine geringere Pressung und stellt die Füchse 4 und die Drosselorgan2-7 auf eine geeignete Abflusswirkung ein, so arbeitet die Einrichtung dauernd wie jeder andere Ofen. Der nach unten strömende Zweig des Abgasestromes tritt erheblich gekühlt durch den Rost" wenn die. Beschickung hoch genug ist.
Der Ofen kann nóéh mit Beschickungslochern und mit ReinigungsöffnÍ1ngen 9 sowie mit Schaulöchern und mit Wil1derhitzungîn üblicher Weise ausgestaltet sein : Auch kann dei'Rost'zwecks leichterer Schlackenentfernung beweglich ausgebildet sein.
Auch können die wärmeliefernden Brennfläche dadurch vergrössert werden, dass, wie Fig. 3 und 4 zeigt, in den Ofen 1 Querwände 10 eingebaut sind, die noch in Säulen 11 unterteilt sein können. Die Querwände bzw. Säulen sind an ihrer Oberfläche mit kleinen Kanälen versehen, die mit einem nach der eingepressten Heizluft mündenden Kanal 12 in Verbindung stehen und den Lufteintritt nach dem Ofeninneren gestatten. Für die Beschickung mit Soda kann ein besonderer Streuwagen 13 innerhalb des Ofens verschiebbar angeordnet sein, der durch irgendein geeignetes Triebwerk, z. B. periodisch über die Kohlebesehieküng des Rostes 1 hingeführt wird und etwa ähnlich wie eine Düngerstreumaschine eine Streuvorrichtung 14 für das Sodapulver trägt.
Die Räder des Wagens 13 und die dazugehörigen Laufschienen liegen ausserhalb der Bestrahlung, indem sie in lauerausschnitten 15 untergebracht sind.
In den verhältnismässig langen Ruhepausen, in denen nicht gestreut wird, steht der Wagen 13 in einer seitlichen Kammer 16, die mit einer durch einen Trichter angedeuteten Einfüllvorrichtung 17 versehen ist. Statt unter Verwendung eines Wagens kann natürlich die Sodabeschickung auch durch Einspritzen, z. B. mittels Düsen oder durch Einschaufeln von Hand oder sonstwie erfolgen.
Um die Bildung einer praktisch gasdichten Masse, wie sie beim Aufbringen der Äquivalente Soda und Kohle in fertigem Gemisch auf dem Herd entsteht, zu vermeiden, ist es erforderlich, die Soda in beschränkter. aufsaugbarer Menge auf einen Kohleübersehuss aufzubringen. Die durch die Abzugkanäle 6 abgeführten dampfförmigen Zyanverbindungen können in üblicher Weise weiterverarbeitet werden, indem sie durch Behandlung mit Wasserstaub in Ammoniak übergeführt werden.
Es wird auf diese Weise möglich. mit dem Stickstoff der Luft und dem gebundenen Wasserstoff des Wassers und durch Heizung mit billigsten Braun-und Steinkohlengasen Ammoniak für landwirtschaftliche und technische Zwecke zu erhalten, während bekannte Verfahren in ihrem Erfolg von der Verwendung von reinem Stickstoff und von reinem Wasserstoff oder von teurer Elektrizität aus kostspieligen Anlagen abhängig sind.
Ausser zur Herstellung von Zyanverbindungen ist das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung auch für andere chemische Prozesse brauchbar. Zunächst kann man das Gemisch aus Soda und Kohle ohne Stickstoffzufuhr bestrahlen, wodurch man Natrium erhält, wenn für geeignete Kondensation gesorgt wird. Geeignet für die bekanntlich schwierige Natriumkondensation ist eine Ausbildung des Rostes zu einer Reihe hochkant gestellter Platten mit innerer Wasserkühlung. Die Platten kann man in eine Sperrflüssigkeit eintauchen lassen, in welcher sich das herabrinnende Natrium sammelt.
Statt Natrium aus Soda kann man auch andere flüchtige Metalle aus ihren reduzierbaren Verbindungen gewinnen. Lässt man bei der Kohlebeschickung reduzierbare Zusätze überhaupt weg, so gewinnt man Leuchtgas, wobei man für den Dauerbetrieb für passende Ausstossung des Koks zu sorgen hat. Gibt man Wasserdampf oder Wasser auf den Kohlenstoff, so ergibt sich Wassergas. Dabei ist ein Dauerbetrieb möglich, der nicht wie bei der gebräuchlichen Wassergasdarstellung durch immer wiederholte Aufheizung, die nur für Minutenfrist vorhält, unterbrochen wird. Ausserdem ist das Wassergas bei höchster und daher günstigster Temperatur erzeugt. Man kann den technisch noch unveiwirklichten Vorgang
C + H, 0 == CO + H, rein führen. Umgekehrt kann auch der kalte Wassergasprozess
C + 2 H.
O == 2 H + CO, bei niederster Temperatur geführt werden, was z. B. für die Gewinnung von Wasserstoff wichtig ist.
Wasserdampf ist bekanntlich leichter als Luft und die Betrachtung der Forderung, dass er auf der heissen Beschickung liegen und dort nach unten strömen soll, lässt ein Merkmal der neuen Heizung gut erkennen. Das Molekulargewicht der Luft (4 Nz + O2) beträgt rund 29. Ein ideales Generatorgas von 331/3% CO und 66%% ni hätte das Molekulargewicht 28 und ein ideales Schornsteingas von 20% COz und 80% Nz das Molekulargewicht von nahezu 31. Kalte Heizgase unter eine brennende Zone zu legen, ist bei der Wassergasbereitung nicht vorausgesetzt ; es liegt eben Wasserdampf auf der Beschickung und Heizgase und Luft können in den Brennraum nebeneinander oder schon gemischt eingeführt werden.
Das Gasgemisch im Brennraum kann man dann mit einem Molekulargewicht von rund 30 ansetzen.
Die Temperatur im Flammenraum ist reichlich 1700 C = 2000 absolut und die Temperatur des Wasser-
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schwarze Körper behandelt werden. Dann ist die Strahlung zwischen Herd und dem Flammenraum nach Stefan'sgesetz ç (Tl 4 - T24) wo ( ; eine Konstante ist und Ti und T2 die absoluten Temperaturen an den Strahlenenden bezeichnen. Die Konstante bedeutet 0-046 Millionstel Kalorien für 1 m2 in der Stunde. Die übergehende Wärmemenge beträgt bei dem gewählten Beispiel, wenn für den Koks 1400 absolut angenommen werden, rund 560.000 Kalorien in der Stunde für 1 m2.
Dieser Heizraum muss, um die erforderliche grosse Wärmemenge auszustrahlen, gross sein und deshalb ist der Ofen zweckmässig hoch auszuführen. Fig. 5 zeigt diese Bauart, bei welcher das Gewölbe 1 als langgestreckte Kuppel ausgebildet ist. Man könnte den Verbrennungsraum auch verbreitern, was für die Strahlungsenergie von gleicher Wirkung wäre ; aber die Strahlungsrichtung würde in diesem Falle ungünstig und die Streuung würde vermehrt. Zur Vermeidung des Steineinbaues kann man die nötige Luft, wie Fig. 5 erkennen lässt, statt in hohlen Säulen in hängenden Röhren 18 aus einer Masse mit Zugfestigkeit z.
B. aus Schmelztiegelmasse zuführen. Diese Röhren, die am oberen Gewölbeteil1 ? z. B. mittels Flanschen aufgehängt sind, müssen nur bei sehr grosser Höhe auch unten gestützt werden, z. B. durch einen Bogen 19 aus Chamottesteinen oder, wenn die Vermeidung der Beschattung erwünscht ist, aus einem gekühlten Rohr. Die Röhren 18 sind mit passenden Löchern in entsprechender Zahl für den Austritt der Luft nach dem Verbrennungsraum versehen.
Man kann auch lange dünne Flammenstrahlen im gänzlich freien Ofenraum brennen, wenn man von unten Luft mittels doppelwandiger Kühlrohre mit Düsen oder aus einem Bogen von langmuffigen Tonröhren einspritzt. Die Fig. 6 zeigt eine solche Bauart. Im unteren Teil des Ofengewölbes 1 ist hier ein Rohr 20 aus Ton in Bogenform angeordnet, das aus langmuffig ineinandergesteckten Teilen besteht und mit nach oben mündenden senkrechten Düsen 21 ! oder engen Löchern versehen ist, durch welche hoch-
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schicht 22 noch ein Ofengewölbe 23 als Wärmeschutz. Die Düsen 21 liefern durch Zuführung und Verbrennung von Luft Feuersäulen, welche die festen Wände und Säulen der Fig. 3 und 4 vertreten. Auch die festen Einbauten dienen durchaus nur zur Führung der Luft.
Die Strahlung kommt einfach aus dem heissen Raum, und es wäre ein Irrtum, der glühenden Wand die wesentliche Strahlung zuzuschreiben.
Der Raum strahlt in naturnotwendiger Betätigung seines Temperaturzustandes, und die Wand strahlt mit als Grenze des Raumes.
Durch diese Strahlcnheizung ist ein neues technisches Hilfsmittel gewonnen. Die Vorrichtung hiefür lässt sich nach den verschiedenen Zwecken und Bedingungen in verschiedener Weise formen und es lassen sich vielerlei Zwecke damit erreichen, die von der Stickstoffbindung, der die neue Heizungsart zunächst dient, chemisch zwar abliegen, aber physikalisch und heitzungstechl1isch gleichartig damit sind. Es lassen sich ohne weiteres eine Reihe von verschiedenen Reaktionen und auch von nur physikalischen Arbeiten angeben, die mit dem neuen Heizungsverfahren technisch besser oder überhaupt erst durchführbar werden.
Man denke an das Kalkbrennen. Mit dem neuen Heitzverfahren bekommt man neben reinem Kalk wertvolle stickstoffreie Kohlensäure für die Technik, aus bitumenfreiem Kalk geniessbare Kohlensäure.
Die gleichzeitige Anwendung von Wasserdampf setzt die Brenntemperatur noch mehr wirtschaftlich herab. Als ein rein physikalischer Anwendungsfall erscheint z. B. die Einschmelzung von Bohr-und Drehspänen auf undurchlässigem Herd. Die chemische Tat ist dabei der Ausschluss der chemischen Wirkung, d. h. der Oxydation, die im Schachtofen eintritt und sonst durch kostspielige Brikettierung bekämpft wird. Die Bildung von Luftflammen, in einer Heizgasatmosphäre ist bei vielen Anwendungen, wie sich schon beim Wassergasverfahren gezeigt hat, nicht Bedingung. Man kann auch gewöhnliche Gasflammen brennen und über die Beschickung Gasschichten ganz beliebiger chemischer Natur legen.
Die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung sind durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht erschöpft. Der Grundgedanke der Erfindung besteht ganz alleigemn darin, die Heizung mittels strahlender Wärme in der Weise zu verwirklichen, dass die strahlende Wärme auf das heisse Gut zur Einwirkung gebracht wird, und dabei eine indifferente oder den Prozess fördernde Gasschicht zwischen Beschickung und Flammengasen liegt.
Dieses Verfahren ist überall da mit Vorteil verwendbar, wo die damit verbundenen günstigen Wirkungen, nämlich die Unabhängigkeit des chemischen oder physikalischen Vorganges und der zu behandelnden Beschickung von der Einwirkung der Verbrennungsgase sowie die Zufuhr grosser Wärmemengen, die Vermeidung eines Wärmeleitungswiderstandes und die Entwicklung hoher Hitzegrade, erwünscht und notwendig ist. Die Zufuhr grosser Wärmemengen, die Erhöhung der Sekundenleistung ist durch das Heizverfahren auch bei Gasen von geringem Brennwert möglich, Die Grenze der Steigerung ist nicht abzusehen, wenn man den Ofcnraum vergrössert, ähnlich wie in den Fig. 5 und 6 angedeutet.
Man hat nur dabei den Wärme durchgang durch die Wand zu verhüten und das geschieht,
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wenn man die Luft, auch vorgehitzte Luft, oder das Gas durch die Ofensteine einpresst. Die Strahlung wird durch den Abstand vom Herd nicht benachteiligt, sie hat im Gegenteil um so geringere Streuung und wird um so mehr parallel wie aus einem Parabolspiegel, je weiterher sie kommt. Ausserdem ist die Entfernung bedeutungslos für eine Energie, welche in der Sekunde 300. 000 ! durcheilt.
Wie die Fig. 7 zeigt, ist das Verfahren nach der Erfindung auch in einem Ofen durchführbar, bei dem die zu behandelnde Beschickung in einer senkrechten Wand angeordnet ist. Der Rost muss hier aus zwei Teilen 30 und 31 bestehen, zwischen denen die Beschickung 32 liegt. Die Fig. 7 zeigt einen Durchschnitt durch einen solchen Ofen, der sowohl in Zylinderform mit kreisförmig geschlossener Beschickung als auch in rechteckiger Form mit zwei gegenüberstehenden Besehickungswänden ausgeführt sein kann. Innerhalb der Beschickungswände brennt in der Mitte die heizende und strahlende Flamme, die vorzugsweise als Luftflamme in einem Gasraum gedacht ist, aber auch eine Gasflamme in einem Luftraum sein kann.
Zwischen der Zone, welche diesen Flammenraum und die diesen speisenden Gase umfasst, und der Zone der Beschickung anderseits kann noch eine Zone von Gasen anderer chemischer
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Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Ofens nach der Erfindung, bei der der Rost aus flachen hochkant gestellten Stäben 40 besteht, die in einem mit einer Sperrflüssigkeit z. B. Petroleum gefüllten Behälter 11 tauchen, der mit einem Auslass 42 versehen ist. Die übrige Anordnung und Ausbildung des Ofens nach Fig. 8 ist die gleiche wie bei dem Ofen nach Fig. 1 und 2. Die gasförmigen Reaktionsprodukte, welche zwischen den Platten 40 des Rostes 2 abströmen und sich kondensieren, sammeln sich in dem Behälter 41 und werden von da abgeleitet, während die Gase durch das Petroleum durchgeführt und abgesaugt werden können. An Stelle von Petroleum kann natürlich auch ein anderes geeignetes Kühlmittel in den Behälter 41 vorgesehen werden.
Die Fig. 9 veranschaulicht die Anwendung eines durch Wassereinspritzung gekühlten Rostes bei einem Ofen nach der Erfindung. Der Rost. 2 besteht hier aus hohlen Stäben 43, die einen nach unten sich verjüngenden Querschnitt besitzen und an den gegenüberliegenden Seitenwänden mit Löchern 44 versehen sind. In die hohlen Roststäbe wird das Kühlmittel z. B. Wasser eingeleitet, das dann durch die Löcher 4.. t in die Zwischenräume zwischen den Roststäben eingespritzt wird. Das zwisehen clen Rost- stäben herabfliessende Reaktionsprodukt wird durch diese Einspritzung eines Kühlmittels gekühlt. Die übrige Ausbildung des Ofens kann z.
B. in der Art der Fig. 1 und 2 oder der übrigen Figuren gewählt sein
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Ausführung chemischer Reaktionen und physikalischer Prozesse bei hohen Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, dass das zu behandelnde Material der Einwirkung strahlender Wärme in einem Flammofen unter Zwischenschaltung einer gasförmigen Schicht ausgesetzt wird, welche die Reaktion oder den Prozess nicht stört oder diese fördert und die Flammengase von der Beschickung fernhält.