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Verfahren zur Herstellung eines Katalysators, insbesondere für die Erzeugung von synthetischem Ammoniak.
Für die Herstellung von Eisenkatalysatoren für die Synthese des Ammoniaks aus seinen Elementen benutzte man bisher als Ausgangsmaterial reines oder Handelseisen. Es wurde auch vorgeschlagen, Eisenoxyde, beispielsweise Magnetit, zu verwenden, welche zuvor auf etwa 10000 C zu erhitzen waren, weil es sich ergeben haben soll, dass Magnetit nach dem Erhitzen einen besseren Katalysator lieferte.
Die Eisenkatalysatoren, welche aus den in dieser Weise behandelten Eisenoxyden oder aus dem Magnetit bereitet worden sind, haben bei ihrer technischen Anwendung Nachteile gezeigt, wahrscheinlich, weil die Oxyde durch eine einfache Erhitzung auf gegen 10000 C nicht genÜgend gereinigt wurden.
Es wurde nun gefunden, dass ein sehr guter Katalysator erhalten wird, wenn man Eisenoxyde nebst Oxyden der Metalle der Eisenfamilie mit bestimmten Mengen von Stoffen in Sauerstoff erhitzt, welche eine höhere Verbrennungswärme haben als Eisen, so dass die Masse durch die bei der Oxydation freiwerdende Wärme auf eine Temperatur sehr nahe der Siedetemperatur gebracht werden kann. Bei der sehr hohen erreichten Temperatur werden die in den verwendeten Oxyden anwesenden und für die Ammoniaksynthese schädlichen Verunreinigungen, nebst einer gewissen Menge Eisenoxyd verflüchtigt, während gleichzeitig die dünnflüssige oxydische Masse vollkommen homogen wird.
Die zu verwendenden Oxyde können natürliche oder künstliche Eisenoxyde sein, welche mit natürlichen oder künstlichen Oxyden anderer geeigneter Metalle vermischt sein können ; wie z. B. manganhaltige Eisenoxyde, Titanhämatit, Chromeisenstein, Wolframit u. a. m. Als Stoffe, welche durch ihre hohe Verbrennungswärme die Schmelzung und die starke Erhitzung der Massen herbeiführen sollen und welche deshalb als Heizstoffe zu betrachten sind, kann man Magnesium, Aluminium, Kalzium, Silizium,
Kohle, ausserdem die Silizide des Kalziums, des Magnesiums, des Mangans und endlich auch einige Ferrolegierungen, wie hochprozentiges Ferrosilizium, Ferrotitan, Ferromangan anwenden.
Man wird gewöhnlich nicht bloss den einen oder den andern der angeführten Heizstoffe benutzen, sondern gleichzeitig einige derselben, u. zw. wird die Wahl durch ein gewisses Kriterium geleitet, da man durch das hier beschriebene Verfahren nicht bloss eine Reinigung der Masse erreichen, sondern auch in die geschmolzene Masse des Eisenoxyduloxydes eine gewisse Menge von Oxyden homogen einverleiben will, welche durch Wasserstoff nicht reduziert werden und welche, wahrscheinlich durch Vergrösserung der Eisenoberfläche die katalytische Wirkung des Eisens vermehren.
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Bei dem hier beschriebenen Verfahren dagegen verwendet man als hauptsächliche Ausgangsmaterial Eisenoxyde, allenfalls zusammen mit andern verwandten Oxyden, also Stoffe, welche in der folgenden Behandlung mit komprimiertem überschüssigem Sauerstoff gar nicht zur Erhöhung der Temperatur beitragen, sondern für ihre Erwärmung und Schmelzung Wärme verbrauchen. Die nötige Wärme, um die Masse zu schmelzen und auf eine der Siedetemperatur sehr nahe Temperatur zu bringen. wird durch die Verbrennung von Zusätzen geliefert, die eine höhere Verbrennungswärme haben als Eisen und deshalb als Heizstoffe in geringen Mengen verwendet werden können.
Wenn man z. B. zu 17cg Magnetit, 54-2 Aluminium, 24-4 Magnesium, 24'2 Kalziumsilixid mischt und in Sauerstoff verbrennt,. so findet eine Wärmeentwicklung von rund 748. 500 Grammkalorien
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das Schmelzen der Reaktionsprodukte nötige Wärmemenge kann gegen 400. 000 Grammkalorien berechnet werden ; die Differenz dient zur Erhöhung der Temperatur der Masse. Die geschmolzene Masse, die. man. so erhält, wird etwa 15-16% von durch Wasserstoff nicht reduzierbaren Oxyden (MgO, AIOg, SiOs, CaO) enthalten. Eine viel grössere Menge unreduzierbarer Oxyde als die oben angegebene zu verwenden, ist nicht vorteilhaft, weil mit der Zunahme der Oxydmenge natürlich die Menge des Eisens, d. h. des Katalysators abnimmt.
Da die katalytische Wirkung der Menge und der Oberfläche des Katalysators proportional ist, muss man experimentell ein Optimum suchen.
Zur Ausführung der Operation verfährt man z. B. wie folgt :
Auf dem Boden eines zylindrischen feuerfesten Tiegels wird eine Schicht aus einer Mischung von pulverigem Eisenoxyd und kalziniertem Dolomit gestampft. Man stellt in den Tiegel lotrecht einen Zylinder aus dünnen Metallblech und presst obige Mischung auch in den Raum zwischen der Wand des Zylinders und jener des Tiegels ein. Der Zylinder wird alsdann mit der Reaktionsmischung beschickt, diese zuerst an einer Stelle durch eine Stichflamme erhitzt und darauf wird ein starker Sauerstoffstrahl einwirkengelassen.
Hiedurch verbreitet sich die Reaktion durch die ganze Menge hindurch, zunächst erfolgt ein Schmelzen, dann ein heftiges Sieden ; Oxyddämpfe werden aus der Masse ausgestossen.. Man lässt den Sauerstoff auf die geschmolzene Masse so lange einwirken, bis sie infolge der Abkühlung breiartig wird. Nach dem Erkalten wird die Masse in Stücke gebrochen, durch Wasserstoff oder durch die Wasserstoff-Stickstoffmischung reduziert und als Katalysator verwendet.