<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Erzeugung einer chemischen Reaktion zwischen zwei oder mehr Gasen.
Bei der praktischen Durchführung chemischer Reaktionen zwischen Gasen spielt für die Ökonomie des Verfahrens nicht immer nur die Reaktionsgeschwindigkeit für die Ausbeute an den zu erzielenden Produkten die Hauptrolle, sondern man muss zunächst, nachdem man die räumlich getrennten Gase durch mechanische Durchmischung in kleinere räumliche Teilgebiete zerlegt und dadurch die Gesamtoberfläche der aneinander grenzenden Teilgebiete vergrössert hat, abwarten, bis sich eine mehr oder weniger vollkommene Diffusion je zweier aneinandergrenzender Teilgebiete von verschiedenen Gasen vollzogen hat. Die Diffusion und die Mischung sind für die Ökonomie, mit der eine chemische Reaktion mehrerer Gase betrieben werden kann, mitunter ebenso wichtig wie die chemische Aktivität, mit der die Reaktion vor sich geht.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren, um auf elektrischem Wege nicht nur die grobmechanische Mischung, sondern vor allem auch die Diffusionsgeschwindigkeit derart zu erhöhen, dass bei dem Reaktionsvorgang in derselben Zeit eine erhöhte Ausbeute an Reaktionsprodukten eintritt.
Es ist. um den Erfindungsgedanken von allen formal ähnlichen, aber dem Wesen nach andersartigen abzugrenzen, notwendig, auf die feineren Vorgänge einzugehen, die sich bei jeder chemischen Reaktion zweier Gase zwischen den Molekülen abspielen. Als Beispiel sei die Reaktion zweier Gase A und B herausgegriffen, wobei von vornherein eine bereits vollzogene ideale Diffusion der beiden Gase ineinander angenommen sei. So lange zwei differente Moleküle voneinander entfernt sind, tritt keine chemische Veränderung ein. Aber auch wenn das Molekül A in nächste Nähe des Moleküls B stösst, wird es nur dann nicht weiter reflektiert, sondern bildet mit dem Molekül B zusammen die Verbindung AB, wenn es eine gewisse Stossenergie überschreitet, die für jede chemische Verbindung eine gegebene Grösse ist.
Da die Stossenergie der Teilchen nur durch die mittlere Temperatur und durch die den Wahrscheinlichkeitsregeln folgenden Verteilungen der Stossenergien auf die einzelnen Moleküle gegeben ist, so tritt bei einem gewissen Bruchteil der aufeinanderstossenden Moleküle A und B in einer gewissen Zeit chemische Reaktion ein. Durch die Massnahmen, die dem hier zugrunde gelegten Erfindunggedanken entspringeu, soll an diesen Vorgängen nicht das mindeste geändert werden. Es wird also keine direkte Beeinflussung des chemischen Reaktionsprozesses durch die zugeführte elektrische Energie angestrebt. Dadurch unterscheidet sich das vorliegende Verfahren grundsätzlich von den elektrochemischen Verfahren, bei denen es darauf ankommt, die Stossenergie der Moleküle so zu erhöhen, dass die kritische Schwelle früher als bei der reinen chemischen Reaktion erreicht wird.
Praktisch liegt der Fall aber nicht so, dass, wie im vorhergehenden Beispiel angenommen, eine ideale Diffusion der Reaktionskomponenten in kurzer Zeit auftritt. Auch diese Diffusion vollzieht sich bekanntlich nach statistischen Regeln und kommt durch die mehr oder weniger diffuse Reflektion an den einzelnen Molekülen zustande. Grenzen zwei Teilgebiete M und N mit den Gassorten A bzw. B aneinander, so dauert es eine gewisse Zeit, bis eine mehr oder weniger ideale Diffusion erreicht ist. Die Ausbeute an Reaktionsprodukten, die man in der Zeiteinheit erhält, ist demnach von dieser Diffusionszeit mit abhängig. Die Erfindung betrifft nun in ihrem prinzipiellen Teil ein Verfahren, durch das es ermöglicht wird, diese Diffusionszeit ganz erheblich abzukürzen.
Es unterscheidet sich daher nicht nur hinsichtlich der Anwendung
<Desc/Clms Page number 2>
elektrischer Energie von andern Vorschlägen, die sich darauf beziehen, eine möglichst gute mechanische Durchwirbelung der chemisch aufeinander reagierenden Gase zu. erzielen ; denn wie stark man auch diese Durchwirbelung vornimmt, so wird doch nur eine Aufspaltung der räumlichen Gebiete M und N in einzelne sehr kleine Teilgebiete erfolgen können, wobei aber jedes einzelne Teilgebiet naturgemäss immer noch aus einer ungeheuer grossen Anzahl von Molekülen vornehmlich einer und derselben Sorte A bzw. B bestehen kann.
Im Gegensatz dazu bezieht sich das Verfahren nach der Erfindung bereits auf die kleineren Teilgebiete, mit ändern Worten, die bekannten Verfahren bewirken eine Oberflächenvergrösserung der zur Diffusion zu bringenden Gassorten, das hier beschriebene Verfahren jedoch eine Beschleunigung der gegenseitigen Geschwindigkeiten der Moleküle durch diese Grenzflächen hindurch. Dabei mag es als ein besonderer Vorteil gelten, dass man mit ihr gleichzeitig auch die oben erwähnte Grobaufspaltung grösserer Gebiete in kleinere Teilgebiete, also eine Oberflächenvergrösserung erreichen kann.
Für die Ausübung des Verfahrens notwendig ist die Einführung oder Bildung von Elektrizitäts- trägern oder geladenen Schwebekörpern in eines oder in mehrere der zur gegenseitigen Reaktion zu bringenden Gase. Wie diese Einführung oder Bildung erfolgt, soll später beschrieben werden.
Die zweite notwendige Massnahme ist die Erzeugung eines elektrostatischen Feldes im Innern des Reaktionsraumes, das den Zweck haben soll, elektrische Anziehungs-oder Abstossungskräfte auf die geladenen Schwebekörper, z. B. Ionen auszuüben, derart, dass sich diese in ihrer Gesamtheit mit einer mittleren Geschwindigkeit in der Richtung des Feldes bewegen, die grösser ist, als die mittlere Geschwindigkeit der in derselben Richtung genommenen Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit des betreffenden Gases an derselben Stelle. Hat man es z. B. mit einem ruhenden Gas zu tun, das zwischen zwei Plattenelektroden eingeschlossen ist, so werden die geladenen Körper durch die ruhende Gasmasse hindurch von der einen Elektrode quer zur anderen getrieben.
Es werden aber dabei den hydrodynamischen Grundgesetzen zufolge
EMI2.1
von den Schwebekörpern mit einer mehr oder weniger grossen Geschwindigkeit mitgerissen.
Denkt man sich nun zwei aneinandergrenzende, zur chemischen Reaktion zu bringende Gasschichten und in beiden derartige Elektrizitätsträger oder Schwebekörper verteilt, so wird offenbar dann die Diffusionsgeschwindigkeit der beiden Gase ineinander erhöht, wenn die Geschwindigkeit, die in den beiden Gasen durch das Mitreissen der Elektrizitätsträger oder Schwebekörper erzielt wird, verschieden gross ist. An der Grenze der beiden Schichten ist dann der Gleichgewichtszustand gestört und wirkt sich im Sinne einer Diffusionsvermehrung aus.
Selbstverständlich kann man aber nunmehr die Anordnungen so wählen, dass die eben erwähnte Relativgeschwindigkeit der beiden Gase sehr stark erhöht wird. Das kann auf sehr verschiedene Weise geschehen, entweder dass man die Zahl der eingebrachten oder erzeugten
EMI2.2
vermehrt oder indem man die Anordnung der Elektroden so wählt, dass in dem einen Gas eine höhere Feldstärke entsteht als in dem andern oder indem man die auf den Schwebekörperu sitzende Ladung für das eine Gas mehr verstärkt als für das andere u. dgl. mehr. Man wird auch das Verfahren besonders gut dort anwenden können, wo sich die Gase hinsichtlich ihrer Viskosität mehr oder weniger voneinander unterscheiden. Dann ist bei gleicher Kraft und gleicher Ladung die Geschwindigkeit der Teilchen im viskosere Mittel geringer als im weniger viskosen.
Die Herstellung eines elektrischen Feldes innerhalb eines Gases kann in bekannter Weise erfolgen, ebenso die Erzeugung der Elektrizitätsträger oder Schwebekörper in den Gasen. Dabei kann man sie entweder den reagierenden Gasen selbst unmittelbar zuführen oder ein Hilfsgas, z. B. Luft, benutzen, das den reagierenden Gasen zugemischt wird. Als Schwebekörper oder Elektrizitätsträger eignen sich besonders durch Düsen eingespritzte geladene Flüssigkeiten, aber auch feiner geladener Staub, ganz besonders aber Ionen. Die Ionen können auch dazu dienen, mittelbar die feinen eingespritzten flüssigen oder festen Schwebeteilchen im Gas selbst (auch im Hilfsgas) in derselben Art aufzuladen, wie dies z. B. bei der elektrischen Gasreinigung geschieht.
Die Erzeugung dieser Ionen im Gas oder im Hilfsgas kann nach allen bekannten Arten geschehen, z. B. durch primäre oder sekundäre Einwirkung von Röntgenstrahlen, ultravioletten Strahlen, Radiumstrahlen u. a. Da man aber für das vorliegende Verfahren ohnedies ein elektrisches Feld benötigt, das mitunter die Anwendung hoher Spannungen fordert, so ist zunächst die bequemste Art zur Erzeugung solcher Ionen die Anwendung der Stossionisation.
Im einfachsten Fall genügt eine Spitze und eine ihr entgegengehaltene Platte zur Erzeugung einer grossen Anzahl von Ionen, u. zw. direkt in den reagierenden Gasen oder im Hilfsgas.
Einige Ausführungsbeispiele mögen nunmehr näher die praktische Anwendung des Verfahrens erläutern.
In Fig. 1 und 2 bedeuten 1 den Eintritt des Gases A in den Reaktionsraum, 2 den des mit dem Gase A zur Reaktion zu bringenden Gases B. Die Strömungsrichtung der beiden Gase ist durch Pfeile angedeutet, wobei die Durchkrenzung an der Stelle 3 anzeigen soll, dass
<Desc/Clms Page number 3>
es in diesem mittleren Teile bereits zu einer teilweisen Durchmischung der beiden Gase gekommen ist. Die beiden Rohre 1 und 2 von z. B. rechteckiger Querschnittsorm (Fig. 2) münden in einen Raum 4, dessen Begrenzungswände 5, 5, 5, 5 aus Isoliermaterial bestehen.
Das Gas A habe in diesem Fall eine geringere Viskosität als das Gas B. Während sich nun die Vorder- und Rückwand 5' und 5''' aus Isoliermaterial auch nach oben hin weiter fortsetzt, sind die beiden Begrenzungswände 5 und 511 von der Stelle 6 bzw. 6'' ab durch Elektrodenplatten 7, 7" aus leitendem Stoff ersetzt (Fig. 1). Der Raum also, in dem die Diffusion durch elektrische Kräfte erhöht werden soll. wird von den Elektrodenplatten 7, 7" und von den
EMI3.1
blech.
Eine ausserhalb des Gasweges angebrachte Röntgenröhre 8, die in bekannter Weise betrieben werden kann, was in der Figur nicht besonders angegeben ist, bestrahlt in einem Strahlenkegel 9 durch die Aluminiumelektrode 711 hindurch den Hauptteil des Gases, wobei infolge der Absorption und der Dichtigkeit der Strahlung in der Nähe der Aluminiumplatte das Gas A gegenüber dem Gas B bevorzugt ist.
Durch diese Strahlung werden im Gase Ionen verschiedenen Vorzeichens gebildet, deren Dichte in der Nähe der Aluminiumplatte 7'' gross ist und in Richtung gegen die zweite Elektrode 7 abnimmt. Wird nun mit Hilfe der Zuleitungen und 11 an die Elektrode 7'' ein negatives. an die andere Elektrode 7 ein positives Potential angelegt. so werden die vorwiegend ans dem Gase.
S kommenden positiven Gasionen gegen die Elektrode 7". die vorwiegend aus dem Gase A kommenden negativen Gasionen gegen die Elektrode 7 zugetrieben, während die positiven Ionen des Gases A und die negativen Ionen des Gases B vorwiegend an die Elektroden 7" bzw. 7 angezogen werden, so dass im Laufe des Gasweges der mittlere Teil des Gasraumes immer mehr von den positiven Ionen des Gases A und von den negativen Ionen des Gases B befreit ist.
während die aufeinander zueilenden und die Oberflächengrenzen der beiden Gase gegenseitig durchdringenden negativen Ionen des Gases A und die positiven Ionen des Gases B die natürliche, an der Oberflächengrenze herrschende Diffusion erhöhen ; diese Erhöhung kommt ganz besonders wirksam auch dadurch zustande, dass in jenem mittleren Gasquerschnitt die in Richtung von der Elektrode 7" zu 7 wandernden Gasionen von A'mit neutralen Molekülen von A zusammenstossen, diese
EMI3.2
denen die Gase A und B aneinander stossen, soweit sich diese Grenzflächen nicht in der Nähe der Elektroden 7 oder 7"befinden.
Mit zunehmender gegenseitiger Diffusion geht nunmehr eine rapide chemische Reaktion der beiden Gase A und B zu dem zu erzielenden Produkte AB vor sich. Die Reaktionsprodukte, die aus dem Raum-L8 entweichen, können dann in bekannter
EMI3.3
Richtung zur Elektrode 7 wandern, gefördert, was ebenfalls die Diffusion von A in B begünstigt.
Es ist ohne weiteres klar, dass man die beiden Elektroden erst eine zeitlang mit derjenigen Polarität betreiben kann, wie es bisher angenommen worden ist und dann eine zeitlang in der entgegengesetzten Weise und so fort. Es hängt von den gewählten Dimensionen, von der Viskosität der beiden Gase und von der Geschwindigkeit der Strömung ab, in welchen Zeiträumen man die Polarität mit Vorteil wechseln kann. In vielen Fällen wird man die Anordnung so treffen können, dass Wechselstrom der üblichen Periodenzahl zur Anwendung kommen kann. Dasselbe gilt auch für die folgenden Beispiele.
Ein zweites Beispiel der grossen Fülle von Möglichkeiten ist durch Fig. 3 verdeutlicht.
Hier werden die Gase A, B, C und D durch die Düsen 13, 14, 15, 16 im Raum 17 sehr stark durchmischt, so dass sie sich in kleine Teilgebiete, die mit grosser Oberfläche aneinandergrenzen. auflösen. Ein mit feinen suspendierten Staubteilchen beladenes Hilfsgas. z. B. Luft, strömt durch die Öffnung 18 in einen Behälter 19, wobei sich die Staubteilchen in bekannter Weise dadurch stark aufladen, dass zwischen den Wandungen 20 des Gefässes und einer in der Mitte durch die Durchführungsisolatoren 21 vom Gefäss isoliert ausgespannten, z. B. aus einem Draht bestehenden Sprühelektrode 22 eine so hohe elektrische Gleichspannung gelegt wird, dass sich ein Koronaeffekt an der Sprühelektrode 22 ausbilden kann.
Das mit dem geladenen Staubteilchen behaftete Hilfsgas wird ebenfalls durch eine Düse 23 den Gasen A, B, C und D beigemischt. In den Reaktionsraum 24 hinein ragt eine Elektrode 25, die man, wo es erforderlich, ebenfalls als sprühende Elektrode ausbilden kann, um im gegebenen Falle den Effekt noch zu vergrössern. Sie ist an den beiden Stützisolatoren. 26, 27 angebracht.
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
des Gases C und die Teilgebiete 33 und 34 aus dem mit geladenen Staub angefüllten Hilfsgas bestehen. Die Pfeilrichtung ist die radiale Richtung von der Elektrode, 25 zur Wandung des Reaktionsgefässes 24 der Fig. 3.
Es ist aus Fig. 4 ohne weiteres ersichtlich, dass die in Richtung der Pfeile wandernden geladenen Staubteilchen in die Gebiete 30, 32 und 29 eindringen und die Moleküle des Hilfsgases sowohl als auch die der übrigen Gase in der Pfeilrichtung mitreissen, wobei je nach der Viskosität der verschiedenen Gasgeschwindigkeit Differenzen auftreten und eine innige Diffusion aller Gase erzeugt wird. Dadurch wird wieder die chemische Reaktion beschleunigt. Die Ausführung nach Fig. 3 hat, falls man die Elektrode 25 als Sprüh- draht ausbildet, noch den weiteren Vorzug, dass sie die grobe Durchmischung der einzelnen Gassorten, die auch ohne Einführung des Hilfsgases durch den elektrischen Wind entstehen würde stark vermehrt, so dass die mittlere Grösse der einzelnen Teilgebiete (in Fig. 4 z.
B. 30, 31, 32, 33, 34) sehr viel kleiner, die Gesamtheit der Grenzflächen also stark vermehrt wird und daher der oben beschriebene Effekt der Diffusionsvermehrung sich noch stärker auswirken kann. Darüber hinaus ist aber noch der weitere Vorteil zu verzeichnen, dass etwa sich bildende flüssige oder feste Reaktionsprodukte in bekannter Weise an die nichtsprühende Elektrode geworfen werden, sich dort abscheiden und mit Hilfe bekannter Einrichtungen als kompaktes flüssiges oder festes Material gesammelt werden können.
Bildet man in Fig. 3 die Elektrode 25 als Sprühelektrode aus, so werden in den sie umgebenden Gasen Ionen ein und derselben Polarität gebildet. Es ist dann mitunter gar nicht notwendig, ein mit geladenen Staubteilchen oder Flüssigkeitsteilchen beschwertes Hilfsgas zu verwenden. Das wird aus Fig. 5 klar, in der die der Fig. 4 entsprechenden Teilgebiete nicht nur die Moleküle der betreffenden zur Reaktion zu bringenden Gase, sondern auch die mit kleinen Kreuzchen bezeichneten Ionen derselben Gase enthalten. Auch hier bewegen sich sämtliche Ionen in radialer Richtung im Sinne der Pfeile : Diese Ionen reissen die entsprechenden neutralen Moleküle in derselben Richtung mit sich, so dass jedes Gebiet eine gewisse Gesamtgeschwindigkeit annimmt, die aber infolge der Viskosität, der lonenzahl usw. in den verschiedenen Teilgebieten verschieden gross ist.
Daher kann die mittlere Geschwindigkeit, z. B. des Teilgebietes 35, hinter der mittleren Geschwindigkeit des Teilgebietes 36 zurückbleiben, d. h. es tritt eine Diffusionserhöhung in der Grenze zwischen 35 und 36 auf.
Während und nach vollständig vollzogener Diffusion erfolgt die chemische Reaktion, die, wie bereits beschrieben, zu einem festen oder flüssigen Produkt führen kann, das von den weiterhin gebildeten Ionen geladen, sich an der Wandung des Reaktionsgefässes ansetzt und dort gesammelt wird.
Das Verfahren eignet sich insbesondere für den Fall, dass eines oder mehrere der zugeführten Gase inert sind, sich also nur eine teilweise chemische Reaktion innerhalb von inerten Gasen abspielt. Für viele solche Reaktionen kann die Luft als inertes Gas angesehen werden.
Das beschriebene Verfahren kann für alle chemischen Reaktionen in Gasen sinngemäss Verwendung finden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur molekularen Durchmischung von Gasen, die ohne Zuhilfenahme von elektrischen Entladungen chemisch aufeinander reagieren, dadurch gekennzeichnet, dass Elektrizitätsträger in an sich bekannter Weise in das eine oder andere Gas oder alle Gase eingebracht und dabei den elektrischen Anziehungs-und Abstossungskräften eines elektrostatistischen Gleichspannungsfeldes unterworfen werden.