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Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Blausäure aus Ammoniak und niedrigen aliphatischen Kohlenwasserstoffen in elektrischen Lichtbögen
Es ist bekannt, die Synthese bestimmter che- mischer Verbindungen in der Weise durchzu- führen, dass Gase oder Gemische von Gasen quer durch eine elektrische Entladung, z. B. quer durch einen elektrischen Lichtbogen, geleitet werden.
Wegen des geringen Anteils der Ausgangs- stoffe, die tatsächlich einer Synthese unterworfen wird, und wegen der beträchtlichen Zersetzung, welche die bei der Synthese gebildeten Ver- bindungen infolge der hohen Lichtbogentemperatur wieder erleiden, ist die Leistung einer solchen
Einrichtung, d. h. die in der Zeiteinheit erzeugte Menge an Verbindungen, im allgemeinen mässig.
So können insbesondere bei der Synthese von Blausäure aus einem Gemisch von Ammoniak und niedrigen aliphatischen Kohlenwasserstoffen, z. B. Propan, in einem Lichtbogen zwischen zwei unter einer Spannung von 2400 Volt stehenden Elektroden bei einem Elektrodenabstand von 90 mm und einem Leistungsaufwand von 10 kWh je Kilogramm erzeugter Blausäure nicht mehr als 360 g Blausäure je Stunde gewonnen werden.
Die stündliche Ausbeute kann erhöht werden, wenn die Menge der durch den Lichtbogen geleiteten Gase gesteigert und gleichzeitig die Länge des Lichtbogens, u. zw. unter Erhöhung der Betriebsspannung vergrössert wird. So können beispielsweise zwischen zwei unter einer Spannung von 4000 Volt stehenden Elektroden bis 21 cm Elektrodenabstand pro Stunde 1500 g Blausäure erzeugt werden, wobei für die Erzeugung von 1 kg Blausäure nahezu gleich viel Energie verbraucht wird wie beim vorhergehenden Beispiel. Der Abstand der Elektroden kann noch weiter bis auf z. B. 30 cm vergrössert werden, wobei die Speisespannung auf 5000 Volt erhöht werden muss. Es können dann pro Stunde etwa 2 kg Blausäure erzeugt werden, wobei der Verbrauch an elektrischer Energie je Kilogramm erzeugter Blausäure bei ungefähr 10-10, 5 kWh bleibt.
Daraus ergibt sich, dass die je Stunde erzeugte Menge an Blausäure angenähert proportional dem Abstand der Elektroden ist. Der Elektrodenabstand kann aber ohne nachteilige Folgen nicht unbegrenzt vergrössert werden. Bei einer Ver- grösserung des Elektrodenabstandes muss nämlich die Speisespannung entsprechend erhöht werden.
So müssten z. B. zur Erzielung einer Ausbeute in der Grössenordnung von 8kg Blausäure die
Elektroden auf einen Abstand von 1 m gebracht werden, wobei die Speisespannung für den Licht- bogen sehr stark, nämlich bis auf einige
10. 000 Volt, erhöht werden müsste. Dies ist in der Praxis nicht leicht durchführbar und erfordert einen beträchtlichen Kostenaufwand für Isola- tion, Schutzeinrichtungen, Sicherheitsvorkehrun- gen, usw.
Eine Verminderung des Betriebsdruckes in der
Reaktionskammer zwecks Vermeidung des Er- fordernisses einer stark erhöhten Spannung kann nicht in Betracht gezogen werden, weil hiedurch einerseits neue technische Probleme, wie ent- sprechend stärkere, in der Praxis aber nur schwer erreichbare Abdichtung, auftreten würden und weil hiebei anderseits die für die Synthese- vorgänge notwendige Lichtbogenentladung zum Übergang in eine Dunkelentladung neigen würde.
Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, bei Vermeidung der angeführten Nachteile die stündliche Ausbeute an Blausäure in der Reaktionskammer ohne Vergrösserung des Elektrodenabstandes, d. h. ohne Erhöhung der angelegten Spannung, und ohne Herabsetzung des Betriebsdruckes in der Reaktionskammer zu erhöhen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Blausäure aus Ammoniak und niedrigen aliphatischen Kohlenwasserstoffen in elektrischen Lichtbögen ist dadurch gekennzeichnet, dass in einer Reaktionskammer zwei oder mehr von der Sekundärseite eines einzigen Speisetransformators gespeiste Lichtbögen bei einer Spannung von 3000 bis 5000 Volt und einer Stromstärke von 10 bis 15 A je Lichtbogen parallel in einem Abstand betrieben werden, der mindestens so gross ist wie der während des Betriebes eingehaltene Abstand zwischen den beiden Elektroden eines Paares, und dass das in die Reaktionskammer eintretende Gasgemisch der Ausgangsstoffe in eine der Anzahl der Elektrodenpaare entsprechende Anzahl von Teilströmen unterteilt wird,
wobei
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jeder der Teilströme unabhängig von den übrigen
Teilströmen zwischen den Elektroden eines
Paares durchgeleitet und unter einem Druck in der Grössenordnung von 50 mm Hg der Ein- wirkung eines Lichtbogens ausgesetzt wird.
Bei Einhaltung einer Spannung von 3000 bis 5000 Volt und einer Stromstärke von 10 bis 15 A je Lichtbogen und eines Gasdruckes in der Grössenordnung von 50 mm Hg wird ein stabiler Betrieb von zwei oder mehr in Parallel- schaltung von der Sekundärseite eines einzigen
Speisetransformators gespeisten Lichtbögen gewährleistet, wodurch die stündliche Erzeugung an Blausäure entsprechend der Anzahl der betriebenen Lichtbögen vervielfacht wird.
Durch die Einhaltung des gemäss der Erfindung definierten Abstandes und durch die erfindunggemässe Unterteilung des in die Reaktionskammer eintretenden Gasgemisches und die getrennte Durchleitung jedes Teilstromes durch einen Lichtbogen bei Einhaltung eines Druckes in der Grössenordnung von 50 mm Hg wird nicht nur die optimale Menge an Blausäure erzeugt, sondern es werden auch Nebenströmungen der Gase in der Kammer und damit eine teilweise Wiederzersetzung von in einem Lichtbogen erzeugter Blausäure bei Durchgang durch einen andern Lichtbogen vermieden.
Die Erfindung hat auch eine Einrichtung zur Durchführung des erläuterten Verfahren zum Gegenstand, die im wesentlichen gekennzeichnet ist durch eine Reaktionskammer, die zwei oder mebr von der Sekundärseite eines einzigen Trans- formators gespeiste Elektrodenpaare und einen
Kasten enthält, in den das zu behandelnde Gas- gemisch der Ausgangsstoffe einströmt, wobei der
Kasten mit einem Deckel ausgestattet ist, der mit Öffnungen versehen ist, durch welche das zu behandelnde Gasgemisch in Teilströme getrennt wird, von denen jeder zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaares durchströmt.
In dem in der Reaktionskammer angeordneten
Einströmkasten ist vorteilhaft zur Verteilung der
Gasströmungen zwischen der Gaseintrittsmün- dung des Zuleitungsrohres und dem mit Öffnungen versehenen Deckel ein Ablenker ange- ordnet.
Zur Anpassung der Impedanz der Entladungskreise an die sekundärseitige Quellenimpedanz des Transformators während des Zündens der Lichtbögen ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zumindest eine abschaltbare Drossel mit variabler Sättigung vorgesehen und für die gleiche Impedanzanpassung während des Betriebes der Lichtbögen nach Abschaltung der Drossel oder Drosseln variabler Sättigung sind im Sekundärkreis des Transformators feste Drosseln angeordnet.
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Fig. 1 ist das elektrische Schaltschema einer mit Einphasenstrom gespeisten erfindungsgemässen Einrichtung mit zwei Elektrodenpaaren. Die Fig. 2 und 3 zeigen einen Horizontalschnitt nach der Linie II-II in Fig. 3 bzw. einen
Vertikalschnitt nach der Linie III-III in Fig. 2 durch eine gemäss der Erfindung ausgebildete
Reaktionskammer. Fig. 4 ist das elektrische
Schaltschema einer mit Dreiphasenstrom ge- speisten erfindungsgemässen Einrichtung.
In Fig. 1 sind mit Al und Uzi die Klemmen zum
Anschluss der Einrichtung an eine Stromquelle, z. B. an ein Einphasennetz mit 380 Volt, bezeichnet. An dieses Netz ist über ein oder mehrere
Drosseln S mit variabler Sättigung die Primärwicklung eines spannungserhöhenden Transformators T angeschlossen, in dessen Sekundärkreis die Elektroden EI, E"E"E4 liegen. Wie aus Fig. l ersichtlich, ist jedes Elektrodenpaar über eine feste Drossel Li bzw. L2 an die Sekundärseite des Transformators angeschlossen.
Die Drossel S mit variabler Sättigung, deren Aufgabe, wie bereits erwähnt, darin besteht, die variable Impedanz des Entladungskreises im Zeitraum zwischen der Zündung und dem Erreichen des Betriebszustandes des Lichtbogens an die sekundärseitige Quellenimpedanz des Transformators anzupassen, ermöglicht es, bei der Zündung mit einer konstanten Spannung zu arbeiten und überdies die Zündstromstärke in Abhängigkeit von der Gaszufuhr und der Entladungscharakteristik einzuregeln.
Die Anpassung der Impedanz des Entladungskreises durch die Drossel S variabler Sättigung wird grundsätzlich nur während der Inbetriebsetzung der Einrichtung angewendet, wogegen während des normalen Betriebes zwecks Begrenzung der
Energieaufnahme die Impedanzanpassung des
Entladungskreises durch die festen Drosseln Z, j und L2 gewährleistet wird, wobei die Drossel S variabler Sättigung unwirksam gemacht wird.
Bei jedem Elektrodenpaar ist mindestens eine der Elektroden bezüglich der andern beweglich gehaltert.
Bei der Inbetriebsetzung wird die bewegliche Elektrode jedes Paares der zuge- ordneten andern Elektrode genähert, bis der
Lichtbogen zündet, worauf die Elektroden bis zu einem gewünschten Abstand, der auf keinen
Fall grösser als der Abstand zwischen zwei benachbarten Elektrodenpaaren sein soll, vonein- ander entfernt werden. Um einen stabilen Betrieb der Einrichtung zu gewährleisten, müssen die festen Drosseln gleiche Kennlinien haben.
In Fig. 1 sind zwar nur zwei Paare von Elektroden dargestellt, doch können selbstverständlich in der gleichen Reaktionskammer auch mehr als zwei parallelgeschaltete Elektrodenpaare angeordnet sein, wobei ohne Erhöhung der Speisespannung die stündliche Ausbeute proportional der Zahl der Elektrodenpaare vergrössert werden kann. Jedes Elektrodenpaar ist zwecks Impedanzanpassung während des Betriebes mit einer festen Drossel L in Reihe geschaltet.
Nach dem Schema in Fig. 1 liegt die Drossel S mit variabler Sättigung im Primärkreis des Transformators ; sie kann aber selbstverständlich auch im Sekundärkreis des Transformators angeordnet werden, muss aber je nach ihrer An-
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ordnung auf der Niederspannungs- oder Hochspannungsseite entsprechend bemessen werden.
Die in den Fig. 2 und 3 schematisch dargestellte Reaktionskammer nach der Erfindung weist einen Blechkasten mit doppelten Wänden 10 auf, zwischen denen ein Kühlmittel strömen kann. Die Elektroden 11 und 12 sind vorzugsweise schräg zueinander angeordnet, um eine Unstabilität der Entladung zu vermeiden. Die Elektrode 12 ist feststehend, die Elektrode 11 beweglich montiert. Das zweite Paar von Elektroden 11 a, zea ist in gleicher Weise montiert. Die beiden Elektroden 11 und 11 a sind mit einem gemeinsamen, beweglichen Verstellorgan 11 b verbunden, das durch einen Servomechanismus bedient werden kann.
Die quer durch die elektrische Entladung zu leitenden Gase werden in die Reaktionskammer durch eine Leitung 15 eingeführt, die unter einem Ablenker 16 in einen Kasten 17 mündet, dessen Deckel 18 zwei rechteckige Öffnungen 19 und 20 aufweist, von denen jede unter einem Elektrodenpaar angeordnet ist.
Bei grossen Anlagen kann eine Speisung mit Dreiphasenstrom angewendet werden, wobei an jeder Phase eine Reaktionskammer mit mehreren parallelgeschalteten Lichtbögen angeschlossen ist.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solchen Einrichtung mit drei Reaktionskammern 21, 22, 23. In jeder der drei Kammern sind vier
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durch einen Dreiphasentransformator T1. Die
Drosseln Si, , variabler Sättigung sind mit den zugeordneten Sekundärwicklungen des Transformators in Reihe geschaltet und die Speisung jedes Elektrodenpaares erfolgt über eine feste Drossel LI, L2 usw.
Zur Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens sind nachstehend einige Beispiele einer
Synthese von Blausäure aus einem Gemisch von Propan und Ammoniak angeführt.
Bei den Synthesen nach den folgenden Beispielen wurde eine durch einen Einphasentransformator gespeiste Einrichtung gemäss den Fig. 2 und 3 verwendet.
Beispiel 1 : Der Transformator zur Erhöhung der Spannung konnte sekundär eine Leerlaufspannung von 6000 Volt abgeben. Die Gase strömten in die Reaktionskammer unter einem absolutem Druck von 67 mm Hg ein, wobei je Stunde 60001 Ammoniak und 20001 Propan (Literzahlen reduziert auf 0 C und 760 mm Hg) zugeführt wurden. Die Drosseln Li und L2 hatten eine Selbstinduktion von je 0, 54 Henry. Der Transformator nahm primär bei 320 Volt etwa 500 A (40 kW) auf und gab sekundär eine Spannung von 5000 Volt ab. Der Abstand zwischen den Elektroden betrug im Betrieb 30 cm.
Die gleiche Länge hatten auch die Öffnungen 19 und 20, deren Breite 8 cm betrug. Jeder Lichtbogen wurde bei 3300 Volt mit 15 A gespeist.
Die in den beiden Lichtbögen verbrauchte Leistung betrug 34 kW. Mit dieser Einrichtung konnte eine stündliche Ausbeute von 3, 9kg Blausäure erzielt werden. Je Kilogramm erzeugter Blausäure wurden 10, 8 kWh elektrische Energie aus dem Netz aufgenommen und 1, 02 kg Propan und 1, 13 kg Ammoniak (ohne Berücksichtigung des aus den Abgasen wiedergewonnenen Ammoniaks) verbraucht.
Beispiel 2 : Es wurde die gleiche Einrichtung verwendet, doch waren in der Reaktionskammer drei Paare von Elektroden mit einem Abstand von 30 cm angeordnet. Die Gase traten unter einem absoluten Druck von 65 mm Hg durch die unter den Elektrodenpaaren liegenden Zuführungsöffnungen in die Reaktionskammer ein, wobei (gemessen bei 0 C und 760 mm Hg) je Stunde 9000 1 Ammoniak und 30001 Propan zugeführt wurden. Der Transformator nahm primär bei 315 Volt und 730 A eine Leistung von 60 kW aus dem Netz auf und gab eine Sekundärspannung von 5000 Volt ab. Die drei Lichtbögen wurden mit einer Spannung von 3350 Volt je Lichtbogen bei einer Gesamtstromstärke von 43 A und einer Gesamtleistung von 50 kW für alle drei Lichtbögen betrieben. Die stündliche Ausbeute betrug 5, 95 kg Blausäure.
Je Kilogramm erzeugter Blausäure wurden 10, 9 kWh elektrische Energie aus dem Netz aufgenommen und 1 kg
Propan und 1, 12 kg Ammoniak verbraucht.
Beispiel 3 : Es wurde wie in den vorhergehen- den Beispielen verfahren, jedoch waren in der
Reaktionskammer vier Elektrodenpaare in gegen- seitigen Abständen von je 30 cm angeordnet.
Die Elektroden hatten im Betrieb einen gegen- seitigen Abstand von ebenfalls 30 cm. Die Gase traten in die Reaktionskammer unter einem abso- luten Druck von 63 mm Hg ein, wobei je Stunde
12. 0001 Ammoniak und 40001 Propan (gemessen bei 0 C und 760 mm Hg) zugeführt wurden.
Der Transformator nahm primär bei 310 Volt und 980 A aus dem Netz eine Leistung von
80 kW auf und gab sekundär eine Spannung von 5100 Volt ab. Die Spannung an jedem Lichtbogen betrug 3400 Volt. Alle vier Lichtbögen verbrauchten bei einer Gesamtstromaufnahme von 55 A eine Leistung von 65 kW. Je Kilogramm erzeugter Blausäure wurden 10, 6 kWh an elektrischer Energie aus dem Netz aufgenommen und 1 kg Propan und 1, 13 kg Ammoniak verbraucht.
Die Ausbeute betrug 8 kg Blausäure je Stunde.
Wie aus diesen Beispielen ersichtlich ist, soll bei der Synthese von Blausäure in der Reaktionkammer im allgemeinen ein absoluter Druck zwischen 50 und 70 mm Hg herrschen.
Die Erfindung ist mit besonderem Vorteil im Rahmen des im Patent Nr. 201076 beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von Blausäure anwendbar.
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