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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von Reaktionen an gasförmigen, dampfartigen oder feindispersen Stoffen unter dem Einfluss elektrischer Glimmentladungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren und eine Einrichtung zur Durchfüh- rung von Reaktionen an gasförmigen, dampf- artigen oder feindispersen Stoffen unter dem Ein- fluss elektrischer Glimmentladungen in einem
Reaktionsgefäss mit Elektroden, mindestens einer
Zuführungseinrichtung für die Ausgangsstoffe und mindestens einer Gasabsaugeinrichtung.
Es sind bereits verschiedene Verfahren und Einrichtungen dieser Art bekannt, bei denen in einem geeigneten Gefäss zwischen spannungsführenden Elektroden eine Glimmentladung erzeugt wird, die auf einen Gasstrom einwirkt und in diesem Reaktionen verursacht. Bei den bekannten Verfahren dieser Art wirkt.
das elektrische Feld einerseits durch Isolierschichten hindurch, wobei dann der Druck im Reaktionsraum zwar beliebig gewählt aber die Energiedichte der meist an den Oberflächen der Isolierschichten sich bildenden Glimmentladung aus thermischen Gründen nicht über relativ niedrige Werte gesteigert werden kann, anderseits ist bei Entladungsgefässen, in denen sich die spannungführenden Elektroden frei gegenüberstehen, die entstehende Glimmentladung bekannten Gesetzmässigkeiten unterworfen, nach welchen eine Steigerung der Energie der Glimmentladung notwendigerweise eine Druckerhöhung im Entladungsgefäss bedingt, was wiederum in wachsendem Masse eine Konzentration der energiereichen Entladung auf eine, die spannungführenden Teile überziehende Glimmhaut zur Folge hat.
Obwohl also mit wachsendem Druck der Energie-Umsatz auf beträchtliche Werte gesteigert werden kannfalls es gelingt, das Umschlagen der Glimmentladung in eine Bogenentladung zu vermeidenwird die Energie nur in der unmittelbaren Umgebung von Körperoberflächen frei. Bei der Durchführung von Reaktionen an gasförmigen, dampfartigen oder feindispersen Stoffen ist nun das Vorhandensein derartiger am Prozess beteiligter Flächen häufig unerwünscht, jedoch sind einigermassen energiereiche Glimmentladungen im freien Raum zwischen den Elektroden bisher unbekannt.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer derartigen Glimmentladung und betrifft ein Verfahren zur Durchführung von
Reaktionen an gasförmigen, dampfartigen oder feindispersen Stoffen unter dem Einfluss elektrischer Glimmentladungen in einem Reaktions- gefäss mit Elktroden, mindestens einer Gas- absaug- und mindestens einer Zuführungseinrichtung für die zu behandelnden Stoffe. Kenn- zeichnend hiebei ist, dass eine inhomogene Druckverteilung innerhalb des Gefässes herbeigeführt und dabei mindestens eine vorbestimmte Zone höheren Druckes geschaffen wird, innerhalb welcher bis zu 90% des Druckgefälles lokalisiert sind.
Die Energie der elektrischen Gasentladung konzentriert sich weitgehend auf diese Zone. Die Ausgangsstoffe strömen durch diese Zone hindurch und können nur auf diesem Wege in den Bereich niedrigen Druckes gelangen, wobei die zugeführten Stoffmengen eine vorbestimmte Verweilzeit in der genannten Zone aufweisen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens, bestehend aus einem Reaktionsgefäss mit mindestens einer isoliert in dasselbe eingeführten Elektrode, mindestens einem Gaszuführungsorgan in das Gefäss und mindestens einem Gasabführungsorgan aus demselben. Kennzeichnend ist hiebei mindestens ein Zuführungsorgan mit mindestens einer düsenartigen Öffnung, die in den Gefässinnenraum mündet, u. zw. derart, dass sich ein aus der düsenartigen Öffnung austretender Gasstrom mindestens in dem der Öffnung benachbarten Teil im Wirkungsbereich eines zwischen spannungführenden Elektroden herrschenden elektrischen Feldes befindet.
Kennzeichnend ist ferner mindestens ein Abführungsorgan, das mit einer Pumpe verbunden ist und mindestens in dem ihm benachbarten Bereich des Innenraumes des Reaktionsgefässes einen vorbestimmten Unterdruck gewährleistet.
Es erscheint zweckmässig, den in der vorliegenden Beschreibung verwendeten und für das Verständnis der Erfindung entscheidenden Be- griff "inhomogene Druckverteilung" näher zu erläutern.
Nach allgemein herrschender Ansicht existiert in einem Unterdruckraum von normalen, technisch beherrschbaren Abmessungen an jeder Stelle der gleiche Druck. Etwa in den Unterdruckraum in üblicher Weise einströmende Gase erfahren eine
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derart rasche Verbreitung ihrer Moleküle in alle
Raumteile, dass eine Druckdifferenz innerhalb des Unterdruckraumes nicht feststellbar ist.
Es liegen technische Aufgabenstellungen vor, welche eine Einleitung von Gasen in derartige
Unterdruckräume notwendig machen, beispiels- weise bei der Behandlung von Werkstücken in einem Rezipienten unter dem Einfluss einer
Glimmentladung, wobei es bekannt ist, in einzel- nen Fällen durchbohrte oder perforierte Elek- troden zu verwenden, jedoch geschieht dies stets unter Berücksichtigung und auch Ausnützung der Tatsache einer gleichmässigen Druckverteilung innerhalb des Rezipienten.
Aus andern Gebieten der Technik und auch aus der Theorie strömender Gase (Prandtl) ist es bekannt, Gasstrahlen mit Gasgeschwindigkeiten in der Grössenordnung der Schallgeschwindigkeit zu verwenden. Als Beispiel grossen Massstabes sei auf den Betrieb von Düsentriebwerken gegen
Unterdruck (Stratosphäre) hingewiesen.
Es erscheint auf den ersten Blick schwierig,
Zonen erhöhten Druckes innerhalb eines Gefässes für elektrische Gasentladungen zu verwirklichen und betriebsmässig aufrecht zu erhalten. Als dynamisches Problem ist diese Aufgabe bei den in Frage kommenden Unterdrucken gut zu lösen und ist den praktisch interessierenden Werten bezüglich der durchströmenden Menge, Gasgeschwindigkeit, Gasart usw. einwandfrei anzupassen. Als Beispiel sei angeführt, dass ein Gasstrom, der aus einer Düse von 1 mm Durchmesser in ein Entladungsgefäss mit einem in der Technik der Gasentladungen normalen Unterdruck von etwa 5 mm Hg einströmt, zur Aufrechterhaltung dieses Unterdruckes eine Pumpleistung von etwa 400 l/min erfordert, was mit den heute zur Verfügung stehenden technischen Mitteln ohne weiteres erreichbar ist.
Es ist also unter Anwendung der technischen Lehre der vorliegenden Erfindung möglich, mit durchaus tragbarem technischem Aufwand innerhalb eines Gasentladungsgefässes derartige Zonen erhöhten Druckes und damit eine inhomogene Druckverteilung zu erzeugen, während beliebig langer Zeitdauer betriebsmässig aufrecht zu erhalten, sowie zur Durchführung technischer Prozesse unter dem Einfluss einer energiereichen, aus der Glimmentladung hervorgehenden elektrischen Entladung zu verwenden.
Die Erfindung ist nachstehend in einigen Ausführungsbeispielen an Hand der Fig. 1-9 näher beschrieben. Hiebei zeigt :
Fig. 1 ein schematisches Prinzipbild eines Entladungsgefässes zur Durchführung des Verfahrens ; Fig. 2 und 3 je ein Zuführungsorgan in das Reaktionsgefäss, teilweise im Längsschnitt gezeichnet ; Fig. 4 bis 8 je ein weiteres Ausführungsbeispiel eines für das vorliegende Verfahren geeigneten Reaktionsgefässes ; Fig. 9 ein Diagramm des Druckverlaufs und ein Gesamtschema einer beispielsweisen Ausführung der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Ausführungsbeispiel eines Reaktionsge- fässes j ! (aus Isoliermaterial oder aus Metall) zur
Erzeugung einer Entladung gemäss dem vorliegenden Verfahren zeigt die Fig. 1.
Hiebei ragt ein Zuführungsorgan , beispielsweise aus Metall bestehend und mit einer langgestreckten, düsenartigen Öffnung 3 versehen, isoliert in das Gefäss 1 hinein. Ein Gasabsaugorgan 4, hier einfach als Rohrstutzen angedeutet, ist mit einer geeigneten Pumpeinrichtung (nicht gezeichnet) verbunden, so dass im Gefässinnenraum ein Unterdruck erwünschter Grösse hergestellt werden kann. Gegen- über dem metallischen Zuführorgan 2, das über den Anschluss 5 mit dem einen Pol einer Spannungsquelle (nicht gezeichnet) verbunden sei, ist im Gefäss 1 eine Gegenelektrode 6 angeordnet, isoliert durch die Gefässwandung hindurchgeführt und über den Anschluss 7 am anderen Pol der erwähnten Spannungswelle angeschlossen.
Für das vorliegende Verfahren ist ein wesentliches Merkmal, dass innerhalb des Entladunggefässes 1 eine inhomogene Druckverteilung verwirklicht und dabei mindestens eine Zone erhöhten Druckes geschaffen wird. Hiezu wird durch das Absaugorgan 4, unter Bereitstellung einer ausreichenden Pumpleistung der angeschlossenen Pumpeinrichtung, im Reaktionsgefäss 1 ein vorgegebener Unterdruck ? i aufrecht erhalten (wenigstens in der unmittelbaren Umgebung der Mündung des Absaugorganes) und gleichzeitig über die düsenartige Öffnung 3 im Zuführungsorgan ein Gasstrom eingeleitet.
Bei geeigneter Abstimmung des Druckes P 2 an der Mündung der Düse 3, deren lichter Weite und der Pumpleistung am Absaugorgan 4 stellt sich ein stationärer Zustand ein, bei dem im Reaktionsgefäss demnach zwischen der Mündung der Düse 3 und derjenigen des Absaugorganes 4 die Druckdifferenz P-- herrscht. Wie aus der Strömungstheorie für einen aus einer Düse in einen Unterdruckraum eintretenden Gasstrom bekannt, bildet sich anschliessend an die Mündung der Düse 3 eine Zone, in welcher der Druck rasch und nach allen Seiten abfällt, wobei je nach Düsenform die Flächen gleichen Druckes innerhalb dieser Zone verschiedene Gestalt annehmen können.
In Fig. l sind für eine zur Düsenachse rotationssymmetrische Zone erhöhten Druckes derartige Isobaren 8 a, 8 b und 8 c schematisch angedeutet, wobei aber die radiale Ausdehnung der spindelartig geformten Flächen gleichen Druckes, der besseren Deutlichkeit halber, gegenüber der tatsächlichen Gestalt übertrieben ist. Ferner sind aus dem gleichen Grunde die unmittelbar an der Mündung meist entstehenden Verformungen der Zone erhöhten Druckes nicht angegeben.
Breitet sich der Gasstrom im Innenraum des auf konstantem Unterdruck Pi gehaltenen Reaktionsgefässes 1 ungehindert aus, ist also die Sonde 9 ohne Einfluss, dann werden die einander umschliessenden Flächen gleichen Druckes, bei gleichem Druckunterschied zwischen aufeinanderfolgenden Flächen, beispielsweise die Strahlachse
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Raumteile, vielmehr erstreckt sich die eigentliche
Reaktionszone über die ganze Zone erhöhten Druckes und deren unmittelbare Umgebung.
Als Zone erhöhten Druckes wird dabei, wie bereits erwähnt, die an die Düse angrenzende Zone bezeichnet, in der bis zu 900 des Gesamtdruckgefälles lokalisiert sind.
Die Gestalt der Reaktionszone richtet sich weitgehend nach dem räumlichen Verlauf der Flächen 8 jeweils gleichen Druckes, wenngleich die Reaktionszone nicht mit denselben identisch zu sein braucht. Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Entladungsform besteht aber in der relativ scharfen Abgrenzung der Zone hohen Energieumsatzes gegen ihre Umgebung mit nur geringem Energieumsatz.
Diese Eigenart der nach dem vorliegenden Verfahren geschaffenen Reaktionszone, die bei der Durchführung von Reaktionen sehr vorteilhaft ist-wie noch näher beschrieben wird-beruht einerseits auf dem einen exponetiellen Verlauf aufweisenden Druckgefälle vom Inneren zum Rand der Zone erhöhten Druckes und anderseits auf der bekannten Gesetzmässigkeit über die Druckabhängigkeit der Energie von Gasentladungen, nach welcher der Energieumsatz nach einer angenähert kubischen Funktion mit dem Gasdruck steigt.
Die räumliche Gestalt der Flächen 8 gleichen Druckes hängt weitgehend von der Gestalt der Düse 3 und deren Mündung ab, sowie von der Ausströmgeschwindigkeit des Gasstromes aus der Düsenöffnung, also vom Gesamtdruckunterschied -PJ innerhalb des Reaktionsgefässes.
Falls eine hohe Energiekonzentration erwünscht ist, also ein kleines Volumen der Reaktionszone, so empfiehlt sich die Einleitung eines fadenförmigen Gasstrahles in das Reaktionsgefäss. Falls umgekehrt eine Reaktionszone grösserer Aus- dehnung erwünscht ist, kann dieselbe mittels eines kegelförmigen Gasstrahles geschaffen wer- den. Im einen Falle wird die Düse 3 als zylindrische, langgestreckte Bohrung im Zuführungsorgan 2 ausgebildet, im andern Falle wird das Zuführungsorgan 2 entweder mit einem brausenartigen Kopf mit einer Vielzahl einzelner Bohrungen in verschiedenen räumlichen Richtungen oder mit nur einer Düse mit kegelförmigem Strahlaustritt versehen.
Da bei den für technische Anwendungen interessierenden Druckverhältnissen und Düsendimensionen der Gasstrom die Düsenmündung mit einer Geschwindigkeit verlässt, die in der Grössenordnung der Schallgeschwindigkeit liegt und sogar ein Mehrfaches davon betragen kann, ergeben sich jeweils noch anders geformte Druckzonen.
Der in das Reaktionsgefäss eintretende Gasstrom bildet bei freier und ungehinderter Ausbildung eine meist langgestreckte Zone erhöhten Druckes im Anschluss an die Mündung der Düse 3, die allseits an die Umgebung niedrigen Druckes angrenzt.
Bei dieser Gestalt der Zone erhöhten Druckes, etwa wie in Fig. 1 durch die Isobaren 8 a, 8 b und 8 c angedeutet, weist ein längs der Strahlachse sich bewegendes Partikel
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natürlich eine längere Verweilzeit innerhalb der
Zone erhöhten Druckes auf als ein Partikel, das eine gekrümmte Bahn beschreibt und bereits in
Mündungsnähe die Zone erhöhten Druckes verlässt. Falls dies unerwünscht ist, besteht die
Möglichkeit, sowohl die Gestalt der Zone er- höhten Druckes als auch die Verweilzeit des Gas- stromes und seiner Teile durch benachbarte massive Wandungen zu beeinflussen. Beispiels- weise kann durch derartige Wandungen ein langgestreckter Kanal gebildet werden, durch den das Gas hindurchströmt. Der Kanalquerschnitt kann beliebig sein.
Eine beispielsweise Ausführung eines Zu- führungsorganes 2 mit einer zylindrischen Boh- rung als Düse 3 und einem zylindrischen Fort- satz 10 zur Formung der Zone erhöhten Druckes zeigt die Fig. 2 in schematischer Wiedergabe.
Falls erwünscht, können aber auch Wandungen in Gestalt von Prallplatten vorgesehen werden, an denen der Gasstrom umgelenkt wird, wie in
Fig. 3 angedeutet, bei der dem brausenartig aus- gebildeten Kopf 11 des Zuführungsorganes 2 ein
Prallkörper 12 gegenübersteht.
In einem Reaktionsgefäss nach Art von Fig. l wird beispielsweise bei einer Absaugleistung von etwa 400 l/min ein Unterdruck von P i = 20 mm Hg aufrecht erhalten und dabei über eine zylindrische Düse von zirka 1 mm Durchmesser ein
Gasstrom in das Reaktionsgefäss geleitet. An der Mündung der Düse in das Reaktionsgefäss beträgt der Druck P2 etwa 0, 5 kg/cm2 und die Eintrittsgeschwindigkeit des Gasstromes liegt in der Grössenordnung von 500 m/sec. Bei diesen Verhältnissen ergibt sich ein Leuchtbereich innerhalb der Zone erhöhten Druckes von etwa 80 mm Länge und einem Durchmesser von wenigen Millimetern.
Es kann aber auch ein sehr viel geringerer Unterdruck Pi aufrecht erhalten werden-falls die Saugleistung der Pumpeinrichtung hiefür ausreicht-und eine Konzentration der Entladung auf die Zone erhöhten Druckes wird auch kurzzeitig bei einem Druck ? i von angenähert 0, 01 mm Hg erzielt. Anderseits ist auch bei einem Innendruck des Reaktionsgefässes bis zu 1000 mm Hg und entsprechend grösserem Überdruck P2 des eintretenden Gasstromes eine Zone erhöhten Druckes herstellbar, die zwar wesentlich kleinere räumliche Dimensionen aufweist, aber ebenfalls eine Energiekonzentration der Entladung in dieser Zone zeigt und eine Leuchterscheinung ergibt, die sich von der bei solchen Druckverhältnissen vorhandenen sehr dünnen Glimmhaut an dem als Kathode dienenden Zuführungsorgan deutlich unterscheidet.
Als für die Durchführung von Reaktionen innerhalb der Zone erhöhten Druckes besonders geeignet hat sich ein Druck P im Bereiche von 0, 5 bis 40 mm Hg erwiesen.
Die räumliche Abgrenzung der Zone erhöhten Druckes und energiereicher Entladungserscheinungen gegenüber der Umgebung mit wesentlich niedrigerem, meist vernachlässigbarem Energieumsatz ist umso schärfer, je grösser das Gesamt- druckverhältnis P2 ? i ist. Hiefür sind Werte von über 50 : I bei mittelgrossen Pumpleistungen und ohne Schwierigkeiten realisierbaren Düsendimensionen zu erreichen. Diese scharfe Abgrenzung der Zone höheren Druckes verhindert auch bei hohem Energieumsatz einen Übergang der elektrischen Entladung im Reaktionsgefäss in eine Bogenentladung zwischen den spannungsführenden Elektroden.
Jedoch ist auch bereits bei einem Druckgefälle entsprechend einem Druckverhältnis P2 : PI von mindestens 2 : 1 ein sicherer Betrieb mit einer erheblichen Energiekonzentration in der Zone erhöhten Druckes möglich. Vom Druckgefälle zwischen P2 und Pi hängt auch die Austrittsgeschwindigkeit des Gasstromes aus der Düsenmündung ab. Diese Strömungsgeschwindigkeit sollte mindestens ein Zehntel der Schallgeschwindigkeit betragen, kann aber
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Mehrfachen der Schallgeschwindigkeit ansteigen. Die Wahl der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt jeweils im Hinblick auf die erwünschte Verweilzeit innerhalb der Reaktionszone.
Zur Erzielung der erwünschten elektrischen Entladung und der Konzentration des Energieumsatzes derselben auf die Zone erhöhten Druckes muss diese in einem Bereich des Reaktionsgefässes geschaffen werden, der wenigstens zum Teil unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes steht. Dieses Feld wird zweckmässigerweise durch eine Gleichspannung zwischen entsprechenden Elektroden erzeugt, wodurch eine zeitlich konstante Wirkung der Reaktionszone erzielt
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tungsverbindung mit den Speisestromkreisen der Elektroden besitzt. Das Zuführorgan 2 kann in diesem Falle auch ganz oder teilweise aus elektrisch isolierendem Material bestehen oder einen mit dem Reaktionsgefäss 1 verbundenen Metallkörper bilden.
Bei einem metallischen und isoliert im Reaktionsgefäss 1 angeordneten Zuführungsorgan 2 besteht auch die Möglichkeit, dasselbe über seinen Anschluss 5 mit dem Mittelleiter eines Zweiphasen-Wechselstromnetzes zu verbinden, dessen beide Phasen über die Anschlüsse 15 bzw. 16 die Elektroden 13 bzw. 14 speisen.
Der Abstand zwischen den jeweiligen Elektro-
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und der Zone erhöhten Druckes, die sich im Anschluss an die Düsenöffnungen bildet, ist ohne wesentlichen Einfluss auf die Energiekonzentration innerhalb dieser Zone. Es muss lediglich verhütet werden, dass zwischen den spannungsführenden Elektroden eine Bogenentladung entstehen kann. Bei solchen Betriebsverhältnissen, bei denen sich eine scharfe Abgrenzung der Zone erhöhten Druckes gegenüber der Umgebung erzielen lässt, kann der Abstand soweit verringert werden, dass die jeweiligen Elektroden jeweils an die Entladungszone hoher Energiekonzentration unmittelbar angrenzen.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Reaktionsgefäss beispielsweise aus einem Behälter 17 von Isoliermaterial und einem Metalldeckel. M, der eine Elektrode bildet und über den Anschluss 19 mit dem einen Pol einer Stromquelle verbunden werden kann. In Mündungsnähe des Zuführungsorganes 2 ist eine zweite Elektrode 20 vorgesehen, die hier beispielsweise als koaxial angeordneter Metallring ausgebildet ist und über den Anschluss 21 am andern Pol der Spannungsquelle liegt. Das Zuführorgan 2 kann hier aus Isoliermaterial bestehen und benötigt keine Leitungsverbindung mit der Spannungsquelle. Falls erwünscht, kann auch das Zufuhrorgan 2 aus Metall hergestellt sein und über seinen Anschluss 5 mit dem Anschluss 19 parallel geschaltet werden.
Es besteht auch die Möglichkeit, die zur Formung der Gestalt der Zone erhöhten Druckes dienenden massiven Wandungen, die, wie oben bereits erwähnt, in unmittelbarer Nähe der Düsenmündung angeordnet werden können, ganz oder teilweise aus Metall herzustellen und als Elektroden zu verwenden. Ebenso kann eine Prallfläche, beispielsweise der Prallkörper 12 nach Fig. 3, wenn er mindestens teilweise aus Metall besteht, als Elektrode dienen. Schliesslich sei auch noch erwähnt, dass die Elektroden, soweit sie nicht gleichzeitig Zuführungsorgane darstellen, als Absaugorgane ausgebildet werden können, beispielsweise wie bei der im Schnitt gezeichneten Elektrode 14 in Fig. 4 angedeutet. Auch Prallkörper oder andersartige Wandungen können zur Absaugung eingerichtet werden.
In den Fig. 1, 4 und 5 ist jeweils nur ein Zuführungsorgan organ 2 vorgesehen. Demgegenüber
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die Anschlüsse 5 a bzw. 5 b mit den beiden Polen einer Spannungsquelle verbunden sind. Innerhalb des Reaktionsgefässes 1 werden hier also zwei Zonen erhöhten Druckes geschaffen, indem je ein Gasstrom über die Düsen der beiden Zuführungsorgane 2 a und 2 b in das Gefäss 1 eintritt, in dessen Innenraum über ein Absaugorgan 4 ein vorbestimmter Unterdruck aufrecht erhalten wird. Obwohl in einer derartigen Anordnung bei Betrieb aus einer Gleichspannungsquelle die eine Zone erhöhten Druckes jeweils im Anschluss an die Kathode und die andere im Anschluss an die Anode entsteht, ergibt sich in beiden Zonen eine Energiekonzentration und der gesamte Energieumsatz im Gefäss teilt sich auf die beiden Zonen auf.
Diese unmittelbare Serienschaltung beider Reaktionszonen ist weniger vorteilhaft wie ein Parallelbetrieb derselben, wobei das Metallgefäss 1 über den Anschluss 22 mit dem einen Pol der Spannungsquelle und beide Zuführungsorgane 2 a und 2 b über die parallelgeschalteten Anschlüsse 5 a und 5 b mit dem andern Pol der Spannungsquelle verbunden werden.
Es lassen sich auch mehrere Zonen erhöhten Druckes in einem Reaktionsgefäss 1 herstellen, beispielsweise drei, wie in Fig. 7. Die drei
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weder alle parallel am gleichen Pol einer Spannungsquelle, deren anderer Pol mit der Gegenelektrode 23 verbunden ist, oder die drei Düsen werden von den drei Phasen eines Drehstromnetzes gespeist, dessen Sternpunkt an der Gegenelektrode 23 liegt.
Bei Betrieb eines Reaktionsgefässes 1 aus einem Drehstromnetz ist die Anordnung nach Fig. 8 besonders vorteilhaft, bei der nur ein Zuführorgan 2, hier mit der Düsenachse senkrecht zur Zeichenebene gerichtet, aber drei Gegenelektroden 24 a, 24 b, 24 c vorhanden sind. Die drei Elektroden 24 a, 24 b, 24 c sind über ihre Anschlüsse 25 a, 25 b, 25 c mit den drei Drehstromphasen und das Zuführorgan 2 mit dem Sternpunkt verbunden. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Zone erhöhten Druckes, die sich im Anschluss an die Düsenmündung des Zuführungsorganes bildet, stets unter der Wirkung eines elektrischen Feldes steht, auch wenn eine der Phasenspannungen gerade null ist.
Die oben an Hand der Fig. 1-8 beschriebenen Anordnungen zur Erzeugung von Zonen höheren Druckes innerhalb eines Reaktionsgefässes mit
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höheren Druckes, sowie bei geeigneter Wahl der Elektrodenspannung eine weitgehende Energiekonzentration der Entladung auf die Zone erhöhten Druckes. Dieses experimentell gesicherte und jederzeit bei Beachtung der oben genannten Betriebsdaten reproduzierbare Verhalten ist dem-
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nach eine räumliche Zone, praktisch losgelöst von den Elektroden selbst, in der ein bis auf hohe Werte steigerbarer Energieumsatz statt- findet.
Bei dem oben bereits beschriebenen Bei- spiel eines mit etwa P 1 = 20 mm Hg und P = = 0, 5 kgfcm2, sowie einer Düse von zirka l mm lichter Weite arbeitenden Reaktionsgefässes führt bereits eine Gleichspannung in der Grössen- ordnung von 500 V an der als Kathode geschal- teten Düse zu einem Energieumsatz innerhalb des Reaktionsgefässes von etwa 1000 W. Der grösste Teil dieser Energie wird dabei in der
Zone erhöhten Druckes frei und liefert pro
Volumenelement von 1 mm3 einen Energieumsatz von mindestens 1 W. Dieser für Gasentladungen relativ hohe Energieumsatz bewirkt in gasför- migen, dampfartigen oder feindispersen Stoffen, je nach deren Art und Zusammensetzung, unter- schiedliche Reaktionen. Vor allem entstehen anscheinend atomare Gase, die ihrerseits auf andere vorhandene Reaktionspartner intensiv ein- wirken.
Die zur Durchführung von Reaktionen innerhalb der Zone erhöhten Druckes und deren un- mittelbaren Umgebung vorgesehenen Reaktions- partner werden zweckmässigerweise mit dem Gas- strom vereinigt, der über die Zuführungsorgane und deren düsenartigen Öffnungen in das Reaktionsgefäss eintritt und dort die Zone erhöhten Druckes bildet. In diesem Falle kann der Gasstrom selbst ein an der Reaktion unbeteiligtes Trägergas sein, etwa ein Edelgas, dem zu behandelnde dampfförmige oder auch feindisperse feste und flüssige Substanzen beigefügt sind. Hiezu eignet sich etwa ein Zuführungsorgan nach Fig. 2, dem das Trägergas über den rückwärtigen Anschluss und die zu behandelnden Substanzen über dem Rohrstutzen 25 zugeführt werden.
Natürlich kann auch mehr als ein Reaktionspartner vom Trägergas mitgeführt werden, beispielsweise ein zu behandelndes Gas und gleichzeitig eine feindisperse Substanz, etwa ein Metallpulver mit katalytischer Wirkung bei der Reaktion. Ist in diesem Falle die Menge des zu behandelnden Gases gross genug, um die übrigen nichtgasförmigen Reaktionspartner mitzuführen und eine Reaktionszone genügender Ausdehnung innerhalb des Reaktionsgefässes zu schaffen, dann kann auf das an der Reaktion nicht beteiligte Trägergas ganz verzichtet werden. Das gleiche gilt für den Fall, dass der Gasstrom ein einheitliches Gas und der einzige Reaktionspartner ist.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, die in Fig. 4 angedeutet ist, einen oder alle Reaktionspartner über ein besonderes Zuführungsorgan 26 in die Reaktionszone einzuführen, was beispielsweise dann erwünscht ist, wenn die betreffenden Reaktionspartner erst innerhalb der Zone erhöhten Druckes miteinander in Berührung kommen.
Wie bereits oben erwähnt, ist die Geschwindigkeit des aus der Düsenmündung austretenden
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geschwindigkeit oder höher. Dies bewirkt einerseits eine sehr geringe Verweilzeit innerhalb der Reaktionszone-was für viele Reaktionen erwünscht ist-und anderseits ein ausserordentlich rasches Abströmen der Reaktionsprodukte aus der Reaktionszone. Damit ergibt sich ebenso rasch eine starke Erniedrigung der Temperatur und der Volumenkonzentration, also eine entsprechend verminderte Reaktionsfähigkeit dieser Produkte. Dadurch wird sowohl eine merkliche Rückbildung der Reaktionsprodukte in ihre Ausgangsstoffe, wie auch ein etwaiger weiterer Zerfall der erzeugten Reaktionsprodukte verhindert.
Gasförmige Reaktionsprodukte, die aus der Zone erhöhten Druckes in deren Umgebung abströmen, werden über die zur Aufrechterhaltung des erwünschten Unterdruckes im Reaktionsgefäss dienenden Absaugorgane aus dem Gefäss entfernt. Falls erwünscht, kann in der Absaugleitung ein geeigneter Abscheider für die Reaktionsprodukte vorgesehen werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, falls sich erwünschte Reaktionsprodukte vor allem in bestimmten Druck- und Energieniveaus innerhalb der Reaktionszone bilden, dieselben von dort unmittelbar durch besondere Absaugorgane abzuführen, beispielsweise durch eine Sonde 9 mit einem perforierten Ringrohr als Saugdüse, wie in Fig. l angedeutet.
Falls erwünscht, können derartige gasförmige Produkte, falls ihre Konzentration nicht ausreicht, dem gleichen Reaktionsgefäss nochmals zugeführt und dem gleichen Prozess mehr als einmal unterworfen werden.
Falls erwünscht, kann die Ausscheidung gewisser Reaktionsprodukte auch an Wandungen erfolgen, die in unmittelbarer Umgebung der
Reaktionszone angeordnet sind oder auch in diese hineinragen. Soll beispielsweise eine Kon- densation an solchen Wandungen erfolgen, so können dieselben, wie etwa der Prallkörper 12 in Fig. 3, mit Hohlräumen 27 für einen Kühlmittelstrom ausgestattet werden. Ausser der
Kondensation kann auch eine chemische Reaktion an derartigen Wandungen durchgeführt werden, wozu gegebenenfalls Katalysatorschichten an denselben vorgesehen werden können. Zur leichteren Beseitigung ausgeschiedener flüssiger oder fester Reaktionsprodukte können derartige Wandungen auch als Rotationskörper ausgebildet und mit einem Antrieb versehen werden, so dass sich Wandungsteile an feststehenden Abstreifvorrichtungen vorbeibewegen.
Schliesslich sei noch das Gesamtschema eines Ausführungsbeispieles für eine Einrichtung zur Durchführung von Reaktionen nach dem vorliegenden Verfahren an Hand von Fig. 9 erläutert. Die Gesamtanlage ist zur Durchführung einer Reaktion eines einheitlichen Gases oder eines Gasgemisches, das sich unter Druck in der Gasflasche 28 befindet, eingerichtet. Das zu behandelnde Gas strömt aus der Gasflasche 28 über deren Druckreduzierventil 29 und einen Feinregler 30 zum Zuführungsorgan 2 und über : dieses in das Reaktionsgefäss 1. Das Absaugorgan 4 dieses Gefässes 1 ist über einen Abscheider 31 für die jeweiligen Reaktionsprodukte
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mit einer Pumpe 32 entsprechender Saugleistung verbunden. Das Druckdiagramm zeigt den bei einer derartigen Anlage verwirklichten Druckverlauf (ausgezogene Linie).
Wie ersichtlich, und oben ausführlich dargelegt, herrscht innerhalb des Reaktionsgefässes 1 zwischen dem Druck P2 an der Mündung der Düse des Zuführorganes 2, hier etwa 350 mm Hg, und dem Druck Pt von zirka 20 mm Hg an der Mündung des Absaugorganes 4 eine stark inhomogene Druckverteilung. Der exponentielle Druckabfall innerhalb der Zone erhöhten Druckes im Anschluss an die Düse ist ebenfalls angedeutet.
Das Druckdiagramm der Fig. 9 zeigt die markanten Unterschiede der oben beschriebenen Betriebsweise eines Reaktionsgefässes für die Durchführung von Reaktionen unter der Wirkung einer elektrischen Glimmentladung, gegenüber den bisher bekannten Verfahren. Denn für alle Behandlungsvorschläge und Apparaturen für Gase innerhalb von Glimmlicht-Reaktionsgefässen ist ein Druckverlauf charakteristisch, der im Druckdiagramm gestrichelt eingetragen ist und der innerhalb des Reaktionsgefässes eine praktisch homogene Druckverteilung zur Folge hat. Demgemäss kann bei einer solchen Betriebsweise keine Zone merklich erhöhten Druckes entstehen, innerhalb welcher das Druckgefälle zum grössten Teil lokalisiert ist. Dies verunmöglicht aber dann die erfindungsgemässe Energiekonzentration der Entladung in einem vorbestimmten Raumteil.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Fig. 1-9 bezüglich der angegebenen Grössenverhältnisse der einzelnen Teile, zwecks Verdeutlichung stark verzerrt wiedergegeben sind, und nur schematische Ausführungsbeispiele darstellen.
Beispiel : In einer Apparatur ähnlich der in Fig. 5 wiedergegebenen mit einem Eisenbehälter 17 von etwa 350 mm Durchmesser und 600 mm Höhe wurde ein isoliert eingebauter, gekühlter eiserner Düsenkörper 2 mit einer Düse aus Wolfram mit einer zylindrischen Bohrung von 0, 7 mm Durchmesser verwendet. Die Gegenelektrode 20 bestand aus einem 2 mm dicken Eisendraht, bildete einen Ring von etwa 20 mm Durchmesser und wies einen Abstand von der Düsenmündung von etwa 20 mm auf. Im Behälter 17 wurde in der Nähe des Absaugstutzens 4 ein Unterdruck von zuerst etwa l mm Hg hergestellt und nach erfolgter Zündung der Glimmentladung im Gefäss auf etwa 5 mm erhöht und auf diesem Wert annähernd konstant gehalten.
Zwischen dem als Kathode arbeitenden Anschluss 5 und dem Anodenanschluss 21 wurde eine Betriebsgleichspannung von etwa 300 V aufrecht erhalten. Die Anschlüsse 21 und 19 wurden parallel geschaltet. Im Dauerbetrieb war die Stromaufnahme etwa 3 A.
Durch die Düse wurde ein Luftstrom eingeleitet u. zw. etwa 50-100cm3/sec im Dauerbetrieb. Die während des Betriebs entstehenden Oxydationsprodukte des Luftstickstoffs wurden im Absorber 31 (Fig. 9) in Natronlauge aufgefangen. Die Natronlauge besass etwa 100 g NaOH/l.
Nach einer Betriebsdauer von 10 Minuten konnte im Absorber 31 eine Umsetzung von 6 g NaOH in NaNOg festgestellt werden, entsprechend einer Ausbeute von mindestens 70 g
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In der dem Absorber entnommenen Lauge konnte durch Titrieren mit Permanganat keine Spur von NaNO festgestellt werden.
Somit wurde hier in nur einem einzigen Verfahrensschritt das höherwertige Oxydationsprodukt NOg unter vollständiger Vermeidung von unerwünschten niedrigerwertigen Oxydationsprodukten (NO, NOa, NjjOg und N OJ erzeugt.
Das beschriebene Verfahren ist auch mit Vorteil zur Erzeugung von Schwefelsäure geeignet und liefert bei richtigen Betriebsbedingungen das höherwertige Oxydationsprodukt SOg unter weitgehender Vermeidung niedrigerwertiger Oxydationsstufen (SO, SOg usw. ). Auch zur Erzeugung von höherwertigen Phosphoroxyden ist das Verfahren geeignet. Ferner kann durch entsprechende Wahl der Betriebsdaten, mittels eines Oxydationsprozesses der beschriebenen Art, ein gewünschtes Zwischenprodukt wie etwa Hydrazin, Hydroxylamin u. dgl. in nur einem Verfahrensschritt erzeugt werden.
Das Verfahren kann natürlich auch zur Oxydation und Reduktion von feindispers, in einem Trägergasstrom enthaltenen festen Stoffen dienen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Durchführung von Reaktionen an gasförmigen, dampfartigen oder feindispersen Stoffen unter dem Einfluss elektrischer Glimmentladungen in einem auf vorbestimmtem Druck gehaltenen Reaktionsgefäss mit Elektroden und mindestens einer Gasabführungs- und einer Gaszuführungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einleiten eines Gasstrahles durch mindestens eine düsenartige Öffnung im Anschluss an diese düsenartige Öffnung innerhalb des Reaktionsgefässes unter inhomogener Druckverteilung eine Zone erhöhten Gasdruckes geschaffen wird und die elektrische Entladung weitgehend auf diese Zone erhöhten Gasdruckes konzentriert wird, sowie die Ausgangsstoffe für die chemische Reaktion durch diese Zone hindurchgeführt werden.