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Verfahren und Einrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen
Es ist bekannt, dass man chemische Reaktionen in einem von einer elektrischen Entladung, insbesondere einer elektrischen Bogenentladung gefüllten Raum durchführen kann, wobei man als Reaktionsprodukte energiereiche Verbindungen gewinnen kann. Beispielsweise kann man auf diese Weise Kohlenwasserstoffe sehr verschiedener Kettenlänge spalten und mit guter Ausbeute zu Acetylen dehydrieren. Der Vorteil dieser Arbeitsweise besteht vor allen Dingen darin, dass man die Ausgangsstoffe sehr rasch in die eigentliche Reaktionszone einbringen kann, dass man ferner in der Reaktionszone sehr hohe Energiezustände erreichen kann, und dass man schliesslich mit verhältnismässig einfachen Mitteln eine sehr rasche Abkühlung der Reaktionsprodukte erzielen kann.
Dadurch lassen sich Gleichgewichtseinstellungen erhalten, die man mit Hilfe thermischer Energie nicht erreichen kann.
So offenkundig vorteilhaft die Durchführung chemischer Reaktionen in von elektrischen Entladungen erfüllten Räumen ist, so stehen einer breiteren Anwendung dieser Methode die verhältnismässig hohen Kosten für die Aufrechterhaltung der elektrischen Entladung während der Reaktionsabläufe entgegen.
Dies liegt darin begründet, dass ein grosser Teil der elektrischen Energie, die man derartigen Entladungen zuführt, nicht in Form von energiereichen Reaktionsprodukten zurückerhalten werden kann, sondern lediglich zur Stabilisierung der elektrischen Entladung verbraucht wird. Das gilt vor allem für den Fall, dass man Entladungen erheblicher Längenausdehnung, z. B. solche von einer Länge von 1 m und mehr, benutzen will, die man bei Verwendung von einphasigem oder mehrphasigem Wechselstrom im allgemeinen nur unter erheblichen technischen Schwierigkeiten aufrechterhalten kann. Man muss in solchen Fällen mit Gleichspannung arbeiten und zu diesem Zweck kostspielige Gleichrichtereinrichtungen verwenden.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, diese Schwierigkeiten zu beseitigen, insbesondere die der elektrischen Entladung zugeführte Energie praktisch vollständig für die eigentlichen chemischen Umsetzungen nutzbar zu machen und ausserdem die Verwendung von ein- oder mehrphasigem Wechselstrom, insbesondere bei grossen Elektrodenabständen, zu ermöglichen.
Dieses Ziel der Erfindung wird in der Weise verwirklicht, dass wenigstens eine der Elektroden, an denen die elektrische Entladung ansetzt, in unmittelbarem Bereich einer Ladungsträgerquelle gelegen ist, die durch eine fortdauernde Flammenreaktion gebildet wird, wobei die Flammenreaktion sich über 10% oder mehr des Abstandes zwischen den beiden Elektroden in Richtung auf die Gegenelektrode erstreckt.
Die für die Aufrechterhaltung der Entladung, insbesondere bei Wechselspannung und grossen Längen, benötigten Ladungsträger werden also gemäss der Erfindung einer Flamme entnommen, die durch Verbrennung irgendeines Brennstoffes mit Luft oder Sauerstoff eine ununterbrochen fliessende Quelle solcher Ladungsträger darstellt. Vorzugsweise verwendet man für diese Flammenreaktion einen gas-oder dampfförmigen Brennstoff. Die Verbrennung kann mit gewöhnlicher Luft, mit sauerstoffreicher Luft oder auch mit reinem Sauerstoff unterhalten werden, je nach den speziellenBedingungen, die bei der durchzuführenden chemischen Umsetzung beachtet werden müssen. Die Auswahl des gasförmigen Brennstoffes richtet sich dabei ebenfalls danach, welche Verbrennungsprodukte entstehen dürfen und welche man tunlichst vermeiden soll.
Will man beispielsweise bei der beabsichtigten chemischen Reaktion einen gegen Wasserdampf empfindlichen Stoff erzeugen, so wird man für die Flammenreaktion ein Gas wählen, welches möglichst wenig Wasserstoff enthält, so dass bei der Verbrennung dieses Brennstoffes auch entsprechend wenig Wasserdampf gebildet wird. Man wird ferner den Brennstoff für die Flammenreaktion so auswählen, dass er eine an Ladungsträgern möglichst reiche Flamme liefert. Sollte die in der Flammenreaktion gebildete Ladungsträgermenge für die Erhaltung der Entladung nicht ausreichen, so ist es zweckmässig, dem Brennstoff gewisse Substanzen in feinverteilter Form zuzumischen, die bei der Erhitzung in besonders starkem Masse Ionen bilden. Dazu gehören vor allen Dingen die Halogenverbindungen der Alkali- und Erdalkalimetalle.
Die Flammenlänge der Verbrennungsreaktion richtet sich nach dem für die Flammenbildung verwendeten Brennstoff ; ferner nach der Durchsatzmenge des umzusetzenden Ausgangsgutes, und schliesslich auch nach den Abmessungen der Einrichtungen, insbesondere auch der Elektrodenfbrm. Man kann sagen,
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dass die Länge der Flamme nicht kürzer als etwa 10% des Abstandes zwischen den Elektroden sein darf. Es hat sich gezeigt, dass die Verbrennungswärme, die innerhalb dieser Flammenreaktion frei wird, genügend Ladungsträger hervorbringt, um die elektrische Entladung vollkommen zu stabilisieren, so dass die in der Entladung umgesetzte elektrische Energie nahezu vollständig für die beabsichtigten chemischen Umsetzungen wirksam wird.
Wenn der im Bereich der elektrischen Entladung umzusetzende Ausgangsstoff selbst ein brennbares Gas ist, so kann man auf die Zufuhr eines besonderen Brenngases zwecks Erzeugung der Flammenreaktion verzichten und lediglich den für die Ausbildung der Flammenreaktion notwendigen Sauerstoff zuführen, d. h. mit sogenannter umgekehrter Flamme arbeiten.
Schliesslich ist es auch möglich, falls der umzusetzende Stoff brennbar ist, einen Teil desselben zusammen mit Sauerstoff oder Luft für die Ausbildung der Flammenreaktion zu verwenden, wobei diese so eingestellt wird, dass eine Dehydrierung des Brennstoffes, falls es sich um Kohlenwasserstoffe handelt, erfolgt. Einer derartigen Dehydrierung wird dann die elektrische Entladung in einstellbarer Stärke überlagert, in welcher dann ausserdem der Rest des Ausgangsgutes umgesetzt wird. Durch diese Massnahme kann man die Flammentemperatur erhöhen und die Ausbeute an gewünschten Produkten verbessern, insbesondere ein Endprodukt mit einer erhöhten Konzentration an Dehydrierungsprodukten erhalten.
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verschiedener Weise erfolgen.
Im folgenden wird eine Einrichtung beschrieben, die in schematischer Form in der Zeichnung dargestellt ist und an der die Erfindung näher erläutert werden soll.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Einrichtung und Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Einrichtung in der Ebene II-II
Der Umsetzungsraum, in welchem die elektrische Entladung aufrechterhalten wird und die chemischen Reaktionen durchgeführt werden, besteht aus dem Gehäuse 1, welches normalerweise auf Erdpotential liegt. In dieses Gehäuse münden die Elektroden 2 und 3 ein. Die Elektrode 2 besteht aus einem Isolator 4, an dessen einem Ende sich der metallische Elektrodenkopf 5 befindet. Der Isolator 4 hat eine zentrale
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Kopf 5 gelangt. Dort wird das Ausgangsgut durch Kanäle 8 seitlich geführt und so umgelenkt, dass es aus dem Elektrodenkopf 5 in annähernd tangentialer Richtung durch Öffnungen 9 austritt.
Das Ausgangsgut-ein Gas oder Dampf-folgt dann der allgemeinen Strömung in Richtung auf die Gegenelektrode 3, wobei das Gut eine um die Achse der Entladung umlaufende Schraubenlinienbewegung ausführt.
Durch die Bohrung 6 in dem Isolator 4 ist ein Rohr 10 geführt, welches den für die Flammenreaktion benötigten Brennstoff sowie den Sauerstoff zu dem Elektrodenkopf 5 leitet. Es ist wesentlich, dass das Ende des Rohres 10 bzw. die darin befindliche Bohrung 11 unterhalb der vorderen Begrenzungsfläche 12 der Elektrode 5 zu liegen kommt, damit die Flamme 13 bereits in der Ebene 12 einsetzt. Die elektrische Entladung hat in etwa den bei 14 angedeuteten Verlauf und endet an der gekühlten Gegenelektrode 3. Diese besteht aus einem mit Wassermantel 15 umgebenen Rohr 16, durch welches das Reaktionsgemisch hindurchgezogen und durch Berührung mit den kalten Wänden schnellstens abgekühlt wird. 17 bedeutet die Spannungsquelle, beispielsweise die Hochspannungsseite eines Transformators.
Beispiel 1 : Zur Herstellung eines stadtgasähnlichen Brenngases wurde ein Gemisch aus 9, 9 kg/h
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spannungsentladungsstrecke eingeführt, die mit einem Elektrodenabstand von zirka 32 cm und einer elektrischen Spannung von zirka 1400 Volt betrieben wurde. Das Einsatzgemisch hatte bei Einführung in die Entladungsstrecke eine Temperatur von 3750 C ; das Reaktionsgemisch verliess die Spaltapparatur mit einer Temperatur von 465 C.
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Koksofengas mit zirka 4, 4 Nm3/h Luft erzeugt. Der Flamme wurden 62 g/h Soda in fein gepulverter Form beigemischt.
Das Ergebnis der Spaltungsreaktion waren 26, 8 Nm3/h Brenngas mit folgender Analyse :
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<tb>
<tb> CO2.................................... <SEP> 3, <SEP> 8 <SEP> Vol.-% <SEP>
<tb> schwere <SEP> Kohlenwasserstoffe <SEP> 8, <SEP> 2 <SEP> Vol.-% <SEP>
<tb> O2,,,,,,,..,...,...,........,...,...... <SEP> 0, <SEP> 4 <SEP> Vol.-% <SEP>
<tb> CO.................................... <SEP> 18, <SEP> 7 <SEP> Vol.-% <SEP>
<tb> H2.................................... <SEP> 47, <SEP> 0 <SEP> Vol. <SEP> - <SEP>
<tb> CH4................................... <SEP> 9, <SEP> 2 <SEP> Vol. <SEP> -% <SEP>
<tb> N2 <SEP> ............................... <SEP> 12,7 <SEP> Vol.-%
<tb>
Der Restbenzingehalt des Brenngases betrug 24 glNm3 Gas. Der obere Heizwert des Brenngases betrug 4320 Kcal/Nm3 ; die Dichte (bezogen auf Luft=1) betrug 0, 542.
Die für die Spaltung verbrauchte elektrische Energie wurde zu 0, 94 Kwh/Nm3 Gas ermittelt.
Die Kohlenstoff-Vergasung betrug 95%, der thermische Wirkungsgrad 84%.
Beispiel 2 : Der elektrischen Behandlung wurde ein Propan-Butan-Gemisch unterworfen, welches aus 70% Propan und 30% Butan bestand. Dieses Gemisch wurde zunächst auf eine Temperatur von 390 C vorgewärmt und dann durch eine Düse in den Spaltraum eingeblasen. Durch die gleiche Düse wurde 95% iger Sauerstoff mit einer Temperatur von 3000 C so eingeführt, dass sich die beiden Gasströme
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erst am Austritt der Düse vermischten. Die Menge Sauerstoff wurde so gewählt, dass sie nur etwa 70% der für eine vollständige Verbrennung des Propan-Butan-Gemisches an sich erforderlichen Sauerstoffmenge entsprach.
Die Wechselspannungsentladungsstrecke hatte wiederum eine Länge von zirka 32 cm ; die Spannung betrug 1450 Volt. Zusatz eines ladungsträgerbildenden Stoffes erwies sich als nicht erforderlich.
Es enstand ein Spaltgas, das neben einer grösseren Anzahl von Spaltprodukten (Wasserstoff-Kohlenoxyd, Methan, Olefine) etwa 8% Acetylen, enthielt. Das Spaltgas, welches eine Temperatur von 515 C hatte, wurde zunächst indirekt auf etwa 120 C abgekühlt und dann mit kaltem Wasser gewaschen, wobei das Acetylen praktisch vollständig ausgewaschen wurde.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen, wobei das gas-oder dampfförmige Einsatzgut durch eine elektrische Entladung geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektroden, an denen die elektrische Entladung ansetzt, in unmittelbarem Bereich einer Ladungsträgerquelle gelegen ist, die durch eine fortdauernde Flammenreaktion gebildet wird, wobei die Flammenreaktion sich über mindestens 10% des Abstandes zwischen den beiden Elektroden in Richtung auf die Gegenelektrode erstreckt.