<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren und Vorrichtung zur Umsetzung von strömenden
Gasen mittels elektrischer Entladungen bei hoher
Strömungsgeschwindigkeit
Gewisse chemische Reaktionen in der Gasphase erfordern einen niedrigen Druck oder eine tiefe Temperatur, um mit zufriedenstellender Ausbeute vonstatten zu gehen. Dies ist beispielsweise der Fall bei Krackreaktionen oder bei der Teiloxydation von Kohlenwasserstoffen, die unter Volumenzunahme ablaufen, und deren Produkte bei hoher Temperatur instabil sind. Wenn die Reaktionen endotherm sind, wird ihre Durchführung durch die Zufuhr der erforderlichen Energie sowie durch die Notwendigkeit einer starken und schlagartigen Kühlung der erhaltenen Produkte erschwert.
Ein neues Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von Reaktionen dieser Art, besteht im wesentlichen darin, dass man eine elektrische Entladung in einem Gasstrom, der das zu behandelnde Gas enthält, an einer Stelle dieses Gasstromes stattfinden lässt, an der der Gasstrom auf Überschallgeschwindigkeit gebracht wurde und die Temperatur und der Druck durch eine im wesentlichen adiabatische Entspannung gesenkt wurden.
Gegenstand der Erfindung sind Verbesserungen dieses Verfahrens und der Vorrichtung zu seiner Durchführung, wobei mehrere Gasströme gleichzeitig der beschriebenen Behandlung unterworfen werden.
Die Erfindung betrifft demgemäss Verbesserungen des Verfahrens, in dem wenigstens eine kontinuierliche Reaktion in der Gasphase durchgeführt wird, wobei man wenigstens eine elektrische Entladung in dem zu behandelnden, mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Gas stattfinden lässt, und ist dadurch gekennzeichnet, dass man mehrere elektrische Entladungen in mehreren Gasströmen, welche die zu behandelnden Gase enthalten, an Stellen in diesen Gasströmen stattfinden lässt, an denen die Gasströme auf Ultraschallgeschwindigkeit gebracht und der Druck und die Temperatur durch eine im wesentlichen adiabatische Entspannung gesenkt worden sind, und dass man anschliessend die Gasströme mischt, um sie gemeinsam umzusetzen.
Die Verbesserungen können ausserdem eine oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen : a) Wenigstens eine zusätzliche umzusetzende Substanz wird dem eigentlichenReaktionsort zugeführt, d. h. in die unmittelbare Nähe wenigstens einer elektrischen Entladung geleitet. b) Die Zahl der elektrischen Entladungen entspricht der Zahl der unabhängigen Gasströme. c) Die Zahl der elektrischen Entladungen ist niedriger als die Zahl der unabhängigen Gasströme. d) Man lässt eine sekundäre elektrische Entladung in dem Gasstrom stattfinden, der durch Mischen der unabhängigen Gasströme gebildet worden ist.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, die gekennzeichnet ist durch mehrere aus einem sich verengenden Teil und einem sich erweiternden Teil bestehende Überschall-Strömungsrohre, die nebeneinander parallel derart angeordnet sind, dass ihre Austrittsströme sich zu einem einzigen, sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegenden Gasstrom vereinigen, einen der Wiederverdichtung dienenden, in der Verlängerung der Strömungsrohre mit Abstand zu diesen angeordneten Sammelstutzen, der den vereinigten, mit Überschallgeschwindigkeit sich bewegenden Gasstrom aufnimmt, Mittel zur Vornahme einer elektrischen Entladung in wenigstens einem der genannten Gasströme und eine Unterdruckkammer, in die die Strömungsrohre an einem Ende und der Sammelstutzen am andern Ende dicht eingesetzt sind,
und die neben der Austrittsöffnung der
<Desc/Clms Page number 2>
Strömungsrohre einen geschlossenen Raum bildet, in dem verminderter, Druck herrscht, der durch die
Saugung des Sammelstutzens erzeugt wird.
Die Vorrichtung kann ausserdem eines oder mehrere der folgenden Merkmale in Verbindung mit den vorstehend genannten Merkmalen aufweisen : i a) Die Strömungsrohre sind koaxial ineinander angeordnet und bilden zwischen sich in Längsrichtung sich verengende und wieder erweiternde ringförmige Räume und in der Mitte einen freien, sich verengen- den und wieder erweiternden Raum, wobei die verschiedenen Räume mehrere konzentrische Überschall-
Strömungsrohre bilden. b) Eine Elektrode ist axial im zentralen Rohr angeordnet, um hier eine Entladung zu bewirken. c) Die axiale Elektrode ist hohl und dient dazu, einen umzusetzenden Stoff in das zentrale Rohr ein- zuführen. d) Einige der koaxialen Rohre werden als Elektroden verwendet und Spannungsunterschieden unter- worfen, um in den ringförmigen Räumen Entladungen stattfinden zu lassen.
e) Alle koaxialen Rohre werden als Elektroden verwendet und sind Spannungsunterschieden unter- worfen. f) Die Strömungsrohre haben in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung ein längliches recht- eckiges Profil von im wesentlichen gleicher Länge und sind flach gegeneinander derartig angeordnet, dass sie mehrere sich verengende und wieder erweiternde lamellenartige Räume bilden, durch die mehrere lamellenartig und parallel zueinander verlaufende, mit Überschallgeschwindigkeit sich bewegende Gas- ströme entstehen. g) Die Wände der lamellenartig und parallel zueinander verlaufendenDurchflussräume sind elektrisch voneinander isoliert, und einige von ihnen dienen als Elektroden, um Entladungen in den durchfliessenden
Gasströmen zu bewirken.
h) AlleWände der genannten lamellenartig angeordneten Strömungsräume werden als Elektroden ver- wendet. i) Die Strömungsräume enden sämtlich in der gleichen Ebene senkrecht zu ihrer Achse. i) Die Strömungsräume enden in verschiedenen Ebenen senkrecht zu ihrer Achse. k) Die Strömungsräume sind so berechnet, dass die aus ihnen austretenden Gasströme sich unter gleichen aerodynamischen Bedingungen befinden.
Wie ersichtlich, stellen die Verbesserungen gemäss der Erfindung eine Anwendung des eingangs er- wähnten neuen Verfahrens auf eine beliebige Zahl von getrennten Gasströmen dar, die auf Überschall- strömungsgeschwindigkeit gebracht worden sind. Diese Gasströme können getrennt oder gemeinsam der
Einwirkung einer elektrischen Entladung ausgesetzt werden, deren Art und Stärke unabhängig von den andern Entladungen einstellbar sind. Die auf diese Weise behandelten Gasströme können am Austritt der
Strömungsrohre miteinander gemischt und dann gemeinsam umgesetzt werden. Es ist auch möglich, das
Mischen der verschiedenen Gasströme in einer bevorzugten Reihenfolge vorzunehmen, indem man den entsprechenden Rohren verschiedene Längen gibt und sie nicht alle in der gleichen Ebene enden lässt.
Es ist auch möglich, die Mischung der Einwirkung einer elektrischen Entladung auszusetzen, indem man eine
Elektrode in der Achse des Sammelstutzens anordnet oder die gegebenenfalls verwendete zentrale Elektrode verlängert.
Die auf die beschriebene Weise gebildeten verschiedenen konzentrischen oder parallelen Überschall-
Strömungsrohre können mit Hilfe der entsprechenden klassischen Formeln der Thermodynamik derart be- rechnet werden, dass alle Gasströme aus ihnen unter aerodynamisch gleichen Bedingungen austreten und sich unter Bildung eines einzigen, mit Überschallgeschwindigkeit fliessenden Stromes mischen. Der der Wiederverdichtung dienende Sammelstutzen muss nach den Merkmalen dieses einzigen Gasstromes aus- gebildet sein, um ihn wieder auf geeignete Austrittsdruck zu bringen, und weist ein Profil auf, das der
Form des einzigen Gasstromes entspricht und dem Profil und der Zahl der oberhalb befindlichen Überschall-Strömungsrohre angepasst ist.
Wie bereits erwähnt, kann eine Elektrode in der Achse des zentralen Strömungsrohres, wenn dieses vorhanden ist, angeordnet sein, um hier eine elektrische Entladung stattfinden zu lassen, wenn dies notwendig ist. In den andern Strömungsräumen können die Wände selbst als Elektroden fungieren. Das Produkt Pd aus örtlichem Druck und Abstand der Entladung hat den kleinsten Wert am Ende des Austritts der verschiedenen Strömungsräume. Somit finden an den Enden der sich er- weiternden Teile der Strömungsrohre die verschiedenen elektrischen Entladungen statt.
Es ist natürlich auch möglich, in einigen der Überschall-Strömungsräume keine Entladung stattfinden zu lassen. Wenn dies der Fall ist, werden vorzugsweise die am weitesten nach aussen liegenden Räume hiezu gewählt. Man kann also einen oder mehrere der aussen liegenden Gasdurchgänge mit der Masse der
<Desc/Clms Page number 3>
Apparatur verbinden und ein Gas einführen, bei dem es von Nachteil wäre, wenn es unter Spannung ge- setzt würde.
Wenn es zweckmässig ist, eine elektrische Entladung auf das Gemisch der mit Überschallgeschwindig- keit fliessenden verschiedenen Gasströme einwirken zu lassen, wird eine zusätzliche Elektrode in der i Achse des der Druckerhöhung dienenden Sammelstutzens angeordnet. Wenn dieser Sammelstutzen ein lamellenartiges Profil hat, werden seine beiden nicht parallelen Wände isoliert und als Elektrode ver- wendet.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nachstehend an Hand von drei Ausführungsformen, die als Beispiel anzusehen sind, in Verbindung mit den Figuren beschrieben.
Fig. 1 ist ein axialer Schnitt durch eine Vorrichtung mit zwei konzentrischen Strömungsräumen von kreisrundem Querschnitt.
Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch eine Vorrichtung mit zwei parallelen Strömungsräumen von recht- eckigem Querschnitt und
Fig. 3 ist ein Querschnitt durch die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung längs der Linie III -III.
Das erste Beispiel, das in Verbindung mit Fig.1 beschrieben wird, betrifft die Teiloxydation von
Tetramethyläthylen, auch 2-Buten-2, 3-dimethyl genannt, mit Hilfe von Ozon. Diese Teiloxydation führt zur Bildung von Aceton, wobei als Zwischenstadium ein Ozonid gebildet wird, das sich bei Be- rührung mit Wasser in Aceton und Wasserstoffperoxyd zersetzt. Die Vorrichtung, mit der diese Oxydation durchgeführt wird, besteht aus einem ersten achsensymmetrischen, einen sich verengenden und einen sich erweiternden Abschnitt enthaltenden Strömungsrohr 1, dem gasförmiger Sauerstoff unter einem Druck von 10 kg/cm durch ein Eintrittsrohr la zugeführt wird.
In der Achse dieses Rohres 1 ist eine metallische
Elektrode 2 angeordnet, die mit einer nicht dargestellten üblichen Quelle für Hochspannung von 2 000 V verbunden ist, so dass es möglich ist, am Austritt des Rohres 1 eine Entladung stattfinden zu lassen, um die Synthese von Ozon zu bewirken. Ein zweites sich verengendes und wieder erweiterndes Strömungsrohr
3 ist konzentrisch um das Rohr 1 angeordnet, so dass es möglich ist. Tetramethyläthylen um den dasRohr 1 verlassenden Ozonstrom einzublasen. Die Einführung des Tetramethyläthylens erfolgt durch ein Zu- führungsrohr 3a. Die beiden Rohre 1 und 3 sind elektrisch an einen nicht dargestellten Nullpunkt ange- schlossen. Hiedurch wird vermieden, dass die Leitung, durch die das zu oxydierende Gas strömt, unter
Spannung gesetzt wird.
Die durch die beiden konzentrischen Rohre gebildete Anordnung ist durch einen der Wiederverdichtung dienenden Sammelstutzen 4 verlängert. Eine Vakuumkammer 5, die das Aussen- rohr 3 und den Sammelstutzen 4 dicht verbindet, ermöglicht es, das Strömen des Gases mit Überschall- geschwindigkeit am Austritt der Strömungsrohre einzuleiten und diesen Zustand kontinuierlich aufrecht zu erhalten.
Der in dieser Vakuumkammer herrschende Druck liegt um 1/15 atm. Die axiale metallische
Elektrode 2 hört am Punkt 2a kurz hinter dem Austritt des Innenrohrs 1 auf. Sie ist durch ein isolierendes
Rohr 2b aus Quarz bis in den sich erweiternden Teil des Sammelstutzens 4 verlängert, denn die elektrische
Entladung darf nicht auf die Oxydationsprodukte einwirken, da dies eine Zersetzung des Ozons und die vorzeitige Zerstörung der Moleküle des Tetramethyläthylens zur Folge haben würde. Das Gesamtrohr aus
Elektrode 2 und Isolierrohr 2b ist hohl und dient zum Einspritzen von Wasser in den sich erweiternden Teil des Sammelstutzens, um die Zersetzung des gebildeten Ozonids in Aceton und Wasserstoffperoxyd zu be- wirken.
Das Tetramethyläthylen wird am Eintritt des Aussenrohrs 3 unter einem Druck von 6 kg/cm2 und bei einer Temperatur von 2000C zugeführt, um seine Verflüssigung während der Ausdehnung im Strömungs- rohr zu vermeiden.
Am Austritt des Rohrs 1 erfolgt unter der Einwirkung der elektrischen Entladung die Umwandlung des
Sauerstoffs in Ozon, der mit dem durch das Rohr 3 eingeblasenen Tetramethyläthylen unter Bildung eines Ozonids reagiert. Dieses Ozonid wird anschliessend mit Wasser im sich erweiternden Teildes Sammel- stutzens zersetzt, wobei Aceton und Wasserstoffperoxyd gebildet werden :
EMI3.1
<Desc/Clms Page number 4>
Das Aceton und das Wasserstoffperoxyd werden anschliessend auf bekannte Weise, beispielsweise durch Destillation, getrennt.
Die gleiche Vorrichtung kann auch unter Erzeugung mehrerer elektrischer Entladungen betrieben werden. Es sei angenommen, dass beispielsweise die Synthese von Salzsäure aus Äthylen und Chlor durchgeführt werden soll. Hiezu wird gasförmiges Äthylen unter einem Druck von 10 kg/cm2 durch das Rohr la in das zentrale Rohr 1 eingeführt. Die Strömungsmenge des Äthylens beträgt 6 1/sec, d. h. 21, 6 Nms/h.
Unter dem Einfluss eines nicht dargestellten Generators, der eine effektive Spannung von 1200 V bei 50 Hz liefert, findet eine elektrische Entladung zwischen der zentralen Elektrode und dem Rohr 1 statt. Die aufgenommene Leistung beträgt 40 kW. Durch die Entladung wird das Äthylen in Acetylen und Wasserstoff nach folgender Reaktion umgewandelt :
EMI4.1
EMI4.2
Entladung stattfinden. Die aufgenommene Leistung liegt bei 5 kW. Diese zweite Entladung bewirkt die Aktivierung des Chlors, d. h. die Ionisierung eines Teils der Atome dieses Gases und ermöglicht auf diese Weise die anschliessende Auslösung der Reaktion mit dem Acetylen.
Die Chloratome reagieren im Sammelstutzen 4 zuerst mit dem Wasserstoff und dann mit dem Acetylen, wobei hauptsächlich Salzsäure nach folgenden Reaktionen gebildet wird :
EMI4.3
und
EMI4.4
Die letzte Formel lässt erkennen, dass Kohlenstoff in feinteiliger Form gebildet wird. Diese Reaktion führt ebenfalls zur Bildung von zwei Nebenprodukten, nämlich Dichloräthylen (C H Cl = C H Cl) und Tetrachloräthan (C H Cl2 = C H C12)'
Durch die hohle Elektrode 2, die durch den isolierenden Teil 2b verlängert ist, wird Wasser am Ausgang des Sammelstutzens 4 derart eingespritzt, dass nach einer Reaktionszeit von etwa 1/100 sec die gebildeten Produkte gekühlt werden und die in Gasform erhaltene Salzsäure gelöst wird. Auf diese Weise wird die klassische Lösung HCI n HO erhalten.
Die in Wasser unlöslichen Nebenprodukte werden anschliessend auf übliche Weise destillativ getrennt und als Lösungsmittel verwendet.
Das Rohr 3 und der Sammelstutzen 4, die durch die Wand der Vakuumkammer 5 miteinander verbunden sind, sind geerdet. Das Rohr 1 und die Elektrode 2, die voneinander und vom Rohr 3 isoliert sind, werden auf die geeigneten Spannungen durch zwei getrennte (nicht dargestellte) Generatoren gebracht, die wie folgt geschaltet sind : einer zwischen Rohr 1 und Rohr 3 (2000 V effektiv), der andere zwischen Rohr 1 und Elektrode 2 (1200 V effektiv).
In den vorstehenden Beispielen wird das ringförmige Überschall-Strömungsrohr gebildet, indem dem Innenrohr 1 ein zylindrisches Aussenprofil und dem Aussenrohr 3 ein geeignetes Innenprofil mit sich verengendem und sich erweiterndem Abschnitt gegeben wird. Natürlich könnte auch umgekehrt dem Rohr 1 ein Aussenprofil mit sich verengendem und sich erweiterndem Abschnitt und dem Rohr 3 ein zylindrisches Innenprofil oder beiden Rohren ein geeignetes Profil mit sich verengenden und erweiternden Abschnitten gegeben werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Wichtig ist allein, dass der Strömungsquerschnitt des axialen Rohrs sich nach einem passenden Gesetz ändert.
In einem dritten Beispiel, das an Hand von Fig. 2 und 3 beschrieben wird, dient eine Vorrichtung mit lamellenartigen Strömungsrohren von rechteckigem Querschnitt zur Oxydation von Äthylen mit Ozon unter Bildung von Äthylenozonid, das sich anschliessend in Formaldehyd und Sauerstoff oder-in Gegenwart von Wasser - in Formaldehyd und Wasserstoffperoxyd zersetzt.
Die Vorrichtung umfasst zwei Überschall-Strömungsrohre 6 und 7 mit sich verengenden und erweiternden Abschnitten und rechteckigem Querschnitt. Jedes dieser Strömungsrohre wird aus zwei parallelen
<Desc/Clms Page number 5>
seitlichen Flächen aus isolierendem Material und zwei Flächen gebildet, die aus ebenen Abschnitten be- stehen, die nacheinander zusammenlaufen, und dann auseinanderlaufen, u. zw. so, dass über die Länge des Rohres ein veränderlicher quadratischer oder rechteckiger Querschnitt gebildet wird. Die parallelen
Seitenflächen werden durch Wände 8 und 9 aus Quarz gebildet, während die konvergierenden und diveri gierenden Flächen aus Messingstücken 10,11 und 12 bestehen.
Der durch die auseinanderlaufenden
Flächen 13 und 14 gebildete Divergenzwinkel ist kleiner als 80 oder höchstens 80, so dass ein Abreissen des Gasstroms längs der Wände im Überschallbereich vermieden wird.
Die beiden Kanäle 6 und 7 sind durch einen der Wiederverdichtung dienenden Sammelstutzen 15 von ebenfalls rechteckigem Querschnitt verlängert, der aus den Quarzwänden 8 und 9 und zwei Messingstticken I 16 und 17 besteht. Gebildet wird dieser Sammelstutzen ebenso wie die Kanäle 6 und 7 durch Abschnitte, die nacheinander konvergieren, parallel verlaufen und divergieren. Er nimmt einen Gasstrom auf, der durch die Vereinigung der aus den Kanälen 6 und 7 austretenden lamellenartigen, mit Überschallge- schwindigkeit fliessenden Gasströme entstanden ist, und ermöglicht seine Wiederverdichtung auf den Ent-
EMI5.1
Der durch die Teile 10,11 und 12 gebildete Block von Kanälen und der durch die Teile 16 und 17 gebildete Sammelstutzen sind durch eine Unterdruckkammer 18, die die gleiche Rolle wie im vorigen Beispiel bei den Strömungsrohren von kreisrundem Querschnitt spielt, dicht miteinander verbunden.
Es ist festzustellen, dass ein Kanal dieser Art von rechteckigem Querschnitt bei gleichem Entspannungs- verhältnis länger ist als ein achsensymmetrisches Rohr, denn ein rechteckiger Querschnitt des divergierenden Teils eines Kanals dieser Art ändert sich linear in Abhängigkeit vom Abstand dieses Querschnitts vom Hals, während in einem achsensymmetrischen Rohr der Querschnitt sich wie das Quadrat dieses Abstandes ändert.
Der Kanal 6 ist durch ein Rohr 6a mit einem Sauerstofferzeuger verbunden, der dieses Gas unter einem Druck von 6 kg/cm2 liefert. Dieser Sauerstoff wird im Innern des Kanals bis zu einem Druck von etwa 1/10 atm entspannt. Mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Hochspannungsgenerators lässt man im Sauerstoffstrom eine elektrische Entladung stattfinden, wobei die konvergierenden und divergierenden Messingwände 10 und 11 als Elektroden dienen. Die elektrische Entladung findet zwischen den beiden leitenden divergierenden Flächen 13 am Austritt des divergierenden Teils statt und bewirkt die Umwandlung des Sauerstoffs in Ozon. Dem Kanal 14 wird in gleicher Weise Äthylen unter Druck durch die Leitung 7b zugeführt.
Am Austritt der Kanäle 6 und 7 mischen sich die Gasströme, und der Ozon verbindet sich sofort mit dem Äthylen unter Bildung von Äthylenozonid gemäss der Reaktion
EMI5.2
Der Sammelstutzen 15, in dem die Wiederverdichtung stattfindet, ermöglicht die Abführung der Gase unter einem Druck, der dicht bei Atmosphärendruck liegt, und mit geringer Geschwindigkeit. Am Austritt des Sammelstutzens kann eine Zersetzung des gebildeten Äthylenozonids entweder nach der Reaktion
EMI5.3
<Desc/Clms Page number 6>
in Abwesenheit von Wasser oder nach der Reaktion
EMI6.1
in Gegenwart von Wasser erfolgen.
Die Messingteile 11 und 12, die den Kanal 7 bilden, und die Teile 16 und 17, die den Sammel-
EMI6.2
dieser Gase vorzeitig zerstört würden. Wie bereits erwähnt, wird der Teil 10 durch einen (nicht dargestellten) Hochspannungsgenerator auf eine hohe Spannung gebracht und hat zum Teil 11 einen Spannungsunterschied von mehreren tausend Volt, so dass im Sauerstoffstrom im Überschallbereich am Austritt des Kanals 6 eine Entladung stattfindet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Umsetzung von strömenden Gasen mittels elektrischer Entladungen bei hoher Strö- mungsgeschwindigkeit und vermindertem Druck, dadurch gekennzeichnet, d ass man mehrere elektrische Ent- ladungen in mehreren Gasströmen, welche die zu behandelnden Gase enthalten, an Stellen in diesen
Gasströmen stattfinden lässt, an denen die Gasströme auf Überschallgeschwindigkeit gebracht und der Druck und die Temperatur durch eine im wesentlichen adiabatische Entspannung gesenkt worden sind, und die Gasströme gemischt werden, um sie gemeinsam umzusetzen.