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Reaktionsgefäss, insbesondere zur Beschleunigung der Wasserstoffaufnahme während der Hydrierung von Alkali-und Erdalkalimetallen
Die Erfindung betrifft ein Reaktionsgefäss, wie es insbesondere die Herstellung von Hydriden der
Alkali-und Erdalkalimetalle durch direkte Hydrierung dieser Metalle bei erhöhten Temperaturen und erhöhtem Druck verwendbar ist.
Bisher wurden die Alkali- und Erdalkalihydride ganz allgemein durch direkte Reaktion der genannten Metalle mit Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen und erhöhtem Druck in einem diskontinuierlichen Verfahren hergestellt, bei welchem die Reaktion genügend lang, meist mehrere Stunden hindurch, aufrechterhalten werden musste, bis eine genügende Menge des Produktes erzielt wurde. Verschiedene Ausführungsformen dieses Verfahrens sind beschrieben, doch keine derselben kann für die industrielle Herstellung der Hydride herangezogen werden. Die Hydride werden in fester Form erhalten, welche durch die geschmolzenen Metalle nicht benetzt wird, und demzufolge kommt es sowohl an der Innenwand des Reaktionsgefässes als auch auf der Oberfläche der Metallschmelze zur Krustenbildung.
Die Krusten behindern einerseits den Wärmeübergang und haben anderseits einen erhöhten Wasserstoffverbrauch zur Folge, solange nicht besondere Massnahmen getroffen werden, wie z. B., dass die Metallschmelze in einem Kohlenwasserstoff, etwa Mineralöl od. dgl., dispergiert wird, der jedoch nur schwer vom Endprodukt zu entfernen ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine möglichst kontinuierlich arbeitende Reaktionsanordnung zu schaffen, in welcher die reagierenden Bestandteile miteinander in inniger Berührung stehen und dadurch einen besseren Umsatz ermöglichen, der zu einem hochwertigen reinen Produkt mit grosser Oberfläche führt. Dabei soll ein vollständiger Wärmeübergang trotz der anfänglichen Neigung des Endproduktes zur Krustenbildung ermöglicht werden. Ferner muss besonders für eine leichte, doch gründliche und kontinuierliche Abtrennung des Reaktionsproduktes von dem Reaktionsgemisch Sorge getragen werden.
Schliesslich muss die stattfindende heterogene Reaktion nach den formalkinetischen Beziehungen stattfinden, die ansonsten nur für homogene Reaktionen gelten, weil dadurch eine hohe anfängliche Reaktionsgeschwindigkeit bewirkt wird, die das Arbeiten in kleinen Reaktionsräumen und eine kontinuierliche Durchführung des Verfahrens ermöglicht.
Dies alles wird erfindungsgemäss dadurch erzielt, dass das Reaktionsgefäss zumindest aus drei etagenförmig übereinander gelagerten, ingegenseitiger Verbindung stehenden Teilbehältern besteht, von wel - chen der mittlere, als Autoklav dienende Behälter mit dem unteren Sammelbehälter für das Reaktionsprodukt mittels einer axial geführten Überlaufröhre in Verbindung steht, die zwischen den beiden Be-
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ven von einer schwingenden, zu dem Überlaufrohr koaxialen Röhre mit Spiel, um welche eine schneckenförmig gewundene Trenn- und Förderrinne angeordnet ist, umgeben ist, wobei dieser Autoklav ferner mit einem Rührer ausgerüstet ist, dessen Triebwerk gemeinsam mit dem elektromagnetischen Schwingungserreger im oberen Behälter eingeschlossen ist,
der mit dem Druckraum des Autoklaven in
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Verbindung steht.
Im nachstehenden sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Reaktionsanordnung an Hand der Figuren näher beschrieben. Fig. 1 zeigt einen dreigliedrigen Reaktor in schematischer Darstellung im senkrechten Axialschnitt und Fig. 2 eine andere Ausführung in Seitenansicht mit einem teilweisen Axialschnitt.
Nach Fig. 1 besteht der Autoklav zur Durchführung einer direkten Reaktion zwischen geschmolzenem Natrium und Wasserstoff aus einem dickwandigen, zylindrischen Behälter --1-- mit einem Deckel --2--. der mittels einer axial durch den Boden des Behälters durchgeführten Röhre --3-- mit dem oberen Behälter --4-- in Verbindung steht, in welchem einerseits der Elektromotor --5-- für den Antrieb der Rührvorrichtung --6-- sowie der Schwingungserreger --7-- eingeschlossen sind.
Von diesen beiden Vorrichtungen führen die zwei zueinander koaxialen und in der Röhre --3-- axial gelagerten Hohl- wellen-8, 9- bis in den Autoklaven --1--, wo an der äusseren Welle --8-- die Rührvorrichtung --6-- mit den Rührarmen --10-- hängt, die während des Rührvorganges mit einem geringen Spielraum dicht entlang der Innenwandung des Autoklaven-l-vorbeistreichen, und an der inneren Welle --9-- die Trenn- und Förderrinne --14-- aufgehängt ist. Den Boden des Autoklaven --1-- durchsetzt das Über-
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welches imabschnittde Abschnitt ist mit der schwingenden Hohlwelle-9-, um welche die schneckenartig gewundene Trenn- und Förderrinne --14-- angeordnet ist, umgeben ist.
Das obere Ende der Austragrinne --14-- endet mit einem trichterförmigen Ansatz --16--, welcher in die Sturzröhre --11-- mündet. Oberhalb der Hülse - mit der Austragrinne --14-- ist eine kegelstumpfförmige Prallwand --17-- vorgesehen, die das
Produkt vor Verunreinigungen mit der zerstäubten Metallschmelze schützt. Die im oberen Behälter --4-eingeschlossenen Antriebselemente, nämlich der Elektromotor --5-- und der Schwingungserreger --7--, werden der Einwirkung der aus dem Autoklaven ausstrahlenden Reaktionswärme durch einen unterhalb des oberen Behälters --4-- gelagerten Bodenkühler --18-- entzogen. Zur Zufuhr der Ausgangsmaterialien in den Autoklaven sind an seinem Kopf oder dicht unterhalb des Deckels --2-- die Eintrittsstutzen --19-zur Einleitung von Wasserstoff und in seinem Boden die Eintrittsstutzen --20-- zur Einführung des geschmolzenen Metalls vorgesehen.
Gemäss Fig. 2 ist der mit einem gewölbten Boden und einem flachen Deckel --2-- versehene Autoklav --1-- mittels einer axialen Röhre --3-- mit dem oberen Behälter --4-- verbunden, in welchem der Elektromotor --5-- zum Antrieb der Rührvorrichtung --6,10-- sowie der elektromagnetische Schwingungserreger eingeschlossen sind.
An einem inneren Flansch --23-- des Behälters --4-- ist ein Solenoid - -7-- fest angeschraubt, dessen an der Welle --9-- befestigter Kern zu beiden Seiten von je vier in Richtung von sich im Raum kreuzenden Geraden, d. h. also windschief zueinander gestellten Torsionsfedern --24,25-- abgestützt ist.Resultierend aus den von dem Solenoid und den Federn hervorgerufenen Bewegungen ergeben sich räumliche Schwingungen, deren Frequenz und Grösse, Gleit- und Wendebewegungen durch die auf das Solenoid wirkenden Kräfte und durch die Charakteristik der Torsionsfedern bestimmt werden.
Zum Unterschied von den bekannten Schwingungsförderern, die stückiges Gut beför- dern, sollen hier winzige Schwingungen mit einer um eine Grössenordnung höheren Frequenz sowohl für eine innige Durchmischung der Reaktionsmasse zwecks Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, als auch zur vollständigen Trennung und Entfernung des Reaktionsproduktes herangezogen werden.
Von den im Schutzbehälter --5-- eingeschlossenen Antriebsmitteln führen die beiden zueinander koaxialen und innerhalb der Röhre --3-- axial gelagerten Hohlwellen --8,9-- in den Autoklaven, wo von der äusseren Welle --8-- die Rührvorrichtung --6,10-- getragen und betätigt wird, während an der inneren Welle --9-- die Trenn- und Förderrinne --14-- aufgehängt und in Schwingungen versetzt wird.
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und am Umfang mit den Kühlrippen --22-- ausgerüstet. Zur Abführung der Wärme des aus dem Autoklaven austretenden Endproduktes ist an der Sturzröhre --11-- ein Durchflusskühler --13-- vorgesehen.
Die im oberen Behälter --4-- eingeschlossenen Triebwerke werden vor der aus dem Autoklav strahlenden Reaktionswärme ebenfalls durch einen unterhalb des Behälters --4-- angeordneten Bodenkühler --18 -- geschützt. Die zur Durchführung der Reaktion erforderliche Wärme wird dem Autoklaven mittels eines ringförmigen Brenners --26-- zugeführt, der unterhalb des gewölbten Bodens gelagert ist.
Die beschriebene Anordnung arbeitet folgendermassen :
Vor Inbetriebnahme der erfindungsgemässen Vorrichtung müssen der Autoklav --1-- und der Sammel- behälter --12-- zur Beseitigung der Luft mit Stickstoff gefüllt und auf eine Temperatur von 200 C er-
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hitzt werden. Der Stickstoff wird zu einem späteren Zeitpunkt durch vorerhitzte Wasserstoff ersetzt.
Nachdem die Temperatur von 2000 C erreicht ist, wird mit einer Dosierpumpe das geschmolzene Natrium eingeleitet, dieRührvorrichtung in Gang gesetzt und die Temperatur weiter bis zur Reaktionstemperatur, welche zwischen 270 und 3200 C liegt, gesteigert. Hierauf wird auch der Schwingungserreger eingeschaltet und der Wasserstoffdruck konstant zwischen 40 und 50 atm gehalten. Auch das geschmolzene Natrium wird kontinuierlich zugeführt, damit im Autoklaven stets eine konstante Menge desselben vorliegt. Sobald im Sammelbehälter --12 -- eine hinreichende Hydridmenge vorhanden ist, wird diese nach vorheriger Abschaltung der Zufuhr von Wasserstoff und Natrium pneumatisch abgelassen. Die Rührvorrichtung und der Schwingungserreger bleiben in Tätigkeit. Nach dem Entfernen des Endproduktes werden wieder Wasserstoff und Natrium in das erfindungsgemässe Reaktionsgefäss eingeführt.
Zum Ausgleich für den bei der Entfernung des Endproduktes verlorenen Wasserstoff wird entsprechend mehr Wasserstoff dosiert als dem äquimolaren Verhältnis entspricht.
Durch das Zusammenwirken der Rührvorrichtung mit dem elektromagnetischen Schwingungserreger wird die reagierende Masse und somit auch das erzielte Reaktionsprodukt in feinverteiltem Zustand erhalten, wodurch das Zusammenballen der einzelnen Partikeln und somit auch die Bildung einer kompakten Schmelze verhindert wird. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die vorliegenden Re- aktionen in Gegenwart von katalytisch aktiven Stoffen beschleunigt werden. Es ist daher möglich, welche Stoffe auch hier etwa gemeinsam mit Wasserstoff dem Reaktionsgemisch zuzufügen und die rein mechanische Wirkung der Vorrichtung, die schon an sich eine Beschleunigung der Reaktion zur Folge hat, auch auf chemischem Wege zu unterstützen.
Das feste, pulverförmige Reaktionsprodukt wird staandig mittels der schwingenden, schraubenförmigen Transportrinne aus der Schmelze über das Niveau derselben zum Sturzrohr und von dort in den Sammelbehälter getragen. Dabei findet eine zuverlässige und hochwirksame Abtrennung des Reaktionsproduktes von der Schmelze statt, die das Produkt nicht benetzt und daher zurückbleibt. Es wird demnach ein reines Endprodukt erhalten, das keiner Nachreinigung be-. darf.