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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen bei hohen Tempe- raturen sowie einen Reaktor zur Durchführung des Verfahrens.
Sowohl der erfindungsgemässe Reaktionsapparat als auch das in einem solchen Apparat durch- geführte Verfahren machen von einer Strahlungskopplung als Wärmequelle Gebrauch, halten die in
Betracht gezogenen chemischen Reaktionen in einer Schicht oder Umhüllung aus einem Schutzfluid ausser Berührung mit den Begrenzungsflächen des Reaktionsapparates und sehen ein Wärmeschild vor. das die Strahlungsenergie erzeugenden Heizeinrichtungen und die Reaktionszone im wesentli- chen umschliesst, um einen "Hohlraum mit der Charakteristik eines schwarzen Körpers" oder einen "Strahlungshohlraum"zu bilden.
Der hier benutzte Ausdruck "Hohlraum mit der Charakteristik eines schwarzen Körpers"oder"Strahlungshohlraum"soll allgemein einen Raum bezeichnen, der im wesent- lichen von einer oder mehreren Flächen umschlossen ist und aus dem im Idealfall keine Strahlung entweichen kann. Bei dem erfindungsgemässen Reaktor bildet das Wärmeschild die den "Hohlraum mit der Charakteristik eines schwarzen Körpers" umschliessenden Flächen. Das Material, aus dem das Wärmeschild hergestellt ist, wirkt als Isolator, der die Übertragung von Wärme aus dem Inne- ren des Strahlungshohlraumes verhindert und muss in der Lage sein, den Temperaturen standzuhal- ten. die von der Strahlungsenergie emittierenden Heizeinrichtung erzeugt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Stufen umfasst : (i) Herstellung einer ringförmigen Umhüllung aus einem inerten Fluid, das für Strah- lungsenergie im wesentlichen durchlässig ist, wobei die Umhüllung eine wesentliche axiale Länge aufweist und der Innenbereich der Umhüllung eine Reaktionskammer bildet ; (ii) Einführen wenigstens eines Reaktionsteilnehmers durch die Reaktionskammer hindurch entlang eines vorherbestimmten Weges, der im wesentlichen mit der Längsachse der Umhüllung zusammenfällt, wobei die Reaktionsteilnehmer durch die Reaktionskammer umschlossen sind ;
(iii) Erzeugung einer Strahlungsenergie hoher Intensität an einem Punkt ausserhalb der Reaktionskammer ; und (iv) Sammeln und Fokussieren der Strahlungsenergie hoher Intensität und Einführen der Strahlungsenergie in die Reaktionskammer, zusammenfallend mit wenigstens einem Teil des vorherbestimmten Weges der Reaktionsteilnehmer, wobei innerhalb der Reaktionskammer eine ausreichende Strahlungsenergie absorbiert wird, um die Temperatur der Reaktionsteilnehmer auf den für das Einleiten und Aufrechthalten der gewünschten chemischen Reaktion erforderlichen Wert zu erhöhen.
Der erfindungsgemässe Reaktor mit Fluidwänden für chemische Reaktionen bei hohen Temperaturen zur Durchführung des vorstehend definierten Verfahrens, wobei im wesentlichen die gesamte Wärme durch Strahlungskoppelung zuführbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass er folgende Bauteile umfasst : (A) Ein Reaktionsrohr (11) mit einem Eingangsende (12) und einem Ausgangsende (14). wobei das Innere des Rohres eine Reaktionskammer (17) bildet und das Reaktionsrohr (11) aus einem Material hergestellt ist, das für Strahlungsenergie im wesentlichen durchlässig ist, und eine Innenwand (15) sowie eine Aussenwand (16) aufweist, die zwischen einander einen ringförmigen Kanal zum Umlauf eines für Strahlungsenergie im wesentlichen durchlässigen Fluidmediums durch den Kanal hindurch, zwecks Kühlung des Reaktionsrohres (11) bilden ;
(B) einen Diffusor (21, 22), angeordnet nahe dem Eingangsende (12) des Reaktionsrohres (11), um ein für Strahlungsenergie im wesentlichen durchlässiges, inertes Gas unter Druck hindurchzuführen und hernach in einem annähernd laminaren Fluss axial durch die Reaktionskammer (17) zu führen, um eine Schutzschichte für die Innenwand (15) des Reaktionsrohres (11) zu schaffen ;
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teilnehmer auf einem vorherbestimmten Weg axial zu dem Reaktionsrohr (11) geführt werden und durch die Schutzschichte im wesentlichen inmitten der Reaktionskammer (17) und ausser Kontakt mit der Innenwand (15) des Reaktionsrohres (11) umschlossen werden ;
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wird durch den Reflektor (31) und in die Reaktionskammer (17) gerichtet wird, zusammenfallend mit wenigstens einem Teil des vorherbestimmten Weges der Reaktionsteilnehmer.
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Stand der Technik :
Reaktionsapparate zur Durchführung chemischer Reaktionen bei hohen Temperaturen werden gegenwärtig für Pyrolyse-, Thermolyse-, Dissoziation-, Decompositions- und Verbrennungsreaktionen sowohl organischer als anorganischer Verbindungen benutzt. Bei allen diesen Reaktionsapparaten erfolgt die Wärmeübertragung auf die Reaktionsteilnehmer durch Konvektion und/oder Wärmeleitung.
Diese Eigenschaft ist die Ursache für zwei Hauptprobleme, welche die Art und den Umfang der aus- führenden Reaktionen begrenzen. Beide Probleme beruhen auf der Tatsache, dass bei bekannten Reak- tionsapparaten. bei denen die Wärmeübertragung auf die Reaktionsteilnehmer durch Konvektion statt- findet, die höchste Temperatur im System notwendig an der Grenzfläche zwischen der Innenwand des Reaktionsapparates und dem Strom der Reaktionsteilnehmer herrscht.
Das erste Problem betrifft die Grenzen der verfügbaren Reaktionstemperaturen, die sich aus der Festigkeit bekannter Wandungswerkstoffe für Reaktionsapparate bei hohen Temperaturen erge- ben. Die abnehmende Fähigkeit solcher Materialien, die erforderlichen Eigenschaften bei steigenden
Temperaturen beizubehalten, ist allgemein bekannt. Da es jedoch erforderlich ist, dass diese Werkstof- fe auf hohe Temperaturen gebracht werden, damit Wärmeenergie auf den Strom der Reaktionsteilneh- mer übertragen wird, sind die verfügbaren Reaktionstemperaturen auf solche begrenzt, auf die die
Reaktorwände noch sicher erwärmt werden können. Dieser Faktor ist von besonderer Bedeutung, wenn die durchzuführende Reaktion entweder unter hohem Druck ablaufen muss oder hohe Drücke erzeugt.
Das zweite Problem ist durch die beiden Tatsachen bedingt, dass bei den bekannten Reaktion- apparaten die Wandung auf der höchsten Temperatur des Systems ist und dass der durch Konvektion und Wärmeleitung erfolgende Wärmetransport erfordert, dass die Reaktorwand und der Strom der
Reaktionsteilnehmer in Berührung stehen. Wegen der hohen Temperatur ist die Reaktorwand ein idealer, wenn nicht sogar der günstigste Ort für den Reaktionsablauf. Daher sammeln sich in vie- len Fällen die Reaktionsprodukte an der Reaktorwand an.
Das Ausbilden einer Schicht von Reak- tionsprodukten auf der Reaktorwand verschlechtert den Wärmeübergang auf den Reaktionsteilnehmer, und es ist diese fortlaufende Zunahme des Wärmewiderstandes. die es erforderlich macht, dass die Temperatur der Wärmequelle fortlaufend erhöht wird, um die Menge der auf die Reaktionsteilnehmer übertragende Wärme auf dem ursprünglichen Wert zu halten. Es ist ersichtlich, dass bei fortlaufendem Anwachsen der Schichtdicke Temperaturen der Wärmequelle erforderlich werden können, welche die Belastbarkeit des Wandmaterials des Reaktionsapparates überschreiten. Weiterhin wird, da zusätzliche Energie zum Unterhalten der Reaktion benötigt wird, der Wirkungsgrad des Verfahrens sowohl in technischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht geringer.
Daher muss in dem Zeitpunkt, in dem die gewünschte Reaktion im Hinblick auf unzureichende Wärmeübertragung, Überschreiten der Materialfestigkeit oder wirtschaftliche Betrachtungen nicht länger unterhalten werden kann, der Reaktionsapparat stillgelegt und gereinigt werden.
Das Reinigen erfolgt gewöhnlich mechanisch durch Abkratzen der Reaktorwand oder chemisch durch Ausbrennen der Rückstände. Bei manchen kontinuierlichen Verfahren wurde der Versuch gemacht, die Reaktorwand bei laufender Reaktion abzukratzen. In diesem Fall wird jedoch notwendig das Kratzwerkzeug selbst heiss und zu einem Reaktionsort, so dass es anschliessend gereinigt werden muss. In jedem Fall verursacht das Stillsetzen einen erheblichen wirtschaftlichen Verlust. In vielen Fällen wird ein zweites System installiert, um den Verlust an Produktionszeit zu reduzieren.
Eine solche zusätzliche Einrichtung erfordert jedoch allgemein eine bedeutende Kapitalinvestition.
Bekannte Reaktionsapparate für hohe Temperaturen weisen ein Reaktionsrohr auf, das auf eine Temperatur aufgewärmt wird, bei der die Innenseite genügend Strahlungsenergie emittiert, um die Reaktion einzuleiten und zu unterhalten. Wie im Fall von Reaktionsapparaten, bei denen der Wärmeübergang durch Wärmeleitung oder Konvektion erfolgt, findet auch hier bei Reaktionen, die feste Produkte ergeben, häufig ein unerwünschtes Anwachsen der Produkte an den Rohrwänden statt, so dass eine reduzierte Wärmeübertragung und sogar ein Verstopfen des Rohres die Folge ist.
Aus der US-PS Nr. 2, 926, 073 ist ein Reaktionsapparat zur Erzeugung von Russ und Wasserstoff durch die Pyrolyse von Erdgas bekannt. Das dabei durchgeführte Verfahren wird als kontinuierlich bezeichnet. In der Praxis verursacht jedoch die Wärmeübertragung durch Konvektion, mit der der bekannte Reaktionsapparat arbeitet, ernsthafte Probleme sowohl hinsichtlich des Unterhaltens
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als auch der Steuerung der Reaktion. Da die beheizten Rohre des Reaktionsapparates ideale Reaktionsstellen sind, setzt sich der Kohlenstoff unvermeidlich an den Wänden ab und verstopft gegebenenfalls das System. Bedeutender ist jedoch das Problem eines thermischen Durchgehen, das Explosionen zur Folge haben kann.
In dieser Hinsicht wurde festgestellt, dass während der Pyrolyse
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tions-Reaktor nicht mit genügender Geschwindigkeit und Genauigkeit geregelt werden können, um diese Erscheinung zu kompensieren, kann das System in manchen Fällen unstabil werden und zu
Explosionen führen. Solche Bedingungen liegen im Wesen aller bekannten Reaktionsapparate und es ist bis jetzt kein Weg gefunden worden, um dieses Problem zu lösen.
Aus der US-PS Nr. 3, 565. 766 ist ein neuer Versuch bekannt, die Qualität von Kohle durch Pyrolyse zu verbessern. Der hiezu verwendete Reaktionsapparat umfasst eine Anzahl von Stahlkesseln, die als mehrstufige Fliessbetten mit fortlaufend zunehmenden Temperaturen bis zu etwa 8750C wirken. Die Erzeugung der Wirbelschicht erfolgt bei tieferen Temperaturen durch ein inertes Gas, das selbst Wärme zuführen kann, obwohl eine äussere Beheizung vorgesehen ist. Bei höheren Temperaturen erfolgt die Bildung der Wirbelschicht durch das in der letzten Stufe gewonnene Obergas.
In der letzten Stufe wird die Temperatur durch eine interne Verbrennung der Kohle in Luft oder Sauerstoff aufrechterhalten. Da dieses System in erster Linie von einer Wärmeübertragung durch Konvektion abhängt, treten in ihm viele der Mängel und Nachteile auf, die vorstehend behandelt worden sind.
Eine aus der US-PS Nr. 2, 062, 358 bekannte Vorrichtung zur Herstellung von Russ weist ein poröses Rohr auf, das innerhalb einer Heizkammer angeordnet ist. In diese Kammer wird von einem entfernten Ofen heisses Gas gedrückt, das danach durch die Wandung des porösen Rohres gepresst wird, damit es sich mit den Reaktionsteilnehmern vermischt. Demgemäss wird hier eine Wärmeübertragung durch Konvektion von einem Fluid auf die Reaktionsteilnehmer angewendet. Diese Tatsache erfordert in Verbindung mit dem Fehlen eines die Abstrahlung von Wärme nach aussen verhindernden Hohlraumes den Fluss eines grossen Volumens des Fluids durch die Wärmekammer, um Wärmeverluste auszugleichen.
Aus der US-PS Nr. 2, 769. 772 ist ein Reaktionsapparat zur Wärmebehandlung von fluiden Stoffen, wie Kohlenwasserstoffen, bekannt, der zwei konzentrische Rohre aufweist, die in einem Flammofen angeordnet sind. Die Reaktionsteilnehmer fliessen axial durch das durchlässige innere Rohr.
Den ringförmigen Raum zwischen den konzentrischen Rohren durchfliesst ein als Wärmeträger dienendes Gas, das durch die Berührung mit der äusseren Wand aufgeheizt wird. Die Fluide in dem inneren Rohr werden durch Konvektion erwärmt, wenn das Wärmeträgergas die durchlässige Wand durchdringt und sich mit den Fluiden vermischt. Eine Wärmeübertragung durch Strahlung ist ausdrücklich vermieden. Tatsächlich ist es unmöglich, das innere Rohr zu erwärmen. ohne gleichzeitig das äussere Rohr wenigstens auf die gleiche Temperatur zu bringen.
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US-PS Nu. 2. 769. 772 bekannten Prinzip gleich ist. Der Ofen enthält ein poröses, feuerfestes Rohr, das von einem Mantel umgeben ist. Ein brennbares Fluid wird aus einer ringförmigen Kammer durch die poröse Wand in das Innere des Rohres gepresst, wo es entzündet wird.
Es versteht sich jedoch, dass das brennbare Fluid in der ringförmigen Kammer explodieren würde, wenn es nicht mit einer Geschwindigkeit durch die poröse Wand gepresst wird, die grösser ist als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme zurück durch die Wand. Weiterhin muss die Temperatur in der ringförmigen Kammer unterhalb der Entzündungstemperatur der Gas-Luft-Mischung sein. Verbrennungsprodukte der Oberflächenflamme vermischen sich mit den Reaktionsteilnehmern in dem Ofen, so dass sie die Reaktionsteilnehmer verdünnen und möglicherweise auch mit ihnen reagieren. Die Erwärmung der Reaktionsteilnehmer erfolgt durch eine konvektive Mischung der Verbrennungsprodukte mit den Reaktionsteilnehmern.
Die US-PS Nr. 2, 670, 272, Nr. 2, 670, 275, Nr. 2, 750, 260, Nr. 2, 915, 367, Nr. 2, 957, 753 und Nr. 3, 499, 730 offenbaren Verbrennungskammern zur Erzeugung von Titandioxyd-Pigment durch Verbrennung von Titantetrachlorid in Sauerstoff. Bei der Vorrichtung nach der US-PS Nr. 2, 670, 275, die für diese
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Gruppe von Apparaten typisch ist, wird das Titantetrachlorid in einem feuerfesten, porösen Rohr verbrannt. Ein träges Gas wird fortlaufend durch das poröse Rohr in eine Brennkammer geleitet, wo es an der Innenfläche des Rohres eine Schutzschicht bildet. Diese gasförmige Schutzschicht redu- ziert erheblich die Tendenz der Titandioxyd-Teilchen, an den Wänden des Reaktors anzuhaften.
Da die Verbrennung von Titantetrachlorid eine exotherme Reaktion darstellt, ist keine Einrichtung vor- gesehen, um der Reaktionsmischung Wärme zuzuführen, während sie das Rohr durchläuft. Tatsäch- lich lehrt die US-PS Nr. 2,670, 275, dass es vorteilhaft ist, aus der Reaktionskammer Wärme abzufüh- ren, indem entweder die Anordnung mit dem porösen Rohr der Atmosphäre ausgesetzt oder ein Kühl- mittel durch eine Rohrschlange geleitet wird, welche das poröse Rohr umgibt.
Wesen der Erfindung
Bei dem vorliegenden Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen bei hohen Temperatu- ren wird eine ringförmige Umhüllung mit beträchtlicher axialer Länge aus einem inerten Fluid er- zeugt, das im wesentlichen für Wärmestrahlung durchlässig ist. Dann wird wenigstens ein Reaktions- teilnehmer durch den Kern der Umhüllung längs eines vorbestimmten Weges geleitet, der im wesentli- chen mit der Achse der Umhüllung zusammenfällt, so dass die Reaktionsteilnehmer auf den von der
Umhüllung umschlossenen Raum begrenzt sind. Nachdem der Fluss der Reaktionsteilnehmer ausgelöst wurde, wird durch die Umhüllung hindurch Strahlungsenergie hoher Intensität gerichtet, die wenig- stens einen Teil des Weges der Reaktionsteilnehmer trifft.
In dem Kern wird eine ausreichende Energiemenge absorbiert, um die Temperatur der Reaktionsteilnehmer auf einen Wert anzuheben, der zum Auslösen der gewünschten chemischen Reaktion ausreicht.
Wenn die Reaktionsteilnehmer selbst für Strahlungsenergie durchsichtig sind, wird in den Strom der Reaktionsteilnehmer ein absorbierender Körper eingeführt. Dieser Körper nimmt eine ausreichende Menge Strahlungsenergie auf. um die Temperatur im Kern auf das gewünschte Niveau anzuheben. Manchmal ist, wenn die Reaktionsteilnehmer für die Strahlung durchlässig sind, wenigstens eines der Reaktionsprodukte absorbierend. In solchem Fall kann der absorbierende Körper nach Einleiten der Reaktion entfernt und die Reaktion ohne den Körper fortgesetzt werden. Ein Beispiel für eine solche Reaktion ist die Pyrolyse von Methan zu Kohlenstoff und Wasserstoff.
Bei manchen Reaktionen tritt eine teilweise oder vollständige Umkehrung ein, wenn die Reaktionsprodukte nicht sofort und schnell gekühlt werden. Für solche Fälle ist ferner vorgesehen, dass eine Kühlung der Reaktionsprodukte und restlicher absorbierender Körper unmittelbar nach Abschluss der gewünschten Reaktion erfolgt, um eine solche ungewünschte Umkehr der chemischen Reaktionen zu verhindern.
Bei einem zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ausgebildeten Reaktionsapparat wird im wesentlichen die gesamte benötigte Wärme den Reaktionsteilnehmern durch Strahlungskopplung zugeführt. Gewisse Ausführungsformen des Reaktionsapparates weisen ein Rohr mit Einlass und Auslass auf, dessen Inneres die Reaktionskammer bildet. Einrichtungen zum Einleiten eines inerten Fluids in die Reaktionskammer erzeugen eine Schutzschicht für die Innenseite des Reaktionsrohres. Einrichtungen zum Einführen wenigstens eines Reaktionsteilnehmers in die Reaktionskammer durch den Einlass des Rohres bewirken, dass die Reaktionsteilnehmer auf einen vorbestimmten Weg gerichtet werden, der axial zum Reaktionsrohr verläuft.
Die von dem inerten Fluid gebildete Schutzschicht begrenzt die Reaktionsteilnehmer im wesentlichen zentrisch innerhalb der Reaktionskammer und hält sie ausser Kontakt mit dem Reaktionsrohr. Strahlungsenergie hoher Intensität wird erzeugt und so in die Reaktionskammer gerichtet, dass sie wenigstens mit einem Abschnitt des Weges der Reaktionsteilnehmer zusammenfällt. Von dieser Strahlungsenergie wird ein ausreichender Anteil absorbiert, um die Temperatur der Reaktionsteilnehmer auf das Niveau anzuheben, das zum Auslösen der gewünschten chemischen Reaktion erforderlich ist.
Anders als die bekannten Konvektions-Reaktoren macht die Erfindung von einer Strahlungskopplung zur Übertragung der Wärme auf den Strom der Reaktionsteilnehmer Gebrauch. Die Menge der Wärmeübertragung ist sowohl von einem körperlichen Kontakt zwischen dem Strom der Reaktionsteilnehmer und der Reaktorwand als auch dem Ausmass einer turbulenten Durchmischung dem Strom unabhängig. Die primäre Bedeutung für die Wärmeübertragung hat'bei dem erfindungsgemässen System der Strahlungsabsorptionskoeffizient a der Reaktionsteilnehmer. Die Schutzschicht aus einem inerten Fluid, welche die Reaktorwand schützt, ist vorzugsweise im wesentlichen für Strahlung
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durchlässig und hat demgemäss einen sehr geringen Wert von a.
Dies ermöglicht eine Übertragung der Strahlungsenergie durch die Schutzschicht zum Strom der Reaktionsteilnehmer mit geringen oder keinen Energieverlusten. Im Idealfall haben entweder die Reaktionsteilnehmer selbst oder ein Absorptionskörper einen hohen Strahlungsabsorptionskoeffizienten, so dass sie grosse Energiemengen absorbieren, oder es können statt dessen die Reaktionsteilnehmer wie in einem Nebel fein verteilt werden, so dass die Strahlung durch Streuung zwischen den Teilchen gefangen und absorbiert wird.
Da Stoffe, die gute Strahlungsabsorber sind, allgemein auch gute Strahler sind, werden die Reaktionsteilnehmer oder absorbierenden Körper, wenn sie auf ausreichend hohe Temperaturen gebracht worden sind, zu Sekundärstrahlern, welche im gesamten Reaktionsvolumen Energie wieder abstrahlen und dadurch die Wärmeübertragungseigenschaften des Systems weiter verbessern. Diese Wärme- übertragung findet fast augenblicklich statt und kann daher genau und schnell geregelt werden.
Weiterhin ist die Erscheinung der Wiederabstrahlung, die eine schnelle und gleichförmige Erwärmung der Reaktionsteilnehmer gewährleistet, vollständig unabhängig von dem Ausmass einer turbulenten Durchmischung, die in dem Strom der Reaktionsteilnehmer existieren mag.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung von chemischen Reaktionen bei hohen Temperaturen liefert die Lösung von Problemen, die bisher die Fachwelt geplagt haben, und erlauben die Durchführung von Reaktionen, die bisher undurchführbar und nur theoretisch möglich waren. Da die Wärme durch Strahlungskopplung anstatt durch Konvektion und/oder Wärmeleitung zugeführt wird, ist die Temperatur des Stromes der Reaktionsteilnehmer sowohl von der Temperatur der Reaktorwandung als auch vom Zustand des Stromes der Reaktionsteilnehmer unabhängig und es ist das ernsthafte Problem der Materialfestigkeit überwunden.
Zwei Ausführungsformen des vorliegenden Reaktionsapparates sehen vor. dass die Reaktorwandungen gekühlt werden.
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Strom der Reaktionsteilnehmer und macht es unter normalen Betriebsbedingungen allen Niederschlä- gen und andern Ablagerungen unmöglich, sich anzusammeln und den Apparat zu verstopfen.
Die Verwendung einer Strahlungskopplung ermöglicht weiter die genaue und nahezu augenblickliche Regelung des Wärmeüberganges, was mit den bekannten Konvektions-Reaktoren unmöglich war.
Weiterhin kann ein Reaktor nach der Erfindung am Ort der Reaktion mit einer Leistungsdichte von mehr als 10000 W/cm'betrieben werden. Dieser Wert stellt eine bedeutende Verbesserung gegenüber der Leistungsdichte von 2 bis 3 W/cm2 dar, die gewöhnlich bei üblichen Reaktoren erzielt wird.
Die Reaktionen, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren unter Verwendung der beschriebenen Reaktoren durchführbar sind, sind zahlreich und vielfältig.
Beispielsweise können organische Verbindungen, insbesondere Kohlenwasserstoffe, zur Erzeugung von Kohlenstoff und Wasserstoff pyrolysiert werden, ohne die Probleme der Russansammlung und des thermischen Durchgehen, die bei bekannten Reaktoren angetroffen werden. Gesättigte Kohlenwasserstoffe können durch partielle Pyrolyse in ungesättigte Kohlenwasserstoffe verwandelt werden. So ist es beispielsweise möglich, Propan und Äthan durch Dehydrierung in Propylen bzw. Äthylen umzuwandeln. Aus ungesättigten Kohlenwasserstoffen können durch partielle Pyrolyse in Gegenwart von Wasserstoff gesättigte Kohlenwasserstoffe gebildet werden, und es können insbesondere Erdölprodukte thermisch gekrackt werden. So kann beispielsweise Gasöl leicht in die Fraktionen Dieselöl, Kersen, Benzin und sogar Methan gespalten werden.
Es können Halogen-Zwischenprodukte zu den partiell pyrolysierten Kohlenwasserstoffen hinzugefügt werden, um Produkte mit höherem Molekulargewicht zu erzeugen. Zur Bildung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff kann eine vollständige oder teilweise Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Dampf erfolgen. Weiterhin kann Wasserstoff zugesetzt und die Reaktion so geführt werden, dass Alkanreihen entstehen, die Brennstoffe mit hohem Heizwert bilden.
Auch anorganische Verbindungen können pyrolytischen Verfahren unterworfen werden. Beispielsweise können die Salze oder Oxyde unter anderem von Eisen, Quecksilber, Silber, Wolfram und Tantal zur Erzeugung der reinen Metalle dissoziiert werden. Mit dem gleichen Ergebnis können die Oxyde von Eisen, Nickel, Kobalt, Kupfer und Silber, um nur einige wenige zu nennen, in Gegenwart von Wasserstoff unmittelbar reduziert werden. Die vorstehende Aufzählung soll auf keinen Fall
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erschöpfend sein.
Unter Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens können auch neue Produkte erzeugt wer- den. Beispielsweise können auf diese Weise mit Siliziumcarbid beschichtete Kohlenstoff- oder Talk- teilchen hergestellt werden. Dieses Produkt bildet ein ausgezeichnetes Schleifmittel, weil es bei
Gebrauch ständig zerbricht und dabei neue, scharfe Flächen bildet. Teilchen gewisser Elemente, wie beispielsweise von U 235, können ebenfalls in chemisch dichte Umhüllungen aus einem andern
Material, wie beispielsweise Kohlenstoff, eingekapselt werden. Das vorstehend speziell genannte
Produkt ist als Kernreaktor-Brennstoff geeignet.
Es ist ferner vorgesehen, dass die Erfindung als letzter Schritt einer konventionellen aeroben
Veraschung von Abfällen wie Müll und Klärschlamm eingesetzt wird. Die relativ geringen Tempera- turen, die bei den gegenwärtigen Verbrennungsverfahren angewendet werden, erlauben die Bildung von organischen Stickstoffperoxyden und-oxyden, welche den Hauptanteil zu photochemischem Smog und andern Formen der Luftverschmutzung bilden. Da solche Verbindungen bei den höheren Verfah- renstemperaturen, welche die Erfindung ermöglicht, nicht stabil sind, kann die Müllverbrennung mit einem Anfall von Abgasen durchgeführt werden, die einen sehr geringen Teil an schädlichen
Anteilen haben.
Die Erfindung zieht auch die bei hohen Temperaturen stattfindende, anaerobe Trockendestilla- tion und/oder Dekomposition von Müll in Betracht, bei der nützliche Produkte gewonnen werden kön- nen, wie beispielsweise Russ, Aktivkohle, Wasserstoff und Glas, um nur einige zu nennen. Das Hin- zufügen von Dampf zu solchen Abfällen führt zur Erzeugung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff. welche Produkte dann in üblicher Weise zur Erzeugung von Heizgasen weiterverarbeitet werden kön- nen. Endlich können durch Hinzufügen von Wasserstoff zu solchen Abfällen erdölartige Schweröle und andere Erdölprodukte erzeugt werden. Demgemäss kann durch Anwendung der Erfindung eine bedeutende Verminderung der Luftverschmutzung sowie ein bedeutender wirtschaftlicher Gewinn er- zielt werden.
Die Erfindung stellt einen bedeutenden Durchbruch auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik dar, da sie zum ersten Mal eine Quelle von Wärmeenergie verfügbar. macht, die in dieser Weise bisher nicht ausgenutzt wurde. Die möglichen Anwendungen sind zahlreich und vielfältig. Da weiterhin das Problem der Materialfestigkeit überwunden wurde, das die Verfahrenstechnik seit vielen Jahren fesselte, macht die Erfindung die praktische Anwendung vieler nützlicher chemischer Reaktionen möglich, die bisher zwar bekannt waren, jedoch wegen der Temperaturbeschränkungen nicht angewendet werden konnten, welchen die auf eine Wärmeübertragung durch Konvektion oder Wärmeleitung angewiesenen Reaktionsapparate unterworfen waren.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können bei andern Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden.
Es zeigen : Fig. 1 teilweise in Seitenansicht und teilweise im Schnitt eine erste Ausführungsform eines Reaktionsapparates nach der Erfindung, Fig. 2A einen Längsschnitt durch das Eingangsende und Fig. 2B einen Längsschnitt durch das Ausgangsende einer zweiten Ausführungsform eines Reaktionsapparates nach der Erfindung, wobei die Fig. 2A und 2B längs den Linien A-A aneinander anschliessen, Fig. 2C eine perspektivische Darstellung des Reaktionsapparates nach den Fig. 2A und 2B mit teilweise aufgebrochenen oder schematisch dargestellten Teilen zur Erläuterung der Arbeitsweise dieses Reaktionsapparates, Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 durch die Anordnung nach Fig. 2A, Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 durch die Anordnung nach Fig. 2B, Fig.
5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 durch die Anordnung nach Fig. 2A, Fig. 6 die perspektivische Ansicht eines Abschnittes der Einrichtung zum Aufheizen des Reaktionsrohres des Reaktionsapparates nach den Fig. 2A und 2B.
Bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform eines Reaktionsapparates zur Durchführung chemischer Reaktionen bei hohen Temperaturen weist der Reaktionsapparat --10-- ein Reaktionsrohr --11-- auf, das mit einem Einlassende -12-- und einem Auslassende --14-- versehen ist. Das Reaktionsrohr --11-- umfasst eine innere Wand 15-- und eine äussere Wand --16--, welche Wände zwischen sich einen ringförmigen Kanal begrenzen. Das Innere des Reaktionsrohres --11-- bil-
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det die Reaktionskammer --17--. Das Reaktionsrohr --11-- besteht aus einem Material, das für
Strahlungsenergie im wesentlichen durchlässig ist.
Geeignete Materialien dieser Art, die einen sehr geringen Absorptionskoeffizienten a aufweisen, sind beispielsweise Glas, Quarz, gesintertes Alu- miniumoxyd, gesintertes Yttriumoxyd, Pyrex (ein Borsilikatglas), Vycor (ein Silikatglas) und Sa- phir, organische Polymeren, wie Polymethacrylsäureester (Plexiglas, Lucit), Polyäthylen, Polypropy- len und Polystyrol sowie anorganische Salze, wie die Halogenide von Natrium, Kalium, Caesium,
Lithium und Blei.
Die hier gebrauchten Ausdrücke"Strahlungsenergie"und"Strahlung"sollen alle Formen von
Strahlung umfassen, einschliesslich energiereicher Kernteilchen. Da jedoch beim gegenwärtigen Stand der Technik die praktische Anwendung aller dieser Strahlungen nicht möglich ist, wird die Strah- lung eines schwarzen Körpers oder eine andere elektromagnetische Strahlung, insbesondere im Be- reich der Wellenlängen von etwa 100 pm bis 10 nm als die wichtigste Energiequelle betrachtet, die bei der Konstruktion zu berücksichtigen ist.
Während des Betriebes des Reaktionsapparates -10-- wird ein Fluid, das für die Strahlung im wesentlichen durchlässig ist, durch einen Einlass --18-- in den ringförmigen Kanal des Reak- tionsrohres eingelassen, das den Kanal zum Kühlen des Reaktionsrohres --11-- durchfliesst und durch einen Auslass --19-- verlässt. Ein solches Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Geeignete Fluide, die einen kleinen Absorptionskoeffizienten a haben, sind beispielsweise Wasser, schweres Wasser, Stickstoff, Sauerstoff und Luft in flüssiger oder gasförmiger Phase.
Die Einrichtung zum Einleiten eines inerten Fluids in die Reaktionskammer -17-- durch einen Einlass --20-- umfasst zwei Laminar-Diffusoren --21 und 22-, die hintereinander am Einlassende - -12- des Rohres --11-- angeordnet sind. Die Diffusoren --21 und 22-- können die Form von Wabenkernen oder einen andern geeigneten Aufbau haben, der bewirkt, dass ein unter Druck hindurchgeleitetes Fluid in im wesentlichen laminarer Weise fliesst. Das inerte Fluid wird auf diese Weise im wesentlichen axial in die Reaktionskammer --17-- eingeleitet, um eine Schutzschicht für die radial innenliegende Fläche des Reaktionsrohres --11-- zu bilden.
Das Fluid wird für eine eventuelle Rückführung am Auslass --23-- gesammelt. Das inerte Fluid ist für die Strahlung im wesentlichen durchlässig, weil es einen geringen Absorptionskoeffizienten a aufweist. Für diese Zwecke geeignete Fluide sind Gase, wie Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon, molekulare Gase, die sich nicht zersetzen und keine Feststoffe bilden, wie Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Ammoniak, sowie Wasser in flüssiger Form oder in Gasform. Der hier gebrauchte Ausdruck"inert"betrifft zwei Faktoren, nämlich die Fähigkeit des Fluids, einerseits mit dem Material des Reaktorrohres --11-und anderseits mit den zu behandelnden Stoffen chemisch zu reagieren. Demgemäss hängt die Wahl des inerten Schutzfluids in jedem Fall von der speziellen Umgebung ab.
Sofern nichts anderes angegeben, ist es erwünscht, dass das Fluid in bezug auf das Reaktionsrohr inert ist. Ausserdem soll es gewöhnlich auch in bezug auf die ablaufende Reaktion inert sein. Für manche Fälle kann jedoch in Betracht gezogen werden, dass das "inerte 11 Fluid der Schutzschicht auch an der Reaktion teilnehmen soll, beispielsweise wenn Eisen-oder Kohlenstoffteilchen in Gegenwart einer von Dampf gebildeten Schutzschicht umgesetzt werden, um Eisenoxyd und Wasserstoff bzw.
Kohlenmonoxyd und Wasserstoff zu erzeugen.
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mer werden auf einen vorbestimmten Weg -25-- gerichtet, der axial zum Reaktionsrohr --11-- verläuft, und von der von dem inerten Fluid gebildeten Schutzschicht im wesentlichen auf den zentralen Teil der Reaktionskammer --17-- beschränkt, so dass sie mit dem Reaktionsrohr --11-- nicht in Berührung kommen.
Eine nicht näher dargestellte Strahlungsquelle hoher Energie ist innerhalb eines polierten Reflektors --31-- angeordnet, der ausserhalb des Reaktionsrohres --11-- an einem Träger --32- be- festigt ist. Die Strahlungsquelle kann von einem Lichtbogen, einem Glühfaden, einer geeigneten Flamme, einer gepulsten Blitzlampe oder einer andern geeigneten Einrichtung gebildet werden. Auch ein Laser kann als Energiequelle dienen, jedoch ist bisher die Laser-Technologie nicht genügend entwickelt, als dass sie für die Zwecke der Erfindung praktisch verwendbar wäre. Die von der Quelle erzeugte Strahlungsenergie wird von dem Reflektor -31- gesammelt und durch das Rohr
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--11-- in die Reaktionskammer --17-- gerichtet, wo sie mit wenigstens einem Teil des Weges --25-- der Reaktionsteilnehmer übereinstimmt.
Auf diese Weise wird ausreichend Strahlungsenergie absor- biert, um die Temperatur der Reaktionsteilnehmer auf ein Niveau anzuheben, das zur Einleitung und Durchführung der gewünschten chemischen Reaktionen erforderlich ist. Wie oben angegeben, sind das Rohr das Kühlmittel und das inerte Schutzfluid alle im wesentlichen für die Strah- lungsenergie durchlässig. Demgemäss stören sie nicht in nennenswertem Masse die Übertragung der
Energie auf den Strom der Reaktionsteilnehmer und bleiben auch relativ kühl. Demgemäss ist das
Reaktionsrohr -11-- keinen beträchtlichen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt und es bleibt frei von Niederschlägen und andern Ablagerungen, die sich normalerweise ansammeln würden.
Die vorstehenden Ausführungen setzen voraus, dass die Reaktionsteilnehmer selbst einen rela- tiv hohen Strahlungsabsorptionskoeffizienten a aufweisen. Wenn dies nicht der Fall ist, muss ein
Strahlungsenergie absorbierender Körper in die Reaktionskammer --17-- eingeführt werden, der we- nigstens an einer Stelle im Weg --25-- der Reaktionsteilnehmer liegt. Bei der in Fig. 1 dargestell- ten Ausführungsform wird dieser Körper von fein verteilten festen Teilchen gebildet, beispielsweise von Kohlenstoffpulver oder einem andern geeigneten Material, das in die Reaktionskammer --17-- zusammen mit den Reaktionsteilnehmern durch den Einlass --24-- eintritt und genügend Strahlungs- energie aufnimmt, um die Temperatur der Reaktionsteilnehmer auf das gewünschte Niveau anzuhe- ben.
Stattdessen kann der absorbierende Körper eine Flüssigkeit wie Teer, Asphalt, Leinöl oder
Dieselöl sein, oder Lösungen, Dispersionen, Gele und Suspensionen der verschiedensten Zubereitung umfassen, die aus den verfügbaren Stoffen leicht ausgewählt werden können, um speziellen Anfor- derungen zu genügen. Der absorbierende Körper kann auch ein Gas sein, das vorzugsweise im Be- reich des elektromagnetischen Spektrums von etwa 100 um bis etwa 10 nm absorbierend ist. Solche
Gase umfassen Äthylen, Propylen, Stickstoffoxyde, Brom, Chlor, Jod und Äthylbromid. Der Körper kann auch ein festes Element sein, das aus einem Material wie beispielsweise Kohlenstoff besteht und in der Reaktionskammer --17-- längs wenigstens eines Teiles des Weges --25-- der Reaktions- teilnehmer angeordnet ist.
Andere Einrichtungen zum Erhöhen der Reaktionstemperatur auf den erforderlichen Wert kön- nen innerhalb der Reaktionskammer -17-- auf wenigstens einem Teil des Weges --25-- der Reak- tionsteilnehmer angeordnet sein und ein elektrisches Heizelement, einen Lichtbogen oder eine Flam- me umfassen. In solchen Fällen ist die Wärmequelle selbständig und nicht von der erzeugten Strah- lungsenergie abhängig. Solche Einrichtungen sind insbesondere nützlich, wenn die Reaktionsteilneh- mer selbst für die Strahlung durchlässig sind, aber wenigstens ein Reaktionsprodukt erzeugen, das einen Absorber bildet. Daher kann, nachdem die beabsichtigte Reaktion einmal ausgelöst worden ist, die zur Temperaturerhöhung dienende Einrichtung ausser Betrieb gesetzt werden, weil die Reaktionsprodukte genügend Strahlungsenergie absorbieren, um die Reaktion zu unterhalten.
Auch wenn ein absorbierender Körper benutzt wird, kann er entfernt oder seine Zufuhr unterbrochen werden, sobald die Reaktion eingesetzt hat, beispielsweise mit Hilfe eines Steuerorgans --35--. Ein Beispiel für eine Reaktion, bei der ein absorbierender Körper oder eine andere Auslöseeinrichtung nur bis zum Beginn der Reaktion benötigt wird, ist die Pyrolyse von Methan zur Erzeugung von Kohlenstoff und Wasserstoff.
Wie bereits erwähnt, findet eine teilweise oder vollständige Umkehr mancher Reaktionen statt, wenn die Reaktionsprodukte nicht sofort und schnell gekühlt werden. Für diesen Zweck kann innerhalb der Reaktionskammer --17-- nahe dem Ausgangsende --14-- des Reaktionsrohres --11-- ein Produktkühler --40-- angeordnet sein. Eine Ausführungsform eines solchen Produktkühlers --40-- ist im wesentlichen zentral innerhalb der Reaktionskammer --17-- angeordnet und umfasst einen rohrförmigen Teil --41-- mit einem inneren Kanal --42--, durch den ein Kühlmittel wie Wasser hindurchgeleitet wird. Die radial innen liegende Fläche des rohrförmigen Teiles --41-- ist als Absorber für Strahlungsenergie ausgebildet.
Wenn die Reaktionsprodukte, restliche Reaktionsteilnehmer und gegebenenfalls absorbierende Körper in das gekühlte Rohr --41-- eintreten, wird Wärme durch Strahlungskopplung schnell auf das Rohr --41-- übertragen und das System effektiv abgeschreckt, um weitere unerwünschte chemische Reaktionen zu verhindern.
Die in den Fig. 2A bis 6 und insbesondere in den Fig. 2A bis 2C dargestellte zweite Ausfüh-
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-60- umfasstbindungsstück-lOlc-eingebettet. Rohrförmige Abstandsstücke --102a bis 102c-- aus Aluminium- oxyd dienen dem doppelten Zweck, das poröse Reaktionsrohr --61-- zu zentrieren und die drei
Kreise voneinander zu trennen. Wie die Fig. 2B und 4 im einzelnen zeigen, sind die Kohleelektroden - loofa bis lOOf-an ihren andern Enden in eine kupferne Stromschiene --104-- eingebettet. Obwohl sechs solcher Stromschienen --104-- vorhanden sind, ist in Fig. 4 zur Vereinfachung nur eine solche
Stromschiene dargestellt.
Jede Stromschiene --104-- ist mit einem Phenolflansch --105-- und einem
Keramik-Isolator --106-- versehen. Die Stromschiene --104-- ist mit Wasser gekühlt, das einen inne- ren Kanal --107-- durchfliesst, durch einen Einlass --108-- eintritt und durch einen Auslass-109- austritt. Ein Anschluss --110-- dient zum Zuführen eines elektrischen Stromes hoher Stromstärke.
Eine aus Polytetrafluoräthylen bestehende Dichtung --111-- dient dazu, jegliche Leckage aus dem
Druckkessel --70-- zu verhindern. Das hier dargestellte elektrische System ist besonders für die
Speisung mit einem Dreiphasenstrom geeignet. Es können stattdessen andere Systeme verwendet wer- den, wenn es die Umstände zweckmässig erscheinen lassen. Es ist auch möglich, dass das poröse
Rohr --61-- selbst unmittelbar ein Widerstands-Heizelement bildet. In diesem Fall können die Kohle- elektroden --100-- entfallen.
Der thermische Wirkungsgrad der Rohrbeheizung wird weiter durch das Anbringen eines Wär- meschildes --120-- aus Molybdän verbessert, der die Grenzfläche eines Hohlraumes mit der Charak- teristik eines schwarzen Körpers bildet, von der die von den Kohleelektroden --100-- ausgehende elektromagnetische Strahlung in Richtung auf das poröse Rohr --61-- reflektiert wird. Da das Wär- meschild --120-- die Wärme eher reflektiert als durchlässt, wirkt es als Isolator und kann infolge- dessen aus jedem beliebigen Material bestehen, das eine solche Charakteristik aufweist und den
Temperaturen widersteht, die von den Elektroden --100-- erzeugt werden.
Das Wärmeschild --120-- ist innerhalb des Druckkessels --70-- radial ausserhalb der Elektroden --100-- angeordnet und be- steht vorzugsweise aus einem flachen Band mit rechteckigem Querschnitt, das zu einer Anzahl von
Schraubenwindungen aufgewickelt ist. Ein solcher Aufbau gestattet es dem inerten Schutzgas, durch den Einlass --83-- in die Kammer --85-- einzutreten und darin frei zu zirkulieren.
Wie im Fall der Ausführungsform nach Fig. 1 kann bei Bedarf ein absorbierendes Medium oder eine andere Einrichtung zur Reaktionseinleitung vorgesehen werden. Absorbierende Körper werden in die Reaktionskammer --65-- durch einen Einlass --121-- eingeführt. Auch kann ein Produktkühler --125-- der oben beschriebenen Konstruktion oder mit einem andern geeigneten Aufbau vorgesehen werden, um ungewünschte chemische Reaktionen zu verhindern, die auftreten könnten, wenn die Reaktionsprodukte nicht unmittelbar nach ihrer Bildung gekühlt würden.
Ein wesentlicher Vorteil der zweiten Ausführungsform gegenüber der ersten besteht darin, dass bei der zweiten Ausführungsform das inerte Schutzfluid in die Reaktionskammer --65-- in radialer Richtung eingeleitet wird, während bei dem ersten Ausführungsbeispiel das Schutzfluid in die Kammer --17-- axial einströmt. Wie bekannt, kann eine laminare Strömung nur über eine relativ kurze Strecke aufrechterhalten werden, worauf Turbulenzen eine Vermischung verursachen und damit die Geschlossenheit der Schutzschicht stören. Da ein radiales Einleiten des Schutzfluids keine laminare Strömung erfordert, können Reaktionskammern mit grösserer axialer Länge verwendet werden.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist es lediglich erforderlich, den absoluten Wert des Druckes des inerten Fluids grösser zu halten als den absoluten Wert des Druckes im Strom der Reaktionsteilnehmer, um zu verhindern, dass irgendwelche Reaktionsteilnehmer und/oder Reaktionsprodukte auf die Wand des Reaktionsrohres --61-- auftreffen. Diese Eigenschaft trägt dazu bei, dass die zweite Ausführungsform für den kommerzialen Einsatz im grossen Massstab besser geeignet ist.
Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht darin, dass das Reak- tionsrohr des Apparates nach Fig. l zwangsgekühlt ist, wogegen das Reaktionsrohr --61-der Ausführungsform nach Fig. 2 beheizt werden muss und bei Temperaturen bis über 3000 C betrieben werden kann, was der Fall ist, wenn poröses Thoriumoxyd als Grundmaterial verwendet wird. Obwohl eine gekühlte Wand besser in der Lage ist, Drücken standzuhalten, weil sie keinen thermischen Belastungen ausgesetzt ist, ist die heisse Wand des Reaktionsrohres --61-- keinem Druckgradienten ausgesetzt, wenn von dem relativ kleinen Druckunterschied zwischen dem Schutzfluid und dem Strom der Reaktionsteilnehmer abgesehen wird.
Der Druck wird von dem aus rostfreiem Stahl bestehenden Druckkessel --70-- aufgenommen, der seinerseits durch die Schlange --87-- gekühlt ist
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und daher keinen thermischen Belastungen unterliegt. Demgemäss können nun Hochtemperaturwerkstof- fe, wie Kohlenstoff oder Thoriumoxyd, die Temperaturen widerstehen können, die weit über dieje- nigen hinausgehen, die für bisher übliche Reaktorwandwerkstoffe zulässig waren, welche Hochtempe- raturwerkstoffe jedoch bisher für den Gebrauch in konventionellen Konvektionsreaktoren ungeeignet waren, zum erstenmal für die Herstellung eines für die Praxis geeigneten Ultrahochtemperatur- systems Verwendung finden.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung kombiniert die Merkmale der vorstehend behan- delten beiden Ausführungsformen. Demgemäss kann ein Reaktionsrohr aus einem porösen Material hergestellt sein, das für Strahlung im wesentlichen durchlässig ist. Geeignete Rohrwerkstoffe um- fassen beispielsweise porösen Quarz, poröse Glasfritte und porösen Saphir. Ein inertes Fluid, das im wesentlichen für die Strahlung durchlässig ist, kann so radial durch die poröse Reaktorwand in die Reaktionskammer eingeführt werden, anstatt axial in laminarer Weise, wie es bezüglich der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist. Strahlungsenergie wird erzeugt und gesammelt in die Reaktionskammer gerichtet, wie es ebenfalls für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben wur- de.
Diese dritte Ausführungsform zeichnet sich durch die höhere Leistungsdichte aus, wie sie bei der ersten Ausführungsform erreicht wurde, und die radial injizierte Fluid-Schutzschicht der zwei- ten Ausführungsform. Beim gegenwärtigen Stand der Entwicklung ist jedoch die zweite Ausführungs- form die für die kommerzielle Anwendung im grossen Massstab am besten geeignete, weil ihre Strah- lungsquelle von einer gewöhnlichen elektrischen Widerstandsheizung abgeleitet ist. Die zweite Aus- führungsform ist daher einfacher zu warten und zu unterhalten. Weiterhin kann die zweite Ausfüh- rungsform zur Durchführung aller Verfahren und Reaktionen eingerichtet werden, die gegenwärtig in Betracht gezogen werden, indem einfach die Verweilzeit der Reaktionsteilnehmer in der Reaktions- kammer verändert wird, um der geringeren Leistungsdichte Rechnung zu tragen.
Verfahrensparameter
Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen bei hohen Temperaturen, wie sie die Erfin- dung vorsieht, erfordern die Anwendung einer ringförmigen Umhüllung oder einer Schutzschicht aus einem inerten Fluid, das für Strahlung im wesentlichen durchlässig ist. Die Umhüllung hat eine erhebliche axiale Länge. Die ringförmige Umhüllung kann entweder in einer zu ihrer Achse parallelen oder in einer zu ihrer Achse im wesentlichen senkrechten, radial nach innen weisenden
Richtung erzeugt werden.
Im ersten Fall, wie bereits bei der Beschreibung der ersten Ausführungsform des Reaktions- apparates angegeben, muss das Schutzfluid im Zustand einer laminaren Strömung gehalten werden, um eine Vermischung mit dem Strom der Reaktionsteilnehmer zu verhindern. Diese Forderung führt zu Beschränkungen hinsichtlich der axialen Länge der Umhüllung, weil eine solche laminare Strömung und damit eine ungestörte Schutzschicht nicht für beliebige Längen in Strömungsrichtung aufrechterhalten werden kann, insbesondere wenn Verfahren mit verhältnismässig heftigen Reaktionen durchgeführt werden sollen. Demgemäss ist diese Art der Erzeugung der Umhüllung für kleinere Geräte und Laboranwendungen am besten geeignet.
Im zweiten Fall ist, wie bereits bei der Beschreibung der übrigen Ausführungsbeispiele des Reaktionsapparates behandelt, die Geschlossenheit der von dem inerten Fluid gebildeten Umhüllung unabhängig von Strömungsbetrachtungen und kann über eine Strecke in Axialrichtung aufrechterhalten werden, die sehr viel grösser ist als diejenige, die mit einer axial injizierten, laminaren Umhüllung erreichbar ist. Die Hauptforderung besteht darin, den Fluss des inerten Fluids unter einem Druck aufrechtzuerhalten, der grösser ist als der Druck im Strom der Reaktionsteilnehmer, um zu verhindern, dass Reaktionsteilnehmer "durchschlagen" oder auf sonstige Weise aus dem von der Umhüllung begrenzten Raum ausbrechen.
Nachdem die Umhüllung erzeugt worden ist, wird wenigstens ein Reaktionsteilnehmer durch ihren Kern längs eines vorbestimmten Weges geleitet, der im wesentlichen mit der Achse der Umhüllung zusammenfällt. Die Umhüllung begrenzt die Reaktionsteilnehmer auf den umhüllten Raum und hält sie ausser Berührung mit den Grenzflächen der Reaktionskammer.
Endlich wird Strahlung hoher Energie in den Kern der Umhüllung gerichtet, damit sie mit wenigstens einem Abschnitt des vorbestimmten Weges der Reaktionsteilnehmer zusammenfällt. Diese
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Strahlung kann auf wenigstens einen Punkt im Weg der Reaktionsteilnehmer gerichtet werden, wie es bei dem ersten und beim dritten Ausführungsbeispiel des Reaktionsapparates der Fall ist, oder sie kann auf eine begrenzte Länge des Weges gerichtet werden, wie es das zweite und das vier- te Ausführungsbeispiel vorsehen. In jedem Fall wird in dem Kern eine ausreichende Menge Strahi lungsenergie absorbiert, um die Temperatur der Reaktionsteilnehmer auf ein Niveau anzuheben, das zum Einleiten der gewünschten chemischen Reaktion benötigt wird.
Wenn die Reaktionsteilnehmer nicht selbst Strahlungsenergie absorbieren, kann ein absorbie- render Fangkörper in den Weg der Reaktionsteilnehmer eingeführt werden, vorzugsweise bevor die
Strahlungsenergie in den Kern gerichtet wird. Der Fangkörper wird dann genügend Strahlungsener- I gie absorbieren, um die Temperatur im Kern auf den Wert anzuheben, der zum Auslösen der chemi- schen Reaktion benötigt wird. Wie bereits angegeben, kann der Fangkörper nach dem Auslösen der
Reaktion unwirksam gemacht werden, wenn die beabsichtigte Reaktion von solcher Art ist, dass die durchlässigen Reaktionsteilnehmer wenigstens ein Produkt erzeugen, das Strahlungsenergie absor- biert.
Das betrachtete Verfahren kann weiterhin den Schritt einer Kühlung des Reaktionsproduktes sowie restlicher Reaktionsteilnehmer und/oder Fangkörper unmittelbar nach Abschluss der gewünsch- ten Reaktion umfassen. Der Zweck dieser Massnahme besteht darin, die gewünschte Reaktion zu be- enden und das Auftreten jeglicher weiterer, unerwünschter Reaktionen zu verhindern. Die Produkte,
Fangkörper und restlichen Reaktionsteilnehmer können auf einfache und wirksame Weise durch eine
Wärmeübertragung durch Strahlung auf eine kühle, Strahlungsenergie absorbierende Oberfläche ge- kühlt werden.
Verwendung der strahlungsbeheizten Reaktionsapparate
Die erfindungsgemässen Reaktionsapparate können praktisch für alle chemischen Hochtemperatur-
Reaktionen eingesetzt werden, von denen viele bisher als in der Praxis nicht durchführbar oder nur theoretisch möglich betrachtet wurden. Das wichtigste Kriterium für die Anwendung dieser Reak- tionsapparate für eine bestimmte chemische Hochtemperatur-Reaktion ist, ob eine solche Reaktion thermodynamisch unter den Reaktionsbedingungen möglich ist.
Bei Verwendung dieser Reaktions- apparate mit einer Fluid-Schutzschicht können solche chemischen Hochtemperatur-Reaktionen bei Tem- peraturen bis zu etwa 33000C durchgeführt werden, indem im Inneren des porösen Reaktionsrohres eine ringförmige Umhüllung gebildet wird, die aus einem inerten Fluid besteht, das im wesent- lichen für Strahlungsenergie durchlässig ist, um eine Schutzschicht für die radial innere Fläche des Reaktionsrohres zu bilden, wobei die Umhüllung eine erhebliche axiale Länge aufweist und das
Innere dieser Hülle eine Reaktionskammer bildet, zweitens wenigstens ein Reaktionsteilnehmer, der in festem, flüssigem oder gasförmigem Zustand sein kann, durch die Reaktionskammer längs eines vorbestimmten Weges geleitet wird, der im wesentlichen mit der Längsachse der Hülle zusammen- fällt,
so dass die Reaktionsteilnehmer auf die Reaktionskammer beschränkt sind, und drittens Strah- lungsenergie hoher Intensität in die Reaktionskammer gerichtet wird, so dass sie mit wenigstens einem Abschnitt des vorbestimmten Weges der Reaktionsteilnehmer zusammenfällt und genügend Strahlungsenergie innerhalb der Reaktionskammer absorbiert wird, um die Temperatur der Reaktionsteilnehmer auf ein Niveau anzuheben, bei dem die gewünschte chemische Reaktion eingeleitet und unterhalten wird.
Zu den Reaktionen, die mit Reaktionsapparaten nach der Erfindung ausgeführt werden können, gehören die Dissoziation von Kohlenwasserstoffen und kohlenwasserstoffhaltigen Materialien, wie beispielsweise Kohle und verschiedenen Erdölfraktionen, in Wasserstoff und Russ, das DampfReformen von Kohle, Erdölfraktionen, Ölschiefer, Teersand, Braunkohle und andern kohlenstoffoder kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsprodukten in Synthesegas-Mischungen, wobei auch bei Bedarf ein oder mehr anorganische Carbonate, wie beispielsweise Kalkstein oder Dolomit, oder anorganische Oxyde benutzt werden können, die mit schwefelhaltigen Verunreinigungen reagieren, damit diese von den resultierenden Synthesegas-Mischungen entfernt werden können, die partielle Dissoziation von Kohlenwasserstoffen und kohlenwasserstoffhaltigen Materialien in Verbindungen mit niedrigerem Molekulargewicht,
die partielle Pyrolyse von gesättigten Kohlenwasserstoffen in ungesättigte Kohlenwasserstoffe, wie Äthylen, Propylen und Acetylen, die Umwandlung von organischen Abfallstoffen, wie Klärschlamm oder ligninhaltige Nebenprodukte, in Heizgas, die vollständige oder
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partielle Entschwefelung von schwefelhaltigen, kohlenwasserstoffhaltigen Materialien, die Reduktion mineralischer Erze oder anorganischer Verbindungen auf eine niedrigere Wertigkeit mit Wasserstoff,
Kohlenstoff, Synthesegas oder einem andern Reduktionsmittel, und die partielle oder vollständige
Reaktion anorganischer Elemente oder Verbindungen mit einem kohlenstoffhaltigen Material zur Erzeu- ; gang der entsprechenden anorganischen Carbide.
Bei Bedarf können bei solchen chemischen Hochtemperatur-Reaktionen ein oder mehrere Kataly- satoren verwendet werden, um die Reaktion zu beschleunigen oder ihren Verlauf in eine gewünschte
Richtung zu bringen. Wenn an solchen Verfahren kohlenstoff-oder kohlenwasserstoffhaltige Reak- tionsteilnehmer beteiligt sind, kann die Zugabe eines geeigneten Katalysators zu dem System dazu verwendet werden, die Bildung von freien Radikalen, Carbonium- und Carbanionen zu fördern, um den Verlauf der Reaktion zu beeinflussen.
Es versteht sich, dass kein Satz von Operationsbedingungen für alle Reaktionen optimal oder geeignet ist, die in einem solchen Reaktionsapparat durchgeführt werden können. Operationsbe- dingungen, wie Temperatur, Druck, Zufuhrgeschwindigkeit, Verweilzeit im Reaktionsrohr und Kühl- rate können verändert werden, um den Anforderungen bei einer bestimmten Reaktion zu genügen.
Zur Erläuterung sei beispielsweise erwähnt, dass zu den Faktoren, welche die Reaktionsprodukte der Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffes beeinflussen, die Temperatur, auf welche der Kohlenwasser- stoff erhitzt wird, und die Dauer gehören, bei der er auf dieser Temperatur gehalten wird. Es ist beispielsweise bekannt, dass Methan auf etwa 1230 C erhitzt werden muss, um Acetylen zu erge- ben. Die Bildung von Äthylen aus Äthan beginnt bei einer niedrigeren Temperatur, nämlich bei etwa 830 C. Bei einem typischen Verfahren zur Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen werden Acetylen, Äthylen, Wasserstoff, Russ und Mineralöle erzeugt.
Reaktionszeiten in der Grössenordnung einer
Millisekunde führen gewöhnlich zu einer maximalen Ausbeute an Acetylen, wogegen Reaktionszeiten, die grösser als eine Millisekunde sind, gewöhnlich die Erzeugung von Äthylen und andern Produk- ten auf Kosten von Acetylen begünstigen. Reaktionszeiten von weniger als einer Millisekunde führen gewöhnlich zu einer Verminderung der Ausbeute sowohl an Äthylen als auch an Acetylen. Sehr hohe
Temperaturen, beispielsweise von mehr als 1650oC, begünstigen allgemein die Herstellung von Russ und Wasserstoff auf Kosten von Acetylen und Äthylen. Bei den erfindungsgemässen Reaktionsappara- ten kann die Reaktionszeit verkürzt werden, indem das Reaktionsrohr verkürzt und die Strömungs- geschwindigkeit der in das Reaktionsrohr eingeführten Reaktionsteilnehmer erhöht wird.
Für sehr kurze Reaktionszeiten kann es vorteilhaft sein, einen strahlungsabsorbierenden Körper, wie beispielsweise Russ, mit den Reaktionsteilnehmern zu vermischen, um eine wirksame Kopplung zwischen dem Strom der Reaktionsteilnehmer und der von der Rohrwandung ausgehenden Wärmestrahlung herzustellen und dadurch eine schnelles Aufheizen der Reaktionsteilnehmer zu fördern.
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