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Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen unter Benutzung durch magnetische Ein- wirkung ausgebreiteter elektrischer Lichtbögen.
Es hat sich als wünschenswert erwiesen, die ganze Oberfläche zwischen den Elektroden durch Lichtbögen lückenlos bestreichen zu lassen, so dass man einen dünnen, ununterbrochenen Flammenmantel für die Ausführung von Reaktionen erhält, damit man die höchstmögliche Ausnutzung und die günstigste Wirkungsmöglichkeit habe.
Durch die Erfindung wird nun diese Aufgabe gelöst, indem beim Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen unter Benutzung durch magnetische Einwirkung ausgebreiteter elektrischer Lichtbögen man die ausgebreiteten Lichtbögen zu einem ununterbrochenen lückenlosen Flammenmantel stets gleicher Form dadurch zwingt, dass sowohl gegen die eine, als auch gegen die andere Seite der Flammenfläche bzw. der ausgebreiteten Flammenbögen eine strömende Gasmasse zur Einwirkung gebracht wird.
Die eigenartigen vorteilhaften Wirkungen, welche durch das Verfahren gemäss dieser Erfindung erzielt werden, bestehen in erster Linie darin, dass die Lichtbögenentladung z. B. auf einen bestimmten, dünnen, scheibenförmigen oder Rotationskörper ähnlichen Raum im Ofen durch die vorgesehene Bewegung der aus Reaktionsstoffen bestehenden Gasströme festgelegt ist. In der durch die Elektroden vorgeschriebenen Strombahn befinden sich dauernd genügende Mengen jonisierter Gase, welche den Stromdurchgang erleichtern.
Dadurch wird eine unerreichte Beständigkeit (Stabilität) des Flammengebildes erzielt, welche es ermöglicht, die Zündspannung verhältnismässig niedrig zu halten und mit einem hohen Reduktionsfaktor zwischen Ofen-und Zündspannung zu arbeiten.
Die zweite eigenartige Wirkung, welche durch das Verfahren ermöglicht wird, besteht darin, dass die Reaktionsstoffe nur einmal und dabei auf möglichst grosser Oberfläche in das Flammengebilde gelangen und im nächsten Augenblick nach dem Austritt aus demselben durch Abschreckungsgase niedriger Temperatur abgekühlt werden können. Diese Abkühlung erfolgt dann ebenfalls auf grosser Oberfläche durch inniges Berühren und allmähliches Vermischen der Reaktions-mit den Abschreckungsstoffen. Dadurch werden nach gegenwärtigen Verfahren höhere Konzentrationen des Produktes im Reaktionsgasgemisch erzielt, als es bis jetzt im Grossbetrieb der Fall war. Diesem Vorteil steht z. B. bei Stickoxydgewinnung aus Luft hervorragende Bedeutung zu.
Drittens wird durch die Arbeitsweise nach dem Verfahren gemäss der Erfindung das Zurückfluten der Reaktionsstoffe in das Flammengebilde und ein zu langes Verbleiben darin verhindert, so dass eine Rückzersetzung des Produktes infolgedessen oder eine Zersetzung der bei der Reaktion nicht umgesetzten Stoffe vermieden, vermöge des grossen Temperaturgefälles, welches zwischen Reaktions-und Kühlzone aufrecht erhalten wird.
Dabei können je nach der Natur der im elektrischen Ofen zu erzielenden Umsetzung der einzublasenden Stoffe zwei Gruppen unterschieden werden : die tatsächlichen Reaktionsstoffe, in welchen die Umsetzung bewirkt werden soll und die Abschreckungsstoffe, welche nur zur möglichst raschen Abkühlung der ersteren unter die Zersetzungstemperatur des erzielten Produktes eingeführt werden. Die Zuführung dieser Stoffe zum Flammengebilde zwecks Formung desselben kann dabei entweder in der Weise erfolgen, dass die Reaktionstoffe von einer und die Abschreckungsstoffe von der anderen Seite des Flammengebildes
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die Zone höchster Erhitzung hindurchgerissen werden.
Oder aber es können die Reaktionsstoffe und die Abschreckungsstoffe an der gleichen Oberfläche des Flammengebildes geführt werden, wobei erstere in unmittelbaren Bereich der Zone höchster Erhitzung gelangen und hierauf von den vorbeiströmenden Abschreekungsstossen abgekühlt werden.
Letzterer Vorgang kann entweder auf einer oder auf beiden Seiten des Flammengebildes stattfinden,
Der eingeblasene Abschreckungsstoff ermöglicht, dass ein grosses Temperaturgefälle zwischen Reaktionszone und Kühlzone stattfindet und zwar entweder an einer, oder an beiden Seiten des Lichtbogengebildes. Das grosse Temperaturgefälle, das der Abschreckungsstoff hervorruft, hat den Vorteil, dass die Ofenwandungen bzw. Material, aus dem der Ofen aufgebaut ist, nicht unter der unmittelbaren Hitze der Lichtbögen zu leiden haben, dadurch geschont werden und demzufolge längere Lebensdauer haben.
Die Abschreckung kann an mehreren'Stellen gleichzeitig erfolgen und die gebildeten Stoffe können dabei an einer oder an mehreren Stellen aus dem Bereich der Reaktionszone abgeleitet werden,
Zum Abschrecken kann man ausser abgekühltes Gas oder Gase, die die gleiche Zusammensetzung haben können, wie das Ausgangsgasgemisch (z. B. Luft bei der Herstellung von Stickoxyden) oder einen gegenüber dem Ausgangsgasgemisch geringeren Gehalt der für die Reaktion benutzten Stoffe aufweisen (z. B. die Restgase der Blausäurebildung und anderen Reaktionen, die im Kreislauf verlaufen), auch pulverförmige Stoffe, z. B. mit einem Gas gemischt, einblasen. Diese können z. B. mit. den Reaktionsstoffen Verbindungen ein-
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Verbindungen, welche sich bei Erwärmung zersetzen, dabei für die Reaktion nützliche Gase oder Dämpfe absondern und bei ihrer Zerlegung Wärme binden.
Das Ausbreiten der Flammenbögen und das Formen derselben zu einem flachen, dünnen, ununterbrochenen Flammenmantel gibt den grossen Vorteil, dass es möglich ist, eine Mehrzahl z. B. in einer oder verschiedenen parallelen Ebenen angeordneter paralleler Elektroden (Ring-und Stabelektroden) an die verschiedenen Phasen eines Mehrphasensystems anzuschliessen, ohne eine ungleichmässige Belastung der einzelnen Phasen oder ein Auslöschen des Flammengebildes befürchten zu müssen.
Zur Ausführung des Verfahrens dienende Vorrichtungen sind z. B. in Ausführungsformen in der Zeichnung dargestellt.
Fig. i zeigt eine erste Ausführungsform im senkrechten Schnitt durch ihre Längsachse.
Fig. 2 zeigt umrissweise eine zweite Ausführungsform im senkrechten Schnitt durch ihre Längsachse.
Fig. g zeigt eine Elektrodenanordnung einer dritten Ausführungsform im Grundriss.
Fig. 4 zeigt umrissweise eine vierte Ausführungsform im senkrechten Schnitt durch ihre Längsachse.
Fig. 5 zeigt umrissweise eine fünfte Ausführungsform im senkrechten Schnitt durch ihre Längsachse.
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liegen in einer senkrechten Ebene. Beide Ringelektroden liegen zwischen zwei Scheiben 4, die zweckmässig aus Schamotte bestehen und in einer Kammer 11 angeordnet sind. Die zu behandelten Ruakcionsstoffe können durch ein Rohr 5 der Kammer Yjf, jedoch ausserhalb der beiden Schamottescheiben 4 zugeführt und durch in dem mittleren Teil der Scheiben vorgesehene düsenförmige Öffnungen 6 in den Raum innerhalb der inneren Ringelektrode 1 eingeführt werden.
Die Kammer 11 ist zwischen zwei Polschuhen 12 angeordnet, von denen jeder eine Magnetwicklung 13 trägt. Zwei wassergekühlte Rohre 7 sind zentral in den Polschuhen 12 angeordnet und führen zu düsenförmigen Öffnungen 8, die mit den Öffnungen 6 in dem mittleren Teil der Scheiben 4 abwechseln und welche Öffnungen 8 nahe der inneren Elektrode 1 zu dem Raum 3 zwischen beiden Ringelektroden 2, 2 führen. Der Raum zwischen den beiden Scheiben 4 ist nach aussen hin durch einen wassergekühlten Mantel 14, der mit einem Abzugsrohr 9 versehen ist, abgeschlossen. Es könnten auch mehrere Abzugsrohre 9 am Mantel 14 vorhanden sein.
Das Verfahren wird mit dieser Vorrichtung nun z. B. folgendermassen ausgeübt :
Nachdem z. B. durch Kurzschluss oder andere bekannte Mittel zwischen den Elektroden 1 und 2 ein oder mehrere Lichtbögen entstanden sind, werden diese durch Einwirkung des Magnetfeldes, welches durch die Elektromagnete 12, 13 hervorgerufen wird, in sehr schnelle Rotation oder Schwingungen von grosser Amplitude versetzt, so dass eine homogene, ausgebreitete Lichtbogenscheibe entsteht. Die Lichtbögen finden bei ihren Wanderungen eine gleich grosse Entfernung der beiden Elektroden vor, was ihre Aufrechterhaltung erleichtert.
An dieser Lichtbogenscheibe werden nun Reaktionsgase, welche durch das Rohr 5 in die Kammer 11 eintreten und dort eine Vorwärmung erfahren, durch die
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düsenförmigen Öffnungen 6 in den Raum innerhalb der inneren Ringelektrode 1 geleitet und strömen zu beiden Seiten der Lichtbogenscheibe dieser entlang.
Abschreckungsgase zur Abschreckung der Reaktionsgase werden durch die Rohre 7 und die düsenförmigen Öffnungen 8 mit grosser Geschwindigkeit in die Reaktionskammer zwischen den Scheiben 4 eingeblasen und strömen in der der Lichtbogenscheibe abgewandten Seite der Reaktionsgase-Schicht, dieser entlang. Durch das Zusammenwirken der zweierlei Gasströme wird bewirkt, dass die Lichtbögen sich deshalb nicht in einer Richtung senkrecht zu der Scheibe bewegen können, vielmehr werden sie zwangsweise in einer dünnen scheibenähnlichen Gestalt gehalten, An dem äusseren Umfang der Lichtbogenscheibe mischen sich die Abschreckungsgase mit den Reaktionsgasen im vom Mantel 14 eingeschlossenen Raum, aus. welchem das Gemisch durch das Rohr 9 austritt bzw. abgezogen wird.
Das Ganze macht es möglich, die Lichtbogenscheibe bzw. die Reaktionszone verhältnismässig dünn zu gestalten (nur einige Zentimeter stark) und sie ohne Abweichungen nach den Seiten in der gleichen Ebene aufrecht zu erhalten. Dadurch wird erreicht, dass zwischen Reaktionszone und Abschreckungsgasschicht eine dünne Trennungsschicht vorhanden ist. Durch die saugende Wirkung der abschreckenden Gasstrahlen, welche beliebig reguliert werden können, treten die Reaktionsgase durch die Trennungsschicht hindurch, werden abgeschreckt und zum äusseren Umfang getrieben. Das allmähliche Eintreten des in der Reaktionszone behandelten Reaktionsgases in die Abschreckungszonen erfolgt dabei an der ganzen Scheibenfläche fast gleichmässig.
Je nach der Natur des zu behandelnden Gasgemisches können dabei die düsenförmigen Öffnungen 8 am grösseren oder kleineren Kreisumfang angeordnet sein. Der Ofen kann mit Überdruck oder Unterdruck betrieben werden. Wenn es sich um die Ausführung von chemischer Reaktion zwischen Gasen und pulverförmigen'Stoffen handelt, so wird die innere Elektrode zweckmässig mit einer spaltförmigen Ringdüse oder mit einzelnen Düsen ausgestattet, durch welche beispielsweise mit Hilfe eines gepressten Gases das Pulver in die Lichtbogenscheibe eingeblasen wird.
In Fig. 2 wird eine wagrechte Lichtbogenscheibe zwischen Ringelektroden 15, 16, 17, 18, die an ein Ein-oder Mehrphasensystem j ? 9 angeschlossen sind, aufrecht erhalten. Eine umrissweise angedeutete Zuleitung 20 führt zu nahe der inneren Elektrode liegenden Austrittsdüsen 21, für die vorgewärmten Reaktionsgase, die beidseitig der inneren Elektrode 15 austreten. Die Abschreckungsgase werden durch Zuleitungen 22, die zu im Kreise
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der Elektrodenebene, zeigen die Richtung des pulsierenden oder konstanten Magnetfeldes an. Es könnten an Stelle von vier Ringelektroden auch nur drei Elektroden vorgesehen sein und die Gasbewegung der Abschreckungsgase könnte aueh, anstatt parallel zu den Elektroden, wie dies gezeichnet ist, geneigt sein, sei es konvergierend oder divergierend mit Bezug auf die Elektroden z.
B. oberhalb der Elektroden schräg auf diese zuströmend, unterhalb der Elektroden schräg von diesen abströmend. Die Ausübung des Verfahrens gemäss der Erfindung mit dieser Vorrichtung geschieht wie bei der an Hand der Fig. i geschilderten Vorrichtung.
Fig. 3 ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens gemäss der Erfindung, bei welcher Vorrichtung die horizontalen Elektroden 25, 26, 27 an ein Dreiphasensystem angeschlossen sind und die gezeichnete Form haben, wobei in der Reaktionszone die Abstände der Elektroden voneinander annähernd die gleichen sind. Die Elektroden könnten auch zur horizontalen Ebene gleich geneigt sein. Durch Einwirkung eines Magnetfeldes und Einführung der Reaktionsgase und Abschreckungsgase genau wie bei der Vorrichtung gemäss Fig. 2 wird in den Reaktionszonen eine dünne homogene Lichtbogensch. eibe erhalten.
Die Vorrichtungen nach Fig. 2 und 3 können in mehreren Lagen übereinander angeordnet werden, so dass ein Hochleistungsofen in einem Block aus feuerfestem Material entsteht. Auch kann durch die Kühlgasdüsen in den Fig. ; bis 3 in entgegengesetzt und schräg zueinanderliegenden Richtungen geblasen werden. Diese Düsen können statt im Innern des Ofens an seiner äusseren Peripherie angebracht und im Gegenstrom zu den Reaktionsgasen geleitet werden.
Die in Fig. 4 gezeigte Ausführung einer Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens gemäss der'Erfindung hat eine stabförmige Elektrode 29 und eine ihr gegenüberstehende Ringelektrode 30. Die Reaktionsgase treten bei 31 in eine Kammer 32 ein, in welcher sie stark vorgewärmt werden. Durch die in der Wandung dieser Kammer passend verteilten Öffnungen 33 können die Reaktionsgase in den die Kammer 32 umgebenden Reaktionsraum 34 gelangen. Kaltes Abschreckungsgas kann durch eine Ringdüse 35 rings um die Elektrode 29 in den Reaktionsraum 34. eingeblasen werden.
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Durch einen nicht dargestellten Magnet wird eine magnetische Wirkung auf die Lichtbögen ausgeübt und es geben die gestrichelten Pfeile 36 das Magnetfeld an. Indes können die Magnetlinien bei allen Ausführungsformen beliebig gerichtet sein, wesentlich ist, dass sie das Lichtbogengebilde schneiden.
Sind die Lichtbögen zwischen den beiden Elektroden 29 und 30. deren Entfernung voneinander an allen Stellen annähernd gleich ist, entzündet und wÍ1 kt das magnetische Feld auf die Lichtbögen ein, dann entsteht ein Lichtbogenkegel. Die Reaktionsgase treten durch die Öffnungen 33 der Kammer 32, wo sie vo gewärmt worden sind, aus und werden durch den Lichtbogenkegel hindurchstreichen, teils unter der Saugwrkung, die. durch die, durch Ringdüse 35 eingeblasenen Abschreckungsgase ausgeübt wird. Auch bei dieser Vor-
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homogenen Lichtkegel bilden, daran gehindert, aus der Kegelfläche, die zwischen beiden Elektroden denkbar ist, seitlich herauszutreten. Die Abschreckungsgase erfüllen hier die gleiche Rolle wie bei der Vorrichtung gemäss Fig. i.
Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäss der Erfindung zeigt, wie mit mehreren Lichtbogenkegeln übereinander gearbeitet werden kann.
Ringelektroden 36, 38, 39, 40, 41, 42 sind übereinander isoliert an einem hohlen Kühlkörper 43 befestigt und erhalten Strom von einem Ein- oder Mehrphasènnetz 44. Der Kühlkörper wird durch Kühlwasser durchflossen und weist einen ringförmigen Abzugskamin 45 auf, der seinen Anfang nahe oberhalb der dritten Elektrode 39 hat. Ein Kanal 46 in der Achse des Kühlkörpers führt zu in drei übereinanderliegenden Kreisen angeordneten Düsenreihen 47, 48, 49 für die Zufuhr von Abschreckungsgasen. Die erste Düsenreihe 47 mündet nahe oberhalb der Ringelektrode 36 aus, die zweite Düsenreihe 48 nahe oberhalb der Ringelektrode 39 und die dritte Düsenreihe 49 nahe oberhalb der Ringelektrode 41.
Das Ganze ist in einem doppelwandigen Gehäuse 50 untergebracht, in welches die Reaktionsgase oben durch ein Rohr 51 eingeführt werden können, um durch Serien von Öffnungen 53. 54, 55,56, 57 in der Innenwandung 52 des Gehäuses 50 nahe den Lichtbogenkegeln, die zwischen den Elektroden zum Brennen gehracht werden, aus dem Gehäuse 50 in den durch die Innenwandung 55 umfassten Raum austreten zu können. Ein Abzugsrohr 58 ermöglicht die Abfuhr der behandelten Produkte. Durch einen nicht dargestellten Magnet wird eine magnetische Wirkung auf die zwischen den Elektroden brennenden Lichtbögen ausgeübt und geben die gestrichelten Pfeile 59 das Magnetfeld an.
Sind die Lichtbögen zwischen den Ringelektroden 36, 38, J9, 40, 41, 42, von welchen jeweils zwei Stück voneinander von allen Stellen annähernd gleich weit entfernt sind, während die einzelnen Elektrodenpaare unter sich auch verschiedene Abstände besitzen können, entzündet und wirkt das magnetische Feld auf die Lichtbögen ein, dann entstehen zwischen den Ringelektroden Lichtbogenkegel. Die Reaktionsgase treten durch das Rohr 51 in das Gehäuse 50 ein, werden hier vorgewärmt, treten durch die Serien von Öffnungen 53 bis 57 einschliesslich aus, strömen, teils unter Saugwirkung der aus den Düsenreihen 47, 48, 49 austretenden Abschreckungsgase, durch die Lichtbogenkegel und werden bei ihrem Austritt aus den Lichtbogenkegeln durch die eingeblasenen Abschreckunggase mitgerissen.
Die derart bewegten Abschreckungsgase formen die Lichtbogenobelflächen zu homogenen Lichtbogenkegeln, so dass letztere nicht über die Kegeloberflächen hinaus-
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auch hier wieder eine extrahierende Wirkung auf die entstandenen Produkte aus und führen diese mit sich fort und ausser den Bereich der Lichtbogen, so dass eine Rückzersetzung vermieden wird.
Die Gase, die durch die Lichtbogenkegel zwischen den Elektroden 36, 38, 39 behandelt worden sind, finden ihren Abzug durch den ringförmigen Kamin 45, die Gase, die durch die Lichtbogenkegel zwischen den Elektroden 39, 40, 41 behandelt worden sind, finden ihren Abzug der Wandung des Kühlkörpers 43 entlang. Die durch den Lichtbogenkegel zwischen den beiden Elektroden 41, 42 behandelten Gase können ohne weiteres mit den Abschreckunggasen nach oben entweichen. Es könnte je nach Bedarf auch eine Ringmauer die beiden letzterwähnten abziehenden Gasströme trennen und wäre diese Ringmauer kranzförmig nahe der Düsenreihe 49 anzuordnen. An Stelle eines Kühlkörpers 43 könnte auch ein Körper gleicher Form aus feuerfestem Material treten.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung gemäss Fig. 5 kann der Ofen grosse Energiemengen aufnehmen. Da die Behandlung der Reaktionsstoffe etagenmässig unterteilt ist und diejenigen Stoffe, welche im unteren Teil des Ofens behandelt worden sind, durch einen besonderen Ringkamin abgeleitet werden, so sind diese entweichenden Stoffe vor der nochmaligen Berührung mit anderen Lichtbogenkegeln geschützt.
Auch der Ofen nach Fig. 4 kann ähnlich wie der Ofen nach Fig. 5 mit mehreren Lagen von Ringelektroden ausgebildet werden. Die Elektroden, zwischen welchen die
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Lichtbögen auftreten, könnten auch die Form von ineinanderliegenden Spiralen haben oder schraubenlinienförmig sein, welche wenigstens in der Reaktionszone gleich weit voneinander entfernt sind.
PATENT-ANSPRÜCHE : i. Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen unter Benutzung durch magnetische Einwirkung ausgebreiteter elektrischer Lichtbögen, bei dem auf die ausgebreiteten Lichtbögen sowohl gegen die eine als auch gegen die andere Seite der von den Lichtbögen bestrichenen Flammenfläche eine Gasmasse einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass von den Gasmassen wenigstens die eine parallel oder nahezu parallel zur Flammenfläche geführt wird, so dass'sie als Gaswand dient, gegen welche die Flammen durch die andere Gasmasse flachgedrückt werden, wodurch ein Flammengebilde stets gleicher durch die Elektroden vorgeschriebener Form geformt wird und dauernd erhalten bleibt.