DE1038535B

DE1038535B - Method and device for heating gaseous or fluidized solids to carry out chemical reactions

Info

Publication number: DE1038535B
Application number: DEP16462A
Authority: DE
Inventors: Robert Emmett Burk
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1955-06-15
Filing date: 1956-06-15
Publication date: 1958-09-11
Also published as: GB808442A; FR1154180A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erhitzung gasförmiger oder im Wirbelzustand befindlicher Feststoffe zur Durchführung chemischer Reaktionen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Erhitzung gasförmiger Stoffe oder im Wirbelzustand befindlicher Feststoffe auf Temperaturen oberhalb 1000° C zur Ausführung von Reaktionen bei hohen Temperaturen.Method and device for heating in a gaseous or fluidized state solids present for carrying out chemical reactions The invention relates refers to a method and a device for rapid heating of gaseous Substances or solids in a fluidized state at temperatures above 1000 ° C to carry out reactions at high temperatures.

Es ist bekannt, daß viele chemische Reaktionen technisch ausgenutzt werden könnten, wenn genügende Wärmemengen zur Verfügung stünden, um die Verhindungen durch Erhitzung auf Temperaturen von 1000 bis 4000° C und höher zu aktivieren. Solche Temperaturen können jedoch nur mit Schwierigkeiten durch die bekannte Ofenheizung erzielt werden, da nur sehr wenige Stoffe bei Temperaturen oberhalb 2000° C beständig sind. Eine Methode zur Aufheizung von Gasen auf die-notwendigen hohen Reaktionstemperaturen besteht in der elektrischen Entladung von Strömen hoher Dichte in dem Gas, wobei elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Diese Erhitzungsmethode ist sehr wirksam, da über 90°/o der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt werden können. Eine solche elektrische Entladung in einem Gas, im allgemeinen als Lichtbogen bezeichnet, hat jedoch viele Nachteile und wurde aus diesem Grunde in der chemischen Industrie nur in sehr begrenztem Umfang verwendet. Man schätzt die Temperatur eines durch einen starken elektrischen Strom erzeugten Lichtbogens im Kern des Bogens auf über 4000° C. aber die Temperatur fällt vom Kern aus nach außen sehr rasch ab. Es ist deshall) schwierig, ein Gas unter Verwendung eines Lichtbogens gleichmäßig zu erhitzen, da hierzu im wesentlichen alle Gasmoleküle mit dem schmalen Kern des Bogens in Kontakt kommen müßten. Es ist möglich, Gase mittels eines Lichtbogens in sehr kleinem Maßstab auf Temperaturen über 2000° C zu erhitzen ; die Durchführung einer solchen Erhitzung in einem größeren Maßstab ist jedoch sehr schwierig, da nur ein kleiner Prozentsatz des Gases mit dem Lichtbogen in Kontakt gebracht werden kann. It is known that many chemical reactions are technically exploited could be, if sufficient amounts of heat were available to the preventions activated by heating to temperatures of 1000 to 4000 ° C and higher. Such Temperatures can, however, only with difficulty due to the known furnace heating can be achieved because very few substances are resistant to temperatures above 2000 ° C are. A method for heating gases to the necessary high reaction temperatures consists in the electrical discharge of high density currents in the gas, where electrical energy is converted into heat. This heating method is very effective, since over 90% of the electrical energy can be converted into heat. Such an electrical discharge in a gas, commonly referred to as an arc, however, it has many disadvantages and for this reason it was used in the chemical industry used only to a very limited extent. You estimate the temperature of one a strong electric current generated arc in the core of the arc on over 4000 ° C. but the temperature drops very quickly from the core to the outside. It is deshall) difficult to evenly heat a gas using an electric arc, since for this purpose essentially all gas molecules are in contact with the narrow core of the arc would have to come. It is possible to arc gases on a very small scale to be heated to temperatures above 2000 ° C; the implementation of such heating however, on a larger scale is very difficult as only a small percentage of the gas can be brought into contact with the arc.

Eine Methode zur Vergrößerung der räumlichen Ausdehnung des Lichtbogenkernes besteht darin, den Bogen in die Länge zu ziehen. Diese Methode ist für einen stetigen Betrieb nicht zufriedenstellend, da für einen sehr langen Bogen hohe Spannungen erforderlich sind, der Bogen schwer zu lenken und unstabil ist. Für bestimmte Verbindungen, wie Edelgase und Luft, können Lichtbögen großer Länge gebildet und aufrechterhalten werden, wenn man geniigend Energie zuführt. Bei anderen Verbindungen jedoch, wie organischen und anorganischen Chloriden und Dampf, lassen sich selbst kurze Bögen nicht ständig so aufrechterhalten, daß eine wesentliche Erhitzung erzielt wird. Die Stabilität des Bogens ändert sich auch mit dem Druck, mit dem das gasförmige Material durch den Bogen geleitet wird, wobei die Instabilität des Bogens im allgemeinen mit dem Druck ansteigt. Trotz all dieser Schwierigkeiten stellt der Lichtbogen jedoch ein höchst erwünschtes Mittel zur Erhitzung von Stoffen auf derart hohe Temperaturen wie 4000° C dar, da er eine sehr wirtschaftliche Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme und chemische Energie gestattet. A method for increasing the spatial expansion of the arc core consists in lengthening the arch. This method is for a continuous Unsatisfactory operation because of high voltages for a very long arc are required, the bow is difficult to steer and unstable. For certain connections, like noble gases and air, arcs of great length can be formed and sustained if you supply enough energy. For other connections, however, such as organic and inorganic chlorides and steam, even short arcs not continuously maintained so that substantial heating is achieved. The stability of the arc also changes with the pressure at which the gaseous Material through the arch is guided, the instability of the arch in general increases with pressure. Despite all these difficulties, however, the electric arc poses a highly desirable means of heating fabrics to such high temperatures like 4000 ° C because it is a very economical conversion of electrical energy permitted in heat and chemical energy.

Gemäß der Erfindung werden die zu erhitzenden gasförmigen oder im Wirbelzustand befindlichen Feststoffe durch einen symmetrischen ringförmigen Spalt geleitet, der von einer im wesentlichen zylindrischen Vollelektrode und einer im wesentlichen zylindrischen Hohlelektrode gebildet wird. Eine zwischen den Elektroden erfolgende elektrische Entladung wird durch Einwirkung eines magnetischen Feldes rotiert, dessen Kraftlinien zur Rotationsachse des ringförmigen Lichtbogenspaltes im wesentlichen parallel verlaufen. According to the invention, the gaseous or im to be heated Vortex solids through a symmetrical annular gap guided by a substantially cylindrical full electrode and an im essentially cylindrical hollow electrode is formed. One between the electrodes occurring electrical discharge is caused by the action of a magnetic field rotates whose lines of force to the axis of rotation of the annular Arc gap run essentially parallel.

Da der Gasstrom dem Bogen im wesentlichen transversal anstatt wie früher tangential zugeführt wird und der Bogen außerordentlich schnell rotiert, erhält man eine besonders gleichmäßige Erhitzung des gasförmigen Materials auf Temperaturen von 4000° C bei sehr kurzen Kontaktzeiten. Es wurde ferner festgestellt, daß ein rotierender Lichtbogen eine überraschend größere Stabilität als ein linearer Lichtbogen besitzt, wodurch die Erhitzung von gasförmigen Stoffen möglich wird, bei der ein linearer Bogen nicht unterhalten werden könnte.Since the gas flow is essentially transverse to the arch rather than how is fed tangentially earlier and the sheet rotates extremely quickly, a particularly uniform heating of the gaseous material to temperatures is obtained of 4000 ° C with very short contact times. It was also found that a rotating arc has surprisingly greater stability than a linear arc possesses, whereby the heating of gaseous substances is possible, in the one linear arc could not be maintained.

Die für den magnetisch rotierenden Lichtbogen gemäß der Erfindung verwendeten Elektroden bestehen vorzugsweise aus einem Material, das elektrisch leitend ist und sich bei den von dem rotierenden Lichtbogen erzeugten Temperaturen nicht schnell zersetzt. So verwendet man z. B. zweckmäßig Kohle-oder Graphitelektroden. Da der Bogen von der Anodentemperatur unabhängig ist, ist es leicht möglich, wassergekühlte Metallanoden zu verwenden. Die Kathode besteht im allgemeinen aus Kohle oder Graphit, da kein anderes leitendes Material bei den hohen Temperaturen, die zur Bildung eines stetigen Lichtbogens an der Kathode erforderlich sind. Iängere Zeit beständig ist. The one for the magnetically rotating arc according to the invention Electrodes used are preferably made of a material that is electrically is conductive and is at the temperatures generated by the rotating arc does not decompose quickly. So one uses z. B. expedient carbon or graphite electrodes. Since the arc is independent of the anode temperature, it is easily possible to use water-cooled Use metal anodes. The cathode generally consists of carbon or graphite, there is no other conductive material at the high temperatures that lead to the formation of a steady arc at the cathode are required. Persistent for a long time.

Die Elektroden werden vorzugsweise kreisförmig ausgebildet, wobei die eine Elektrode hohl ist und die andere unter Bildung eines kreisförmigen Spaltes in die Hohlelektrode paßt. Es ist nicht erforderlich, daß die Elektroden fluchtgerecht zueinander angeordnet sind ; sie können auch teilweise oder vollständig konzentrisch zueinander liegen. Der Bogen jedoch wird vorzugsweise an der Spitze der Kathode gezündet. The electrodes are preferably circular, wherein one electrode is hollow and the other to form a circular gap fits into the hollow electrode. It is not necessary that the electrodes are in alignment are arranged to each other; they can also be partially or fully concentric lie to each other. The arc, however, is preferably at the tip of the cathode ignited.

Um eine gleichmäßige Erhitzung zu erreichen, muß das gesamte gasförmige Material durch den Spalt gepreßt werden, in dem der Bogen rotiert. Dies erfolgt im allgemeinen, indem man das Gas durch die Hohlelektrode zuführt oder abzieht, wie in der Zeichnung gezeigt. Die Elektrodengröße kann erheblich erhöht werden, ohne daß die Wirksamkeit der Erhitzung oder die Stabilität des Bogens beeinfltlßt wird, und wird lediglich durch die verfiigbare Energie begrenzt.In order to achieve uniform heating, all of the gaseous Material can be pressed through the gap in which the sheet rotates. this happens in general, by supplying or withdrawing the gas through the hollow electrode, as shown in the drawing. The electrode size can be increased significantly, without affecting the heating efficiency or the stability of the arc is, and is only limited by the available energy.

Da bei dem Verfahren gemäß der Erfindung an Stelle eines einzelnen linienförmigen Lichtbogens eine l, ichtbogenfläche erhalten wird, führt eine kleine Vergrößerung des Elektrodenspaltes zu einer starken Vergrößerung der Erhitzungskapazität, so daß man zur Erhitzung größerer Materialmengen nicht zu breiten Spalten von z. B. 0, 6 m und mehr greifen muß, bei denen die Aufrechterhaltung des Lichtbogens schwieriger ist. Aber selbst wenn breite Spalte notwendig oder erwünscht sind, ist die Stabilität eines in solchen Spalten rotierenden Bogens größer als die eines linearen Bogens.Since in the method according to the invention instead of a single linear arc an arc surface is obtained, leads to a small Enlargement of the electrode gap to a strong increase in the heating capacity, so that for heating larger amounts of material not too wide gaps of z. B. must grab 0, 6 m and more, where the maintenance of the arc is more difficult. But even if wide gaps are necessary or desired, it is the stability of an arc rotating in such gaps is greater than that of one linear arc.

Man nimmt an, da8 die elektrischen Eigenschaften des rotierenden Bogens im wesentlichen denjenigen eines linearen Bogens entsprechen. So können die Betriebsbedingungen des Bogens in einem weiten Bereich von einer Mindestspannung, die zur Aufrechterhaltung des Bogens erforderlich ist, bis zu sehr hohen Spannungen verändert werden. Die Mindestspannung hängt von dem lonisierungspotential des Gases und des Elektrodenmaterials ab. Im allgemeinen wird bei einer gegebenen Stromstärke die erforderliche Bogenspannung durch den Druck des Gases, die Breite des Spaltes und die Natur des Gases bestimmt. Die zugeführte Energie muB zur Aufrechterhaltung eines rotierenden Bogens zumindest groß genug sein, daß die Kathode genügend erhitzt wird, um einen stabilen Bogen zu erhalten. Sie hängt aber natiirlich auch von der Menge des durch den Bogen geführten Gases und der Temperatur ab, auf welche die Gase aufgeheizt werden sollen. Die dem rotierenden Bogen zugeführte elektrische Energie soll groß genug sein, um eine solche Wärmeenergie zu gewinnnen. daß die durch den Bogen geführten gasförmigen Stoffe auf die gewünschte Temperatur erhitzt werden. Der rotierende Bogen ergibt eine außerordentlich wirksame Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie, schätzungsweise über 90°/o, da zur Erhitzung der Kathode nur ein kleiner Teil der Energie notwendig ist und nur ein kleiner Teil durch Strahlung verlorengeht. It is assumed that the electrical properties of the rotating Arc substantially correspond to that of a linear arc. So they can Operating conditions of the arc in a wide range from a minimum voltage, required to maintain the arc, up to very high voltages to be changed. The minimum voltage depends on the ionization potential of the gas and the electrode material. In general, for a given amperage the required arc tension due to the pressure of the gas, the width of the gap and determines the nature of the gas. The energy supplied must be maintained of a rotating arc must be at least large enough that the cathode is heated sufficiently is going to get a stable Get bow. But of course it also depends on the Amount of gas passed through the sheet and the temperature to which the Gases are to be heated. The electrical supplied to the rotating arc Energy should be large enough to generate such thermal energy. that the Gaseous substances passed through the arch are heated to the desired temperature will. The rotating arc gives an extremely efficient conversion of electrical energy in thermal energy, estimated to be more than 90%, because it is used for heating the cathode only needs a small part of the energy and only a small part is lost by radiation.

Der Lichtbogen wird erhalten, indem man an die Elektroden einen genügend starken Gleichstrom anlegt. Im allgemeinen ist Gleichstrom erforderlich, da die Erzielung eines stabilen Bogens mit Gleichstrom technisch einfacher als mit Wechselstrom ist. Die Rotation des linearen Bogens erfolgt durch Einwirkung eines magnetischen Feldes, dessen Kraftlinien unter einem rechten Winkel zur Drehungsehene des Bogens verlaufen. Bekanntlich erzeugt ein solches Magnetfeld eine Kraft, die den Bogen quer zur Feldrichtung zu bewegen versucht. Hierdurch wird die Rotation des Bogens bewirkt. Es wurde gefunden, daß der Bogen langsam zu rotieren beginnt, ähnlich wie die Speichen eines sich bewegenden Rades bei beginnender Beschleunigung. Nach wenigen Sekunden rotiert der Bogen so schnell, daß er dem Auge als leuchtender Ring von der Breite des Spaltes erscheint. The arc is obtained by applying a sufficient amount to the electrodes applies strong direct current. In general, direct current is required because the Achieving a stable arc with direct current is technically easier than with alternating current is. The rotation of the linear arc is done by the action of a magnetic Field, whose lines of force are at right angles to the twist tendon of the bow get lost. As is well known, such a magnetic field creates a force that pulls the arc Tried to move across the direction of the field. This will cause the arc to rotate causes. It has been found that the arc begins to rotate slowly, similar to the spokes of a moving wheel as it starts to accelerate. After a few Seconds the arc rotates so fast that it appears as a shining ring of the width of the gap appears.

Es ist nicht bekannt, ob der Bogen im Gleichgewichtszustand noch rotiert oder ob der Bogenkern zu einer leuchtenden Scheibe auseinandergezogen wird. Man schätzt, daß die Rotation des Bogens im Gleichgewichtszustand mit einer Geschwindigkeit von 1000 bis 10 000 U/sec erfolgt. Hierdurch ist-angesichts dieser hohen Geschwindigkeiten-die Länge des kreisförmigen Weges des Bogens hinsichtlich der gleichförmigen Erhitzung des Gases von untergeordneter Bedeutung. Die Mindeststärke des magnetischen Feldes, die zur Rotation des Bogens erforderlich ist, ist noch umstritten. Wahrscheinlich muß man die Feldstärke erhöhen, wenn der Spalt vergröBert wird. Es wurde gefunden, daß Feldstärken von 100 Gauß im allgemeinen ausreichen, um einen Lichtbogen in einem Spalt von Vg cm Breite zu rotieren.It is not known whether the arc is still rotating when it is in equilibrium or whether the core of the arc is pulled apart to form a shining disk. Man estimates that the rotation of the arc in equilibrium is at a speed from 1000 to 10,000 rev / sec. Because of this - in view of these high speeds - the Length of the arc's circular path in terms of uniform heating of the gas is of minor importance. The minimum strength of the magnetic field, which is required to rotate the bow is still controversial. Probably the field strength must be increased if the gap is enlarged. It was found, that field strengths of 100 Gauss are generally sufficient to create an arc in one To rotate a gap of Vg cm wide.

Das magnetische Feld wird vorzugsweise mittels einer Drahtspule aufgebaut, die koaxial zu den Elektroden die Lichtkammer umgibt und mit Gleichstrom gespeist wird. An Stelle der Spule kann auch ein Dauermagnet verwendet werden.The magnetic field is preferably built up by means of a wire coil, which surrounds the light chamber coaxially to the electrodes and is fed with direct current will. A permanent magnet can also be used in place of the coil.

Die Temperaturen, auf welche Gase durch den rotierenden Bogen erhitzt werden können, sind außerordentlich hoch. So war es möglich, in einem durch den rotierenden Bogen geleiteten Stickstoffstrom einen Wolframdraht von einem Schmelzpunkt von 3382° C zu schmelzen. Die Temperatur des Lichtbogens wird auf über 4000° C geschätzt. Die Temperatur, auf welche das Gas erhitzt wird, kann in einem gewissen Umfang durch die Menge des in der Zeiteinheit zugeführten Gases und durch die dem Bogen zugeführte Energie gelenkt werden. So erhält man bei höheren Drücken und größeren Durchsätzen eine geringere Gastemperatur, und auch bei verringerter Energiezufuhr sinkt die Temperatur des Gases. Durch Veränderung dieser Variablen können geeignete Reaktionsbedingungen erzielt werden. Der rotierende Bogen kann in einem breiten Druckbereich betrieben werden. Bestimmte Reaktionen ergeben jedoch bessere Ergebnisse bei niederen Driicken, während andere bei hohen Drücken höhere Umwandlungsgrade ergeben. The temperatures to which gases are heated by the rotating arc are extremely high. So it was possible in one through the rotating arc directed a stream of nitrogen down a tungsten wire from a melting point of 3382 ° C to melt. The temperature of the arc is estimated to be over 4000 ° C. The temperature to which the gas is heated can to a certain extent by the amount of gas supplied in the unit of time and by that supplied to the sheet Energy to be directed. So you get at higher pressures and larger throughputs a lower gas temperature, and also with a reduced energy supply the decreases Temperature of the gas. By changing these variables, suitable reaction conditions can be created be achieved. The rotating arc can operate over a wide pressure range will. However, certain reactions give better results Results at lower pressures, while others give higher degrees of conversion at high pressures.

Der Bogen selbst ist jedoch nicht auf bestimmte Drücke beschränkt.However, the arch itself is not limited to specific pressures.

Das Verfahren der Erfindung eignet sich zur Ausführung vieler Reaktionen, insbesondere solcher, bei denen eine Dissoziation der Ausgangsstoffe erfolgt, z. B. für die Pyrolyse anorganischer oder organischer Fluorverbindungen zwecks Erzeugung von Fluorkohlenstoffverbindungen. Bei dieser Reaktion dissoziieren die Fluoride oder Fluorverbindungen in Fluor und in einigen Fällen in Fluorkohlenstoffradikale, die mit Kohlenstoff unter Bildung der erwünschten Fluorkohlenstoffverbindungen und insbesondere des Tetrafluoräthylens reagieren. Eines der besonderen Merkmale des rotierenden Lichtbogens besteht darin, daß die Gase trotz Aufheizung auf außerordentlich hohe Temperaturen nach Passieren des Bogens rasch auf sehr viel tiefere Temperaturen abgeschreckt werden können. Auf Grund der geringen Wärmeleitfähigkeit des rotierenden Bogens selbst ist es möglich, die Temperatur der Gase auf verschiedenste Weise rasch zu senken, z. B. durch Verdünnung mit einem kalten inerten Gas, das die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in Richtung von der heißen Zone weg vergrößert und einen rascheren Kontakt mit kalten Oberflächen ermöglicht, oder den Kontakt von kalten, im Wirbelzustand befindlichen Teilchen mit dem heißen Gasstrom. Es ist auf diese Weise auch möglich, in der Abkühlungsstufe Reaktionen durchzuführen, indem man in den Gasstrom nach Passieren des Lichtbogens die entsprechenden Reaktionsteilnehmer einspritzt. The method of the invention is suitable for carrying out many reactions, especially those in which there is a dissociation of the starting materials, e.g. B. for the pyrolysis of inorganic or organic fluorine compounds for the purpose of production of fluorocarbon compounds. During this reaction the fluorides dissociate or fluorine compounds in fluorine and in some cases in fluorocarbon radicals, those with carbon to form the desired fluorocarbon compounds and react in particular of tetrafluoroethylene. One of the special features of the rotating arc consists in the fact that the gases, despite being heated to extraordinary high temperatures quickly to much lower temperatures after passing the arch can be deterred. Due to the low thermal conductivity of the rotating Bogens itself it is possible to quickly adjust the temperature of the gases in a variety of ways to lower, e.g. B. by dilution with a cold inert gas, which increases the flow rate of the gas in the direction away from the hot zone and a faster contact with cold surfaces, or the contact of cold, in the vortex state located particles with the hot gas stream. In this way it is also possible carry out reactions in the cooling stage by adding to the gas stream after Passing the arc injects the appropriate reactants.

Auf diese Weise kann man Reaktionen im Bogen durch verschiedene Abkühlung so lenken, daß völlig unterschiedliche Produkte erhalten werden. Ein Beispiel hierfür ist die Synthese von Tetrafluorathylen unter Verwendung des rotierenden Lichtbogens und eines anorganischen Fluorides. Wenn die Reaktionsgase langsam abgekühlt werden, erhält man bei der Umsetzung des anorganischen Fluorides mit Kohlenstoff in der heißen Zone als Reaktionsprodukt in der Hauptsache Kohlenstofftetrafluorid. Wenn man jedoch rasch abschreckt, wird die Menge an Tetrafluoräthylen vergrößert, und wenn man das heiße Reaktionsgas mit im Wirbelzustand befindlichem Kohlenstoff in Kontakt bringt, erhält man eine sehr hohe Umwandlung des aus dem anorganischen Fluorid freigesetzten Fluors in Tetrafluoräthylen.In this way one can see reactions in the arch through various cooling steer so that completely different products are obtained. An example of this is the synthesis of tetrafluoroethylene using the rotating arc and an inorganic fluoride. If the reaction gases are slowly cooled, is obtained when the inorganic fluoride is reacted with carbon in the hot zone as the reaction product mainly carbon tetrafluoride. if but if you quickly quenched, the amount of tetrafluoroethylene is increased, and when the hot reaction gas is in the fluidized state with carbon Bringing contact, one obtains a very high conversion of the from the inorganic fluoride released fluorine in tetrafluoroethylene.

Ein Beispiel für die verbesserte Stabilität des rotierenden Lichtbogens ist die Erhitzung von Dampf oder Tetrachlorkohlenstoff. Wenn einer dieser beiden Stoffe in einen linearen Bogen eingeleitet wird, kann der Bogen nicht stetig aufrechterhalten werden und wird selbst bei kleinen Spalten ausgelöscht, so daß eine gleichmäßige Erhitzung nicht möglich ist. Mit einem rotierenden Lichtbogen jedoch kann man diese Stoffe auf derart hohe Temperaturen erhitzen, daß ein in das abströhmende Gas eingebrachter Wolframdraht schmilzt. An example of the improved stability of the rotating arc is the heating of steam or carbon tetrachloride. If either of these two Substances are introduced into a linear arc, the arc cannot be sustained steadily are and will be extinguished even with small gaps, so that a uniform Heating is not possible. With a rotating arc, however, you can do this Heat substances to such high temperatures that one is introduced into the outflowing gas Tungsten wire melts.

Die Zeichnung zeigt im Querschnitt eine beispielsweise Ausführungsform einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung, mit welcher das gasförmige Behandlungsgut rasch und gleichmäßig im Lichtbogen erhitzt und zwecks Verbesserung der Ausbeute rasch abgeschreckt oder umgesetzt werden kann. An den Rotationslichtbogenofen ist hierzu ein Reaktionsgefäß für Reaktionen in fester Phase angeschlossen. The drawing shows an exemplary embodiment in cross section a device suitable for carrying out the method according to the invention, with which the gaseous material to be treated is heated quickly and evenly in an electric arc and can be rapidly quenched or reacted to improve yield. For this purpose, a reaction vessel for reactions in solid is attached to the rotary arc furnace Phase connected.

Der Lichtbogenofen ist mit zwei Elektroden ausgerüstet, nämlich einer kreisrunden vollen Graphit- kathode 1 und einer kreisrunden hohlen Graphitanode 2, die in der von einem bei 3 wassergekühlten Kupfermantel 4 umgebenen Lichtbogenkammer 5 angeordnet sind. Die Elektroden sind konzentrisch so zueinander angeordnet, daß zwischen ihnen ein kreisförmiger Spalt 6 gebildet wird. Die Elektroden werden mit Gleichstrom gespeist. Konzentrisch zu den Elektroden ist eine gleichstrombetriebene Spule 7 angeordnet, die das die Rotation des Lichtbogens bewirkende Magnetfeld erzeugt. Für Spalte 6 von einer Breite von nicht mehr als etwa 11/4 cl und einem Innendurchmesser von etwa 2Vs bis 7Vs cm reichen Magnetfelder von 100 Gauß Stärke aus. Für größere Spaltbreiten und-durchmesser kann eine leichte Erhöhung der Feldstärke notwendig sein. The arc furnace is equipped with two electrodes, namely one circular full graphite cathode 1 and a circular hollow graphite anode 2, in the arc chamber surrounded by a copper jacket 4 which is water-cooled at 3 5 are arranged. The electrodes are arranged concentrically to one another that a circular gap 6 is formed between them. The electrodes are with Direct current fed. A DC-operated one is concentric to the electrodes Coil 7 is arranged, which generates the magnetic field causing the rotation of the arc. For column 6 of a width of no more than about 11/4 cl and an inside diameter From about 2Vs to 7Vs cm, magnetic fields with a strength of 100 Gauss are sufficient. For bigger ones Gap widths and diameters may require a slight increase in the field strength be.

Mit dem Lichtbogenofen ist ein Reaktions-und Abschreckrohr 8 aus Stahl mit einem es umgebenden Vorratsbehälter verbunden, in welchem die von dem rotierenden Lichtbogen abströmenden heißen Gase rasch abgeschreckt und/oder mit im Wirbelzustand befindlichen Feststorfen umgesetzt werden. A reaction and quenching tube 8 is made with the arc furnace Steel connected to a storage container surrounding it, in which the from the rotating arc rapidly quenched hot gases flowing off and / or with Fixed pods in the vortex are implemented.

Das zu erhitzende gasförmige Behandlungsgut wird bei 9 in die Lichtbogenkammer 5 eingeleitet und durch den Spalt 6 gepreßt, in welchem der Bogen rotiert. The gaseous material to be heated is placed in the arc chamber at 9 5 initiated and pressed through the gap 6 in which the sheet rotates.

Die Gase treten aus dem Bogen mit hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit in die Hohlelektrode 2 aus und strömen in das Reaktions-und Abschreckrobr 8.The gases exit the arc at high temperature and high speed into the hollow electrode 2 and flow into the reaction and quenching tube 8.

Auf Grund der hohen Strömungsgeschwindigkeit reißen sie durch Öffnungen im Rohr aus dem Vorratsbehälter große Mengen des feinzerteilten Feststoffes 10 mit. Die vom Gasstrom mitgenommene Feststoffmenge kann durch die Größe der Offnungen und der Feststoffteilchen geregelt werden. Der Feststoff kann dann mit dem Gas reagieren bzw. das Gas rasch abschrecken, was von Art und Menge des Gases und des Feststoffes abhängt.Due to the high flow speed, they tear through openings large amounts of the finely divided solid 10 in the tube from the storage container. The amount of solids entrained by the gas stream can be determined by the size of the openings and the particulate matter can be controlled. The solid can then react with the gas or quench the gas quickly, depending on the type and amount of gas and solid depends.

Beispiel 1 Die Umwandlung von Kohlenstofftetrafluorid in Tetrafluoräthylen erfolgt, wenn in einer Vorrichtung, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, Kohlenstofftetrafluorid auf eine Temperatur über 1700° C erhitzt und danach rasch auf eine Temperatur unterhalb 500° C abgeschreckt wird. Es wird dabei eine Graphithohlelektrode von einem Innendurchmesser von 23, 88 mm und eine Graphitvollelektrode von 17, 53 mm Durchmesser verwendet. Das gesamte aus dem rotierenden Lichtbogen erhaltene Produkt wird mit im Wirbelzustand befindlichen Kohlenstoffteilchen von einer Teilchengröße von 0, 147 mm abgeschreckt und umgesetzt. Das Kohlenstofftetrafluorid wird dem rotierenden Lichtbogenofen mit der in der Tabelle angegebenen Geschwindigkeit zugefiihrt. Die Rotation des Lichtbogens wird durch ein Magnetfeld von 200 Gauß bewirkt. Die an die Elektrode angelegte Spannung ist gleichfalls in der Tabelle angegeben. Example 1 The conversion of carbon tetrafluoride to tetrafluoroethylene occurs when in a device as shown in the drawing, carbon tetrafluoride heated to a temperature above 1700 ° C and then rapidly to a temperature below 500 ° C is quenched. It becomes a graphite hollow electrode with an inner diameter of 23.88 mm and a graphite full electrode 17.53 mm in diameter were used. All of the product obtained from the rotating arc is swirled with it quenched carbon particles with a particle size of 0.147 mm and implemented. The carbon tetrafluoride is used in the rotating arc furnace at the rate given in the table. The rotation of the arc is caused by a magnetic field of 200 Gauss. The voltage applied to the electrode is also given in the table.

Die Reaktionsgase werden mit dem feinzerteilten Kohlenstoff, der auf einer Temperatur unterhalb 500° C gehalten wird, in einem Gewichtsverhältnis von l Teil zu 30 Teilen Kohlenstoff in Kontakt gebracht. Die Gase werden vom Kohlenstoff abgetrennt, in mit flüssiger Luft gekühlten Vorlagen isoliert und massenspektroskopisch untersucht. Der Druck im Inneren der Anlage wird auf 75 mm Hg abs. gehalten.The reaction gases are with the finely divided carbon that is on a temperature below 500 ° C, in a weight ratio of 1 part brought into contact with 30 parts carbon. The gases are made up of carbon separated, isolated in templates cooled with liquid air and by mass spectroscopy examined. The pressure inside the system is set to 75 mm Hg abs. held.

Zum Vergleich wird unter identischen Bedingungen mit einem linearen Bogen gearbeitet. Der lineare Bogen wurde unter identischen Bedingungen erhalten, indem man die das Magnetfeld erzeugende Spule abschaltete. Linearer Bogen Rotierender Bogen Strömungs- geschwindig- geschwindig- keit, cm3/min 500 5000 500 5000 Druck, mm .... 75 75 75 75 Bogenstrom- stärke. A...... 200 500 200 500 Bogenspannung, V............ 26,1 38,3 34,2 57 Zusammen- setzung des Pro- duktes in Mol- prozent Tetrafluor- äthylen .... 5,8 2,2 51,1 74,6 Kohlenstoff- tetrafluorid 92,5 97 34,2 16,7 Hexafluro- äthan ..... 1,1 0,5 10,1 4,5 Siliciumtetra- fluorid *).. 0, 5 0, 2 0, 4 1, 3 Hexafluor- propylen .. 0,2 0,1 4,2 2,9 *) Die Bildung von Siliciumtetrafluorid beruht auf Si 02-Verunreinigungen.For comparison, a linear arc is used under identical conditions. The linear arc was obtained under identical conditions by switching off the coil generating the magnetic field. Linear arc Rotating arc Flow speedy speedy speed, cm3 / min 500 5000 500 5000 Pressure, mm .... 75 75 75 75 Arc current strength. A ...... 200 500 200 500 Arc tension, V ............ 26.1 38.3 34.2 57 Together- setting the proposal ducts in mol- percent Tetrafluoro ethylene .... 5.8 2.2 51.1 74.6 Carbon- tetrafluoride 92.5 97 34.2 16.7 Hexafluro ethane ..... 1.1 0.5 10.1 4.5 Silicon tetra fluoride *) .. 0, 5 0, 2 0, 4 1, 3 Hexafluoro propylene .. 0.2 0.1 4.2 2.9 *) The formation of silicon tetrafluoride is based on Si 02 impurities.

Nicht nur die Erhitzung erfolgt in rotierenden Lichtbogen in viel wirksamerer Weise, sondern man erhält auch hohe Umwandlungen in Tetrafluorathylen bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Der lineare Bogen erzeugt nicht genügend Wärme, um das Kohlenstofftetrafluorid gleichmäßig auf Temperaturen oberhalb 1700° C zu erhitzen. Not only does the heating take place in a rotating arc in a lot more effective, but also gives high tetrafluoroethylene conversions at very high flow velocities. The linear arc is not producing enough Heat to the carbon tetrafluoride evenly to temperatures above 1700 ° C to heat.

Beispiel 2 Wenn die Synthese von Tetrafluoräthylen aus Phosphorpentafluorid bei Temperaturen oberhalb 1000° C durchgeführt wird, wird Phosphorpentafluorid in Gegenwart von Kohlenstoff vollständig zu Phosphortrifluorid und Fluorkohlenstoffverbindungen pyrolysiert. Zur Erzielung einer hohen Umwandlung in Tetranuoräthylen ist es notwendig, das Phosphorpentafluorid auf Temperaturen oberhalb 1700° C zu erhitzen, anschließend rasch abzuschrecken und die aus der heißen Zone abströmenden Reaktionsgase mit im Wirbelzustand befindlichem Kohlenstoff umzusetzen. Der rotierende Lichtbogen und die Abschreckzone werden bei dieser Reaktion in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 benutzt. Phosphorpentafluorid urde dem rotierenden Lichtbogen mit der in der nachstehenden Tabelle angegebenen Geschwindigkeit zugeführt. Die Rotation des Bogens erfolgt durch ein vlagnetfeld von 200 Gauß. Die an die Elektroden angelegte Gleichspannung ist gleichfalls in der Tabelle angegeben. Die aus der Hohlanode abströmenden Reaktionsgase werden mit feinzerteiltem Kohlenstoff von einer Teilchengröße von 0, 147 mm in Kontakt gebracht. Der mit dem Reaktionsgas in Kontakt kommende Kohlmstoff hat eine Temperatur unterhalb 500° C und wird vom Reaktionsgasstrom in einem Gewichtsverhältnis von I Teil Gas zu 30 Teilen Rohlenstoff mitgenommen. Die umgesetzten und abgekühlten Gase werden vom Kohlenstoff abgetrennt, in flüssiger Luft isoliert und massenspektroskopisch untersucht. Der Druck im Inneren der Anlage wird auf 75 mm Hg abs. gehalten. Example 2 If the synthesis of tetrafluoroethylene from phosphorus pentafluoride is carried out at temperatures above 1000 ° C, phosphorus pentafluoride is in Presence of carbon completely to phosphorus trifluoride and fluorocarbon compounds pyrolyzed. To achieve a high conversion into tetranuoroethylene it is necessary to heat the phosphorus pentafluoride to temperatures above 1700 ° C, then to quickly quench and the reaction gases flowing out of the hot zone with im To implement the carbon in the vortex. The rotating arc and the quenching zones are used in this reaction in the same way as in the example 1 used. Phosphorus pentafluoride was applied to the rotating arc using the method shown below Table specified speed fed. The arc is rotated by a vlagnetfeld of 200 Gauss. The DC voltage applied to the electrodes is also indicated in the table. The reaction gases flowing out of the hollow anode are in contact with finely divided carbon with a particle size of 0.147 mm brought. The carbon coming into contact with the reaction gas has a temperature below 500 ° C and is from the reaction gas stream in a weight ratio of I part of gas to 30 parts of raw material taken. The reacted and cooled Gases are separated from carbon, isolated in liquid air and mass spectroscopically examined. The pressure inside the system is set to 75 mm Hg abs. held.

Zum Vergleich mit dem rotierenden Bogen wurde der Versuch bei sonst identischen Bedingungen unter Verwendung eines linearen Bogens wiederholt. Linearer Rotierender Bogen Bogen Strömungsgeschwindigkeit. cm3/min................ 500 Bogenspannung, V........ 28 35. 5 Bogenstromstärke, A...... 100 100 Druck, mm 60 60 Zusammensetzung der erhal- tenen Fluorkohlenstoff- verbindungen Tetrafluoräthylen 6, 3 81, 0 Kohlenstofftetrafluorid 89, 6 8, 3 Hexafluoräthan 1, 1 3, 8 Siliciumtetrafluorid... 2, 7 4, 5 Hexafluorpropylen 0, 3 2, 4 Umwandlung von PF5 in Fluorkohlenstoff- verbindungen und P F3, 14, 2 100 Beispiel 3 Man erhitzt Tetrachlorkohlenstoff im rotierenden Lichtbogen. Bei diesem Versuch wurde keine Abschreckzone verwendet. Durch den rotierenden I, ichtbogen leitet man mit einer Geschwindigkeit von 5 g/min Tetrachlorkohlenstoff in Dampfform. Der rotierende Lichtbogen wird in einem symmetrischen ringförmigen Spalt unterhalten, der zwischen einer vollen Innenelektrode (Kathode) von 38, 1 mm Durchmesser und einer hohlen Außenelektrode von 50, 8 mm Innendurchmesser in der I. ichtbogenkammer gebildet wird. Der 12, 7 mm lange Bogen wird durch ein Magnetfeld von 500 Gauß in Rotation versetzt, das von der Spule an der Außenseite der Lichtbogenkammer erzeugt wird. Man arbeitet mit einer Stromstärke von 200 A. Die zur Aufrechterhaltung des Bogens notwendige Spannung erhöht sich von 54 auf 70 V, wenn der Druck des Beschickungsgases von 180 mm Hg abs. auf Atmosphärendruck erhöht wird.For comparison with the rotating arc, the test was repeated using a linear arc under otherwise identical conditions. Linear rotator Bow bow Flow velocity. cm3 / min ................ 500 Arc voltage, V ........ 28 35. 5 Arc current, A ...... 100 100 Pressure, mm 60 60 Composition of the ten fluorocarbon links Tetrafluoroethylene 6, 3 81, 0 Carbon tetrafluoride 89, 6 8, 3 Hexafluoroethane 1, 1 3, 8 Silicon tetrafluoride ... 2, 7 4, 5 Hexafluoropropylene 0, 3 2, 4 Conversion of PF5 in fluorocarbon connections and P F3, 14, 2 100 Example 3 Carbon tetrachloride is heated in a rotating arc. No quench zone was used in this experiment. Carbon tetrachloride in vapor form is passed through the rotating arc at a rate of 5 g / min. The rotating arc is maintained in a symmetrical ring-shaped gap which is formed between a full inner electrode (cathode) of 38.1 mm diameter and a hollow outer electrode of 50.8 mm inner diameter in the first arc chamber. The 12.7 mm long arc is set in rotation by a magnetic field of 500 Gauss, which is generated by the coil on the outside of the arc chamber. A current of 200 A is used. The voltage required to maintain the arc increases from 54 to 70 V when the pressure of the feed gas is 180 mm Hg abs. is increased to atmospheric pressure.

Der Tetrachlorkohlenstoff wird bei allen Drücken auf Temperaturen oberhalb 1800° C erhitzt, wie das Schmelzen eines Platindrahtes anzeigt, der in das abströmende Gas in der Hohlelektrode gehalten wird.The carbon tetrachloride is heated to temperatures at all pressures heated above 1800 ° C, as indicated by the melting of a platinum wire, which in the outflowing gas is held in the hollow electrode.

Der rotierende Bogen kann bei allen Drücken ständig aufrechterhalten werden. Der ohne das magnetische Feld erhaltene lineare Bogen kann nicht ständig aufrechterhalten werden, sondern wird nach 2 bis 5 Sekunden ausgelöscht. Bei Verwendung des linearen Bogens kann der Tetrachlorkohlenstoff unter identischen Bedingungen nicht auf Temperaturen über 800° C erhitzt werden.The rotating arc can be maintained at all pressures at all times will. The linear arc obtained without the magnetic field cannot be continuous but will be extinguished after 2 to 5 seconds. Using of the linear arc, the carbon tetrachloride can under identical conditions are not heated to temperatures above 800 ° C.

Die Anwendung des rotierenden Lichtbogens kann vorteilhaft bei allen chemischen Reaktionen erfolgen, die in Gasphase durchgefiihrt werden können und hohe Temperaturen erfordern, wie z. B. die Bildung von Cyanwasserstoff aus Methan und Stickstoff. The use of the rotating arc can be beneficial at all chemical reactions take place that can be carried out in the gas phase and require high temperatures, such as B. the formation of hydrogen cyanide from methane and nitrogen.

Der Hauptvorteil des rotierenden Lichtbogenofens liegt in der hohen Temperatur, auf welche gasförmige Verbindungen aufgeheizt werden können. Andere Vorteile sind die Stabilität des rotierenden Lichtbogens und sein Vermögen, Gase gleichmäßig auf hohe Temperatur zu erhitzen. Weitere Vorteile liegen in dem hohen Umwandlungsgrad elektrischer Energie in Wärme und der Möglichkeit, die Reaktionsprodukte nach Erhitzung der Ausgangsstoffe im rotierenden Lichtbogen rasch abzukühlen und auf diese Weise zu modifizieren. The main advantage of the rotating arc furnace is its high Temperature to which gaseous compounds can be heated. Other Advantages are the stability of the rotating arc and its ability to gas evenly on heat high temperature. Further advantages lie in the high degree of conversion of electrical energy into heat and the possibility of the reaction products after heating the starting materials in a rotating arc cool quickly and modify in this way.

PATENTANSPROCHE : 1. Verfahren zur Erhitzung gasförmiger oder im Wirbelzustand befindlicher Feststoffe zur Durchführung chemischer Reaktionen in einem der Einwirkung eines Magnetfeldes unterliegenden elektrischen Lichtbogen auf Temperaturen oberhalb 1000° C, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stoffe durch einen stetig rotierenden Lichtbogen leitet, der durch stetige Entladung elektrischen Gleichstromes zwischen zwei kreisrunden oder zylindrischen Elektroden, z. B. aus Kohle, erzeugt wird, die so zueinander angeordnet sind, daß sie einen symmetrischen Ringspalt bilden, wobei die innenliegende Elektrode die Kathode und die außenliegende Elektrode die Anode bildet und die Rotation durch ein magnetisches Feld bewirkt wird, dessen Kraftlinien zur Drehachse des Lichtbogens im wesentlichen parallel verlaufen. PATENT CLAIMS: 1. Process for heating gaseous or im Eddy state of solids to carry out chemical reactions in an electric arc subject to the action of a magnetic field Temperatures above 1000 ° C, characterized in that the substances through conducts a continuously rotating arc, which by continuous discharge creates an electric Direct current between two circular or cylindrical electrodes, e.g. B. off Coal, which are arranged to one another so that they are symmetrical Form an annular gap, the inner electrode being the cathode and the outer electrode Electrode forms the anode and causes the rotation by a magnetic field whose lines of force are essentially parallel to the axis of rotation of the arc get lost.

Claims

2. The method according to claim 1, characterized in that the cylindrical The anode is hollow and the cylindrical cathode is fully formed and both of them to one another are arranged coaxially.

3. Arc furnace for performing the method according to claim 1 and 2, characterized by power leads to the electrodes, one outside of the electrode gap so arranged and surrounding the same induction coil that the lines of force run parallel to the axis of rotation of the rotating arc, power supply lines to this coil and a supply line for the gases to the hollow electrode.

4. Furnace according to claim 3, consisting of an insulated furnace chamber, a solid carbon cathode and a hollow cylindrical carbon anode, which under Forming a symmetrical annular gap is arranged coaxially in the cathode, one Power supply to the electrodes, one arranged outside the gap and this surrounding induction coil that the lines of force parallel to the axis of rotation of the Annular gap run, a power supply to this coil and a supply line for the gases to the hollow electrode.

Publications considered: Hofmann, Textbook of Inorganic Chemie, 5th edition, 1924, p. 132.