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Reaktionsofen für endotherme Gasreaktionen Die Erfindung bezieht sich
auf einen Reaktionsofen aus hochtemperaturbeständigem Material für endotherme Reaktionen
bei hohen Temperaturen und kurzen Venveilzeiten.
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Bei der Durchführung endothermer Gasreaktioofen, beispielsweise die
Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 4 C-Atomen zu Acetylen, die Umsetzung
von Methan und Ammoniak zu Blausäure oder die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen
mit 2 bis 6 C-Atomen zu alkylen und Propylen, besteht die Aufgabe, die Reaktionspartner
mit hoher Geschwindigkeit auf die erforderliche hohe Reaktionstemperatur zu bringen,
dabei die zum Ablauf der Reaktion benötigte Wärme zuzuführen, das Reaktionsgemisch
eine kurze, zum Ablauf der gewünschten Reaktion erforderliche Zeit im Bereich der
hohen Temperaturen zu halten und dann möglichst schnell auf eine Temperatur abzukühlen,
bei der das gebildete Reaktionsprodukt beständig ist.
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Aus thermodynamischen und kinetischen Gründen lassen sich bei derartigen
Reaktionen technisch befriedigende Ausbauten häufig nur bei Reaktionstemperaturen
oberhalb von 1300 bis 15000 C erzielen, wobei gleichzeitig relativ kurze Verweilzeiten
eingehalten und vergleichsweise große Wärmemengen zugeführt werden müssen. Dabei
ist es notwendig, die Zufuhr der Wärmemengen so auszugestalten, daß innerhalb der
Reaktionszone ein möglichst genau bestimmter, z, B. isothermer Temperaturverlauf
im Reaktionsgemisch erzielt wird. In vielen Fällen bedeutet nämlich eine Abweichung
nach oben oder nach unten von dem für eine bestimmte Reaktion gegebenen Temperaturoptimum,
daß die Ausbeute an dem gewünschten Reaktionsprodukt durch unerwünschte Nebenreaktionen
verringert wird und daß überdies zusätzliche Schwierigkeiten bei der Abtrennung
derart entstandener Nebenprodukte von dem Hauptprodukt auftreten.
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Es ist bereits ein Reaktionsofen für endotherme Gasreaktionen bekannt,
bei dem ein kanalförmiger Reaktionsraum vorgesehen ist, der zur Erzielung einer
definierten Wärmezufuhr über seine Länge in einzelne, unterschiedlich beheizte Abschnitte
unterteilt ist. Dabei besitzt jedoch das Innere des Reaktionsraumes einen konstanten
Querschnitt, so daß der Reaktionsraum über seine Länge mit gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit
von dem reaktionsfähigen Gasgemisch durchströmt wird. Dies bedeutet, daß entsprechend
der unterschiedlichen Wärmezufuhr stark unterschiedliche Wandtemperaturen im Reaktionskanal
vorhanden sind. Dadurch wiederum wird die Bruch- und Reißgefahr der ohne
hin aus
Materialgründen äußerst empfindlichen Wandungen des Reaktionskanals ganz beträchtlich
erhöht. Hinzu kommt dabei noch, daß die Beheizung der einzelnen Abschnitte des Reaktionskanals
unabhängig voneinander einstellbar ist und daß für die Erzielung eines gewünschten
Temperaturverlaufs im Reaktionsgas im wesentlichen nur die Regelung der Heizleistung
in den einzelnen Abschnitten zur Verfügung steht. Dies hat als weiteren Nachteil
eine entsprechende Anderung des Relativverhältnisses der Oberflächentemperaturen
in Längsrichtung des Reaktionskanals und damit eine zusätzliche Erhöhung der Temperaturbeanspruchungen
der Kanalwandungen zur Folge.
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Mit der Erfindung soll nunmehr ein Reaktionsofen für endotherme Gasreaktionen
bei hohen Temperaturen und kurzen Verweilzeiten angegeben werden, mit dem längs
des Reaktionskanals ein definierter, z. B. ein isothermer Temperaturverlauf im Reaktionsgemisch
eingehalten werden kann, ohne daß dabei die Nachteile des bekannten Reaktionsofens
auftreten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Reaktionsofen
mit einem kanalförmigen Reaktionsraum von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt,
durch den sich rohr- oder stabförmige elektrische Heizelemente hindurch erstrecken,
wobei längs des Reaktionsraumes einzelne Abschnitte vorgesehen sind, in denen die
in der Zeiteinheit von einer Flächeneinheit der Heizelemente an eine Volumeinheit
des strömenden Gases abgegebene Wärmemenge unterschiedlich eingestellt ist.
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Der erfindungsgemäße Ofen ist dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente
abschnittweise in Reihe geschaltet sind und in den einzelnen Abschnitten einen unterschiedlichen
Querschnitt und/oder einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand besitzen.
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Die Erfindung nutzt konsequent die Erkenntnis aus, daß es bei einem
Reaktionsofen für endotherme Gasreaktionen - stationäre Betriebsbedingungen vorausgesetzt
- nicht genügt, für die Temperaturführung des Reaktionsgases nur Maßnahmen auf der
Wärmezufuhrseite des Reaktionsofens zu treffen.
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Demgemäß sieht die Erfindung auch Maßnahmen auf der Wärmeabfuhrseite
vor. Da nämlich der Querschnitt der sich durch den Reaktionsraum hindurch erstreckenden
Heizelemente einerseits den freien Strömungsquerschnitt für die Reaktionsgase im
Reaktionskanal und andererseits in Verbindung mit dem jeweiligen elektrischen Widerstand
die Oberflächentemperatur der Heizelemente bestimmt, kann durch Anpassung des Querschnitts
und des elektrischen Widerstandes der Heizelemente dafür gesorgt werden, daß sich
überall dort, wo eine besonders hohe Wärmezufuhr erfolgt, auch eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit
des Reaktionsgases und damit eine erhöhte Wärmeabfuhr einstellt. Damit ist vermieden,
daß sich abschnittsweise starke unterschiedliche Oberflächentemperaturen ergeben.
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Die Maßnahme, die Heizelemente abschnittsweise in Reihe zu schalten,
dient (abgesehen von dem apparatetechnischen. Vorteil, daß die Heizelemente mit
höheren Spannungen betrieben werden können) einer weiteren Vergleichmäßigung der
Oberflächentemperaturen, denn es sorgt dafür, daß bei einer Änderung der an die
Heizelemente angelegten Heizspannungen alle Heizelemente in ihrer Temperatur praktisch
gleichmäßig ansprechen, also im Ergebnis die Heizbedingungen der einzelnen Abschnitte
des Reaktionskanals miteinander »zwangsgekoppelt« sind. Dadurch werden Änderungen
des Relatiwerhältnisses der Oberflächentemperaturen vermieden.
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Ein unterschiedlicher elektrischer Widerstand der Heizelemente kann
unabhängig von deren Außenquerschnitten durch Unterschiede in dem elektrischen Leitungsquerschnitt
der Heizelemente eingestellt werden, indem die. Heizelemente z. B. als Massivstäbe
oder als Rohre mit variierender Wandstärke ausgebildet werden. Es ist aber auch
möglich, daß die Heizelemente in den einzelnen Abschnitten unterschiedliche spezifische
elektrische Leitfähigkeiten besitzen.
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Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform des Reaktionsofens ergibt
sich dadurch, daß die beiden einander gegenüberliegenden Wandungen des Reaktionskanals,
von denen die Heizelemente ausgehen, aus Platten aus hochtemperaturbeständigem,
elektrisch leitendem Material bestehen, zwischen denen sich, jeweils zur gegenüberliegenden
Wandung in Längsrichtung des Reaktionsraumes versetzt, Isolatoren befinden.
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Die Maßnahme der Temperaturstabilisierung im Reaktionsraum läßt sich
noch dadurch unterstützen, daß für die Heizelemente ein Material gewählt wird, dessen
spezifischer Widerstand bei der zur Erreichung der Reaktionstemperatur (im Gasraum)
erforderlichen Wandtemperatur einen Minimalwert besitzt. Weiterhin läßt sich die
Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases auch noch dadurch regeln, daß gegebenenfalls
der Reaktionsraum zwischen den Heizelementen ganz oder abschnittsweise mit Füllkörpern
gefüllt ist.
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Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend in Ausführungsbeispielen
an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei stellt dar
F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Reaktionsofens im Längsschnitt, Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung
des Temperaturverlaufs in dem Reaktionsofen gemäß F i g. 1, Fig. 3 schematisch einen
zur Schnittrichtung der Fig. 1 senkrechten Längsschnitt des Reaktionsofens und Fig.
4 schematisch einen Querschnitt des Reaktionsofens.
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Der nachfolgend in Einzelheiten beschriebene Reaktionsofen enthält
einen kanalförmigen Reaktionsraum 1 von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt
(s. F i g. 1, 3 und 4). Dieser Reaktionsraum wird an zwei einander gegenüberliegenden
Seiten durch Platten 2 und 3 begrenzt, die aus einem hochtemperaturbeständigen,
elektrisch leitenden Material bestehen und zwischen denen sich Heizelemente 4 erstrecken.
Die beiden weiteren, einander gegenüberliegenden Wandungen des kanalförmigen Reaktionsraumes
1 sind durch Platten 5 und 6 aus hochtemperaturbeständigem Isolatormaterial gebildet
bzw. sind elektrisch gegen die ersterwähnten Platten 2 und 3 isoliert (vgl. F i
g. 4). Als Werkstoff für das elektrisch leitende System (Platten 2 und 3) wird vorzugsweise
Graphit verwendet, während für die Platten 5 und 6, falls sie nicht ebenfalls aus
Graphit bestehen und elektrisch gegen die Platten 2 und 3 isoliert sind, keramisches
Material mit entsprechender Temperaturbeständigkeit, z. B. Korund, in Frage kommt.
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Wie am besten aus F i g. 3 ersichtlich ist, sind die Platten 2 und
3, von denen die Heizelemente 4 ausgehen, im Gegensatz zu den -Platten 5 und 6 nicht
über die Länge des Reaktionskanals 1 hinweg durchgehend ausgebildet, sondern abschnittsweise
durch isolierende Zwischenschichten 7, 7' und 8 (vorzugsweise aus keramischem Material)
unterteilt. Die in der Innenwand befindlichen isolierenden Zwischenschichten sind
dabei gegenüber den in der gegenüberliegenden Wand befindlichen Zwischenschichten
versetzt, so daß jeweils eine solche Zwischenschicht etwa der Mitte einer Einzelplatte
der gegenüberliegenden Wand gegenüberliegt. Beispielsweise läßt Fig. 3 erkennen,
daß die zwischen den Einzelplatten 3 und 3' angeordnete isolierende Zwischenschicht
7 sich etwa in Höhe der Mitte der gegenüberliegenden Einzelplatte 2 befindet, während
umgekehrt die zwischen den Einzelplatten 2 und 2' angeordnete Zwischenschicht 3
etwa der Mitte der Platte 3' gegenüberliegt. Entsprechendes gilt für die Lage der
zwischen den Platten 3' und 3" befindlichen Zwischenschicht 7 in bezug auf die gegenüberliegende
Platte 2'. Durch diese Ausbildung ergibt sich eine zickzackförmige, durch den PfeilzugS
gekennzeichnete Stromführung, bei der im Ergebnis einzelne parallele Gruppen von
Heizelementen 4 in Reihe geschaltet sind.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Reaktionsofens sei angenommen,
daß das Reaktionsgas in der durch den Pfeil 9 angegebenen Richtung durch den Reaktionskanal
1 strömt. Es sei fernerhin zunächst angenommen, daß der Reaktionskanal 1 gleichmäßig
(etwa in der aus F i g. 3 ersichtlichen Weise) mit identischen Heizelementen 4 besetzt
ist.
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Der Temperaturverlauf über die Länge eines derartigen Reaktors für
den Fall einer stark endothermen Gasreaktion, die nach der ersten Ordnung abläuft,
läßt sich aus Fig. 2 erkennen (bei der die Abszisse auf die Maße der Fig. 1 abgestellt
ist).
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Das Reaktionsgas wird in dem Anfangsbereich A-B des Reaktors entsprechend
der Kurve 10 bis auf die Reaktionstemperatur TR aufgeheizt. Sobald im QuerschnittB
die Reaktionstemperatur erreicht ist, setzt ein sehr großer Wärmeverbrauch ein,
da zu diesem Zeitpunkt ein Abreagieren des Hauptteiles der Reaktionspartner erfolgt.
Späterhin wird dann nur noch eine vergleichsweise kleine Wärmemenge benötigt. Bei
der angenommenen gleichmäßigen Besetzung des gesamten Reaktionsraumes mit identischen
Heizelementen ergibt sich, vom Querschnitt B ausgehend, demzufolge ein Temperaturverlauf
entlang der gestrichelten Kurve 11, der in der eingangs beschriebenen Weise zu unerwünschten
Nebenreaktionen führen kann.
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Erwünscht ist hingegen innerhalb der eigentlichen Reaktionszone,
d. h. vom Querschnitt B über den Querschnitt C zum Querschnitt D hin, ein möglichst
isothermer Temperaturverlauf, wie er durch die Kurve 12 dargestellt ist. Da sich
ein solcher isothermer Temperaturverlauf, wie dargelegt, durch eine gleichmäßige
Wärmezufuhr längs des Reaktionskanals nicht erreichen läßt, ist erfindungsgemäß
vorgesehen, den Reaktionskanal in einzelne Längenabschnitte zu unterteilen, in denen
die in der Zeiteinheit von einer Flächeneinheit der Heizelemente an eine Volumeinheit
des strömenden Reaktionsgases abgegebenen Wärmemenge unterschiedlich eingestellt
ist.
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In der Ausführungsform nach Fig. 1 wird dieses Ziel dadurch erreicht,
daß die in den Abschnitten B-C angeordneten Heizelemente 4' und die in dem Abschnitt
C-D angeordneten Heizelemente 4 ausgestaltet sind. Die Heizelemente 4 sind Vollstäbe,
während die Heizelemente 4' und 4" Rohre von unterschiedlichem Durchmesser und unterschiedlichem
Stromleitungsquerschnitt sind. Die Grenzen der -einzelnen Abschnitte koinzidieren
dabei mit der Lage der zwischen den leitenden Platten 2 und 3 angeordneten isolierenden
Zwischenschichten 7, 7' bzw. 8 (wobei in der Darstellung der Fig. 1 die Schicht
8 vor der Zeichenebene liegend gedacht ist).
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Die Rohre 4' besitzen gegenüber den Stäben 4 eine größere wärmeübertragende
Oberfläche und zugleich einen verringerten Stromleitungsquerschnitt. Dadurch, gegebenenfalls
im Zusammenwirken mit einer versetzten Anordnung der Rohre in der aus Fig. 1 ersichtlichen
Weise, wird zunächst erreicht, daß eine Verringerung des Strömungsquerschnitts des
Reaktionskanals 1 und damit eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases
eintritt.
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Zugleich werden aber auch wegen der damit erhöhten Wärmeübergangszahlen,
in Verbindung mit der vergrößerten Oberfläche, die durch die Verringerung des Stromleitungsquerschnitts
erhöhten Wärmemengen an das Gas weitergegeben, so daß im Ergebnis der Temperaturverlauf
in dem Abschnitt B-C nicht mehr der Kurve 11 folgt, sondern der Kurve 12.
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Im Abschnitt C-D wird in gleicher Weise durch Veränderung der Stromleitungsquerschnitte,
der Oberflächengröße und des Abstandes der Heizelemente 4" die Wärmezufuhr den Erfordernissen
des Reaktionsablaufs angepaßt.
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An Stelle oder zusätzlich zu einer Veränderung des Widerstandes der
einzelnen Heizelemente, durch unterschiedliche Stromleitungsquerschnitte zu erzielen,
kann diese Veränderung auch durch Verwendung von Heizelementen aus Werkstoffen mit
unterschiedlicher
Widerstandscharakteristik erreicht werden. Beispielsweise kann man sich vorstellen,
daß die in F i g. 3 gezeigten Heizelemente, die in der Platte 2 münden, eine erste
Widerstandscharakteristik besitzen, während die sich zwischen den Platten 3' und
2' erstreckenden Heizelemente eine zweite und die sich zwischen den Platten 3" und
2' erstreckenden Heizelemente eine dritte Widerstandscharakteristik besitzen. Wie
erwähnt, kann diese Maßnahme aber auch auf die in Fig. 1 gezeigten Heizelemente
angewendet werden.
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Die Temperaturstabilisierung im Reaktionskanal läßt sich weiterhin
begünstigen durch Verwendung von Materialien für die Heizelemente, die bei der zur
Erreichung der Reaktionstemperatur erforderlichen Wandtemperatur einen minimalen
spezifischen Widerstand besitzen. Bei den in Frage kommenden hohen Temperaturen
läßt sich normalerweise nur Graphit oder ein überwiegend aus Graphit bestehendes
Material für die Heizelemente verwenden, während z. B. alle bekannten metallischen
Widerstandsmaterialien ungeeignet sind. Graphit besitzt nun aber eine mit steigender
Temperatur fallende Temperaturcharakteristik, die, wenn es auf eine genaue Temperaturregelung
im Reaktionskanal ankommt, außerordentlich störend ist, weil dann die Heizleistung
mit wechselnder Temperatur weiter ansteigt.
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Um diesem Mangel abzuhelfen, können dem Graphit Zuschlagstoffe beigegeben
werden, die ein dem Graphit ähnliches oder nur wenig von ihm abweichendes elektrisches
Leitvermögen besitzen, durch die jedoch von einer bestimmten Temperatur an die Widerstandscharakteristik
des Heizelementmaterials wieder positiv wird, so daß sich ein minimaler Widerstand
bei einer bestimmten Temperatur einstellt.
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Solche Zuschlagstoffe sind beispielsweise Silizium oder siliziumhaltige
Stoffe. Auch Aluminiumoxyd ist als Zuschlagstoff zum Graphit geeignet, da es bei
hohen Temperaturen leitend wird und damit-eine Beeinflussung des spezifischen Widerstandes
des Materials in dem gewünschten Sinn gestattet. Die Höhe der Temperatur, bei der
ein minimaler spezifischer Widerstand auftritt, läßt sich durch Auswahl der Art
und der Menge der verwendeten Zuschlagstoffe leicht dem jeweiligen Bedarf anpassen.
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Durch diese Maßnahme wird im Zusammenhang mit der Tatsache, daß die
Heizelemente mit parallelen Gruppen in Reihe hintereinandergeschaltet sind, erreicht,
daß sich bei der Temperatur des minimalen spezifischen Widerstandes eine maximale
elektrische Leistung ergibt und daß sich bei einem Temperaturanstieg infolge der
damit einhergehenden Erhöhung des spezifischen Widerstandes eine entsprechend geringere
Leistung einstellt. Mithin wirkt diese Maßnahme einem »Durchgehen« des Reaktionsofens
entgegen und begünstigt eine isotherme Temperaturführung im Reaktionskanal. Zugleich
ergibt sich noch der Vorteil, daß bei schwankender Netzspannung der Stromversorgung
zur Erzielung einer genauen Temperaturkonstanz nur eine relativ kleine Regeleinrichtung
erforderlich ist.
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Es wurde bereits erwähnt, daß sich bei Verwendung der Heizelemente
4' und 4" der Strömungsquerschnitt im Reaktionskanal 1 und damit die Strömungsgeschwindigkeit
des Reaktionsgases ändert.
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Eine entsprechende Anderung der Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases
und damit eine Anderung der in der Zeiteinheit von einer Flächeneinheit
der
Heizelemente an eine Volumeinheit des Reaktionsgases abgegebene Wärmemenge läßt
sich auch erzielen durch Packung des Zwischenraumes zwischen den Heizelementen mit
Füllkörpern. Diese Maßnahme kann dabei alternativ oder zusätzlich zu den vorangehend
erläuterten Maßnahmen getroffen werden. Im übrigen können die Füllkörper sich nur
innerhalb einzelner Längenabschnitte des Reaktionskanals befinden oder aber im gesamten
Reaktionskanal 1 angeordnet sein, und sie können durch entsprechende Materialauswahl
chemisch inert oder katalytisch wirksam gemacht sein.
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Die Erfindung wurde vorangehend am Beispiel der Temperaturführung
für eine endotherme Gasreaktion erster Ordnung erläutert, bei der es notwendig ist,
von einem bestimmten Querschnitt des Reaktionskanals an die auf das Reaktionsgas
übertragenen Wärmemengen zu erhöhen.
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Natürlich ist die Erfindung durch entsprechende Ausgestaltung der
Wärmeabgabe der Heizelemente längs der einzelnen Abschnitte des Reaktionskanals
aber auch anwendbar bei endothermen Reaktionen anderer Ordnung oder auch bei exothermen
Reaktionen. Im übrigen ist die Erfindung auch nicht beschränkt auf die Erzielung
einer isothermen Temperaturführung. Sie ist vielmehr grundsätzlich überall dort
anwendbar, wo es darauf ankommt, über die Länge des Reaktionskanals ein bestimmtes
genau definiertes Temperaturprofil im Reaktionsgas einzustellen.