DE1542586A1

DE1542586A1 - Verfahren und Vorrichtung fuer Reaktionen in einem Plasmabogen

Info

Publication number: DE1542586A1
Application number: DE19661542586
Authority: DE
Inventors: Goldberger William Morgan
Original assignee: Battelle Development Corp
Current assignee: Battelle Development Corp
Priority date: 1965-04-20
Filing date: 1966-04-19
Publication date: 1970-03-26
Also published as: FR1509930A; US3380904A; NO117991B

Description

Verfahren und Vorrichtung für Reaktionen in einem Plasmabogen Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei der Anwendung eines Plasmabogens und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Erhöhung der Reaktionszeit der in einem Plasmabogen ablaufender chemischer Reaktionsprozesse, an denen feste Reaktionsteilnehmer beteiligt sind, sowie eine Vorrichtung zur Durchfiihrung dieses Verfahrens.
Bei der inwendung eines Plasmabogens als Hochtemperat für chemische Reaktionen mit festen Reaktionsteilnehmem tat es schwierig, teilchenförmige feste Reaktionsteilnehmer über für eine wirksame und leistungsfähige chemische Umwandlung ausreichende Zeiträume hinweg in innigen Kontakt mit oder in geringer Nähe bei dem Bogen zu bringen. Die hohe Temperatur des Plasmabogens verhindert. bzw. beschränkt es, daß der Bogen oder die Reaktionszone derart eingeschlossen/ wird, daß die Verweilzeit wesentlich steigerbar ist. In einem in die von dem Bogen erzeugte Hochtemperatursone gerichteten Tr@ @gergas mitgerissenen Reaktionsteilnehmerteilchen passieren diese Zone sehr schnell, wodurch die Vollständigkeit der Reaktion verringert wird.
*) Zur Zeit verfügbare Reaktionsvorrichtungen mit Plasmabogen sind in der Lage, teilchenförmige feste Teilnehmer an chemischen Reaktionen in der Reaktionszone des Bogens für eine Zeitdauer in der GröBenordnung von Millisekunden zu halden. Eine solch kurze Zeit ist häufig ungeeignet, eine vollständige und leistungsfähige Reaktion zu bewirken. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung zu dessen Durchführung ist es hingegen möglich, eine Reaktionszeit von bis zu mehreren Linuten zu bewirken.
Chemische Reaktionen, die bisher wegen der Unmöglichkeit, den Reaktionsteilnehmern mit konventionellen Plasmabogen-Praktiken ausreichende thermische Energie zuzufuhren, für unmöglich oder unzweckmäßig gehalten wurden, können durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung zu dessen Durchführung nach der Erfindung einfach und bequem durchgeführt werden.
Die 3rfindung zeigt generell ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung auf, durch welche zusätzlich zu den Reaktions teilnehmern Schmelzen und Schlacken bildende teilchenförmige Materialien innerhalb der Reäktlonszone des Plasmabogens während bei hoher Temperatur verlaufender Plasmareaktionen abgelagert werden.
Solche Materialien sind so ausgebildet und werden so zugeführt, daB sie innerhalb der Reaktionszone geschmolzen werden und sich *) beispielsweise nach der britischen Patentschrift 741 067 auf umgebenden Teilen oder Trägerkörpern ablagern und auf diesen so erstarren, daß sie eine Scizale von ablagerungen aus Schlacke und Schmelze aufbauen, welche die Reaktionszone umgeben und begrenzen. Diese Schale weist eine sich in Schmelzzustand befindliche innere Oberfläche auf, welche teilohenförmige Reaktionsteilnehmer innerhalb der Hochtemperaturzone des Plasmabogens aufniaut und als Flußmittel wirkt, welches die Reaktion günstig beeinflußt und dazu dient, die durchschnittliche Verweizeit des Reaktionsteilnehmers in der Reaktionszone wesentlich zu erhöhen. Bestimmte Reaktionsteilnehmer, welche nient mit der sich in Schmelzzustand befindlichen inneren Oberfläche der Schale aus Schmelze und Schlacke in Kontakt treten oder von dieser aufgefangen werden, werden durch die Schale aus Schmelze und Schlacke gezwungen, sich im oder nahe dem Bogen zu bewegen, so daß sie der höheren Temperatur des Plasmagenerators ausgesetzt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen und Aufrechterhalten eines innigen Kontaktes zwischen theilchenförmigem *) Reaktions-Material und der Reaktionszone kennzeichnet sich dadurch, daß Trägerkorper, die die eaktionszone in Abstand umgeben, auf einer Temperatur gehalten werden, die niedriger ist als die der Reaktionszone, daS ferner in diese Zone Teilchen eingef2hrt werden, welche die Eigenschaft haben, bei der Temperatur der @eaktionszone zu schmelzen und bei der Temperatur der in Abstand angeordneten Trägerkörper zu erstarren, so daE sich mindestens ein @eil dieser Teilchen auf den Trägerkörpern in geschmolzenem Zustand ablagert und auf diesen erstarrt und auf den Trägerkörpern eine die Reaktionszone einschließende Schale mit geschmolzener in@erer Oberflähe auf~ baut, und daß teilchenförmigeas Reakions-mateial durch den von den Trägerköruern und der Schale gebildeten Hohlraum so hindurchgeführt wird, daß mindestens ein Teil dieses Reaktionsmaterials in de geschmolzenen OberflacLe eingefangen wird und der Rest durch die höhere Temperatur en aufweisende Innenzone hindurchgeht.
Sine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach *) eines Plasmabogens der Erfindung weist einen Plasmagenerator auf, welcher aus in einem Gehäuse in Abstand voneinander angeordneten Elektroden zur'.
Bildung eines elektrischen Bogens zwischen den Elektroden gebildet ist. Zumindest eine Binlaßöffnung öffnet sich als Einlaß fü die Reaktionsteilnehmer, welche gewöhnlich in einem gasförmigen Träger mitgerisen werden, in das Gehäuse, vorzugsweise oberhalb der Hochtemperatur-Reaktionszone. Das Gehäuse ist zusätzlich mit zumindest einer Offnung unterhalb der Reaktionszone versehen durch welche Endprodukte der Reaktion von dem Generator wegge-@ < leitet werden. Die inneren Wandungen des Gehäuses befinden sich in Abstand von der Reaktionszone, so daß teilchenförmige Schlacke und Schmelze bildende Materialien, welche in innigen Kontakt mit der HochtemleratVr-...
Reaktionszone gebracht worden sind, sich auf den inneren Wandungen des Gehäuses ablagern und das erwUnschte schalenförmige Gebilde aus Schlacke und Schmelze bilden. Außerhalb des GehOues ist eine Einrichtung zur Sammlung der Reaktionsprodukte und eine Einrichtung zur Kiihlung, der Gehäusewandungen vorgesehen.
Es hat sich herausgestellt, daß ein besonders leistungsfähiges und demzufolge bevorzugtes Mittel zu mit konventionellen Kühleinriohtungen nicht möglicher KWhlung der Gehäusewandungen und Aufrechterhaltung eines bisher nicht mUglichen Grades der Temperaturreglung bei einem Plasmagenerator darin besteht, den Plasmabogen und das Gehäuse innerhalb eines aus im Schwebezustand bzw. strömungsfähig gehaltenen Teilchen bestehenden Wirbelbettes mi halten. Das Wirbelbett wirkt auch als ideales Kühl- oder Löschmedium für die aus dem Gehäuse abgegebenen Reaktionsprodukte, und diese Produkte können einfach und bequem aus einer Wirbelbett-Kammer entfernt werden.
Die Teilchen des Wirbelbettes haben die Tendenz, in das Gehäuse durch die AuslaBbffnung für die Reaktionsprodukte einzudringen und in die Reaktionszone selbst einzutreten. Dementsprechend können die Teilchen des Wirbelbettes selbst als Medium fü die Bildung der Schale aus Schmelze und Schlacke benutzt werden.
Die Quelle für die schalenbildenden Teilchen kann zweqkmäßigerweise das teilchenförmige Material des Wirbelbettes sein und/oder die achalenbildenden Teilchen können in das Gehäuse durch die Billa~ bffnung mit einem Trägergas entweder allein oder in Kombination mit den Reaktionsteilnehmern eingefhrt werden.
Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform einer Vorrichtung zur DurchfUhrung des Verfahrens nach der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung mit Plasmabogen und Wirbelbett, und Fig.2 im Querschnitt eine Teilansicht der Plasmaeinrichtung nach Fig. 1 in der eine Schlackenschale gebildetist.
In Fig. 1 ist gezeigt, daß ein Lichtbogen zwischen den Elektroden 1 und 2 erzeugt ist, welcher eine allgemein bei 3 gezeigte Reaktionszone hoher Temperatur bewirkt. Innerhalb des Bogena oder der Reaktionszone 3 treten-Temperaturgradienten auf, in denen die höchsten Temperaturen innerhalb des Bogens vorhanden sind und allmählich geringere Temperaturen in den Zonen herraehen, welche sich von dem Bogen nach auBen erstrecken und den Innenraum des Gehäuses 16 einschließen. Zur Schaffung des Lichtbogens kann Gleichstrom oder Wechselstrom benutzt werden.
Die Reaktionszone 3 wird von dem Gehäuse 16 umschlossen, welches aus einer ringförmigen, zu den Elektroden konzentrischen Hülse 13 und einem erweiterten Halterungsteil 17 für die Elektrode q1 besteht.
Das erweiterte Halterungsteil 17 der Elektrode 1 schließt das Oberteil der Hftlse 13 ab. Ein Zufuhrrohr und eine Einlaßöffnung 4 öffnen sich durch das Halterungsteil 17 in das Innere des Gehäuses 16.
Treilchenförmige feste und gasförmige Reaktionsteilnehmer werden in das Gehäuse 16 durch die Einlaßöffnung 4 derart eingeführt, daß sie sich innerhalb der Reaktionszone 3 befinden. Diese Reaktionsteilnehmer nehmen dabei ihren Weg nach unten durchdasoffeneuntere Ende der Hülse 13 (oder des Gehäuses 16), in-dem sie die Reaktionszone. sehr schnell passieren. Vlenn jedoch die Schlacken und Schmelzen bildenden teilchenförmigen Laterialien zusammen mit den Reaktionsteilnehmern durch die Offnung 4 eingeführt werden, gelangt ein Teil dieses Materials in die Reaktionszone 3, wird geschmolzen und lagert sich auf der Innenwandung 12 der Hülse 13 ab, wo es erstarrt und eine Schlackenschale 14 aufbaut, wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist.
Es ist festzustellen, daß die Schlackenschale 14 nicht nur von der inneren Wandung 12 der Hiilse 13 nach innen wächst sondern auch ein AbschluB-Bodenteil rund um die Elektrode 2 und ein Deckelteil rund um die Elektrode 1 bildet. Als Folge der von der Einlaßöffnung 4 nach unten durch die Reaktionszone 3 verlaufenden gasformigen Strömung bleibt das gehäuseartige Schlackenschalengebilde genugend pords in-dem sowohl in seines Ober-als auch in seinem Unterteil Durchtrittsöffnungen 15 freigelassen werden, welche den Durchtritt der Reaktionsteilnehmer von der Einlaßöffnung 4 in die Schale 14 und den Austritt der Reaktionsprodukte ermöglichen.
Von der Sehlackenschale ist bekannt, daß sie während des Betriebs eine geschmolzene Oberfläche aufweist, da, wenn die der Reaktionszone benachbarte Oberfläche der Schale gekühlt ist, sie das Aussehen von erweichtem Glas hat. Durch die Einlaßöffnung 4 eingefuhrte Reaktionsteilnehmer, welche in einen Trägergas mitgerissen@werden, treten in das Schalengehäuse durch die Öffnungen 15 ein, und ein großer Teil der Reaktionsteilnehmer wird in der inneren geschmolzenen Oberfläche des Schalengehäuses eingefangen, wo er festgehalten und dernohen Temperatur des Plasmagenerators für eine verhltnismä lange Zeitdauer ausgesetzt wird. Auf diese Art wird eine vollständige Reaktion dieser Teilchen gewährleistet.
-Die nicht so eingefangenen Teilchen werden durch die Einschlußwirkung des Schalengehäuses 14 in dichte Nähe zu den hohen Temperaturen des Bogens gezwungen. Auf diese Art wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zu dessen Durchführung die durchschnittliche Behandlungszeit und die Vollständigkeit der Reaktion beträchtlich verbesserte Zusätzlich bringt der Kontakt der Teilchen mit der geschmolzenen inneren Oberfläche der.
Schlackenschale eine erwünschte Schmelzwirkung mit sich, welche eine vollständige chemische Reaktion verbessert und fördert.
Das Wachsen der Schale hat keine nachteiligen Wirkungen auf die Stabilitat des Bogens.
In dem AusfUhrungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 sind die Hülse 13 und die Elektroden 1 und 2 einschließlich des erweiterten Teils 17 jeweils aus Graphit gebildet. Obwohl dieses Material hoch hitzebeständig ist, kann es von Wert sein, das Gehäuse 16 und besonders die e Hülse 13 zu kWhlenSum die Einrichtung zu schonen und zu erhalten und eine Temperaturregelung aufrecht-zu-erhalten. Wie bereits festgestellt, muß die innere Oberfläche der Hülse 13 auf einer Temperatur gehalten werden, welche niedriger ist als die Erstarrungstemperatur der die Schale aus Schmelze und Schaleke bildenden Materialien. Es hat sich herausgestellt, daß eine ideale Regelung der Kühltemperatur dieser Vorrichtung durch ein -Wirbelbett aus im Schwebezustand bzw. strömungsfähig gehaltenen Teilchen möglich ist. In Fig. 1 ist gezeigt, daß die Plasmavorrichtung in einer Kammer zur Erzeugung eines solchen Schwebezustandes bzw. Wirbelbettes angeordnet ist. Bin Wirbelbett aus Teilchen 5 wird dadurch aufrechterhalten, daß Gase in den Druckraum 10 (plenium area) am Boden der Kammer 6 durch einen Gaseinlaß 7 einströmen. Das Gas für das Wirbelbett, welches in den Raum 10 eintritt, wird durch eine mit Durchtrittsöffnungen versehene Zufiihr-Verteiler-Platte 11 beim Bintritt in die Kammer 6 gleichmäBig verteilt, um die Teilchen 5 in gleichmäßigem Schwebezustand zu halten. Die Teilchen 5 umgeben das Gehäuse 13 als hochwirksame Kühleinriohtung.
Das Gas des Wirbelbettes tritt zusammen mit den Reaktionsprodukten aus dem Gehäuse 16, welche aus dem offenen Ende der Hülse 13 herauskommen und in dem Wirbelbett gelöscht bzw. abgekühlt werden, aus der Wirbelbettkammer durch eine Auslaßöffnung 19 aus. Die Reaktionsprodukte werden durch bekannte Vorrichtungen aus dem Gas des Wirbelbettes zurückgewonnen.
Die Temperatur des Wirbelbettes wird einfach und bequem durch ein auf Basis strömender Medien arbeitendes Wärmetausohersystem, welches nicht dargestellt ist, oder durch andere bekannte Vorrichtungen für die Temperaturregelung eines Wirbelbettes geregelt. jolie oben bereits festgestellt, können die Teilchen 5 als Material zum Aufbau der Schlacken-Schmelzen-Schale benutzt werden. In diesem Palle müssen die Teilchen 5 aus geeignetem Material sein, welches in den hohen Temperaturen der Reaktionazone 3 schmilzt und sich auf den inneren Wandungen 12 des Hülsenteils 13 ablagert und erstarrt. Wenn das Wirbelbett das Gehäuse 16 umschließt, dringen genügend Teilchen 5 in das Hülsenteil 13 ein und werden in die Nähe der Reaktionszone 3 gelangen, um, wie gezeigt, diese Funktion zu übernehmen.
Bei kontinuierlichem Betrieb häuft sich die Ablagerung auf der inneren Oberfläche 12 der konzentrischen Hülse 13 auf und wächst nach innen in Richtung auf die höheren Temperaturen der Reaktionszone 3 zu. Ein Wachstum der Schale tritt nur bei Temperaturen auf, welche unterhalb des Schmelzpunktes der Schlacken-oder Schmelzenteilchen liegen. Als Folge davon wächst die Schale lediglich bis zu einer Dicke, bei welcher ihre innere Oberfläche eine Temperaturzone erreicht, in welcher das schlackenbildende Material geschmolzen wird. An diesem Punkt tritt ein Schmelzen der Schlacke aufsund geschmolzene Tropfchen der Schlacke rinnen nach unten und aus dem Gehäuse 16 heraus. Solche Tröpfchen können dann wieder erstarren und ein Teil des Wirbelbettes werden. Größere Teilchen sinken in die tieferen Bereichertes Wirbelbettes ab und werden durch einen Feststoffabzug 8 entfernt. Teilchenförmige Feststoffe des Wirbelbettes können auch durch den Überlauf 9 abgezogen werden, um ein konstantes Volumen des lirbelbettes aufrecht-zu-erhalten.
Die Hülse 13 weist vorzugsweise einen solchen Durchmesser auf daB die innere Oberfläche 12 in einem größeren Abstandvondem zwischen den Elektroden 1 und 2 gezogenen Lichtbogen gelegen ist, als der Spalt der Spalt zwischen den Elektroden beträgt, sodaß der Bogen nicht von der Elektrode 2 zur Hülse herKbergezogen werden kann. Eine nicht gezeigte, jedoch bekannte Binrichtung kann zur Einstellung der vertikalen Lage einer der beiden Elektroden 1 oder 2 vorgesehen sein, um die Größe des Bogenspaltes zu regeln. In diesem Palle werden, falls die die Schale aus Schlacke oder Schmelze aufbauenden Teilchen aus einem praktisch nichtleitenden Material bestehen, die Abstände zwischen den inneren Wandungen des Zylinders 13 und den Blektroden weniger kritisch, da, nachdem der Bogen gezündet worden ist, die Schale aus erstarrtem Schmelzen-Material die innere Wandung 12 der HUlse 13 gegenüber dem Lichtbogen elektrisch isoliert, und die arobe des Elektrodenabstandes kann den Abstand zwischen den Elektroden und der inneren Gehäusewandung überschreiten. Der Spalt zwischen den Elektroden kann den Abstand zwischen den Elektroden und der Hülse auch tuberschreiten, wenn die Hülse 13 elektrisch praktisch nichtleitend ist.
Der Abstand zwischen den Elektroden 1 und 2 und der inneren Oberfläche der HUlse 13 sollte nicht zu groB sein, da die Schlacken-' teilchen erstarren konnten, bevor sie sich auf der Oberfläche 12 ablagern können, und, falls eine Schale bereits gebildet ist, eine zu große Zeitspanne zur Erzielung eines Schalenaufbaues erforderlich werden könnte, welcner ausreichttum auf der inneren, sich in Schmelzzustand befindlichen Oberfläche eingefangene Reaktionsteilnehmer ordnungsgemäß einzuschließen und den höheren Temperaturen der Reaktionszone 3 auszusetzen. Dieser Abstand hängt jedoch von der Größe der zur Vervendung kommenden Elektroden und den Charakteristiken des benutzten Bogens ab. Bei großen Produktionseinheiten können die Elektroden einen Durchmesser bis zu etwa 712 mm (30 inches) und einen Spalt aufweisen, welcher von etwa 101, 6 mm (4 inches) bis etwa 304,8 mm (12 inches) variieren kanne Bei solchen Einrichtungen wird es neist nicht erwünscht sein, die inneren Wandungen 12 in einem größeren Abstand von den Elektroden anzuordnen als etwa 457, 2 mm (18 inches). Im allgemeinen wird dieser Abstand zwischen etwa dem Binhalb-bis Dreifachen des Spaltes zwischen den in Vertikalrichtung ausgerichteten Elektroden während des Betriebes des Generators betragen.
Das Material zum Aufbau der Schlacke oder Schale muß erfindungsgemSB ein Material sein, welches schmilzt oder erweicht, wenn es. den Temperaturen der Reaktionszone ausgesetzt wird, welches aber erstarrt, wenn es zur Ablagerung an den die Reaktionszone umgebenden Wandungskörpern kommt. Welche Materialien zu bevorzugen sind, hängt somit von der genauen Reaktion und den bei dieser auftretenden Wandungstemperaturen ab. Plasmabögen können dazu benutzt werden, fast jede Temperatur über etwa 1644° K bis etwa 50. 000 K zu erzeugen. Entsprechend kann eine große Vielfalt Schalen aus Schmelze oder Schlacke bildender Katerialien zur Verwendung kommen. Besonders bevorzugte schlackenbildende Naterialien ftr Einsatz mit Hochtemperatur-PlasmabogensinddiestabilenOxyde, insbesondere Metalloxyde wie beispielsweise SiO2, MgO, Al2O3, Cr2O3 usw., und stabil Karbide, insbesondere Metallkarbide wie beispielsweise Siliziumkarbid, Kalziumkarbid, Vanadiumkarbid, Wolframkarbid, Tantalkarbid und Titankarbid. Auch andere teilchenförmige schwer schmelzbare Laterialien, welche bei solch hohen Temperaturen geschmoilzen werden, können nützlich sein, wie beispielsweise die teilchenförmigen schwerschmelzbaren Metalle selbst als Material für die Bildung der Schale aus Schlacke und Schmelze in manchen Fällen zum Einsatz kommen können, in denen bei die Temperatur der Reaktion/oder über der Schmelztemperatur des Metalles und die Temperatur der die Reaktionszone umgebenden Wandungen unterhalb-dieser Temperatur liegto Ein ideales. Material zur Bildung der Schale aus Schlacke und Schmelze. ist eines, welches bei den Temperaturen der Reaktionszone schmilzt, welches jedoch bei einer Temperatur erstarrt, die nur wenige 5/9° C (wenige Grad Fahrenheit} unter der Temperatur der Reaktionszone liegt. Ein solches Material besitzt vorzugsweise einen niedrigen Dampfdruck, aidaß es nicht verdampft, während es sich in der Reaktionszone befindet.
Die Teilchengröße solcher schalenbildenden Materialien ist nicht kritisch, die Teilchengröße ist jedoch am zweckmäßigsten eine solche, daß die einzelnen Teilchen einfach und bequem durch ein Trägergas oder ein Wirbelbett aus im Schwebezustand bzw. strömungsfähig gehaltenem Material, wie es oben beschrieben worden ist, in die Reaktionszone gebracht werden können « Wirbelbett-Teilchen können in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Trägergases fur das Wirbelbett jede Größe aufweisen. Aus praktischen Erwdgungen heraus sollte das Wirbelbett Teilchen aufweisen, deren Größe zwischen etwa -8 bis +325 mesh nach amerikanischem Maßsystem liegt. Die bevorzugte'Teilchengröße der schalenbildenden Materialien, die in das Gehäuse 16 mittels eines Trägergases durch die Öffnung 4 eingeführt werden, sollte innerhalb des gleichen Teilohengrößenbereichea liegeno In manchen Fällen kann die Reaktion selbst dazu benutzt werden, die Materialien fUr die Bildung der Schale aus Schmelze und Schlacke zu erzeugen. Wenn beispielsweise Trikalzium-Phosphat in elementaren Phosphor umgewandelt wird, kaim das rägergas für das zugeführte Trikalzium-Phosphat und/oder das Trägergas für das Wirbelbett Kohlenmonoxyd sein, wobei sich dann Trikalzium-Silikat neben dem elementaren-Phosphor in geschmolzenem oder dampfförmigem Zustand bildet, und durch Regelung der Temperatur der inneren Gehausewandungen mittels des Wirbelbett-Kühlmediums kann das Trikalzium-Silikat dazu-gebracht werden, sich abzulagern und die erwünschte Schalenformation aus Schlacke und Schmelze zu bilden.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß das I. aterial zur Bildung der Schale aus Schmelze und Schlacke in Kontakt mit der Reaktionszone des Bogens bequem durch eine Methode aus einer Vielzahl von Methoden oder durch eine Kombination solcher Methoden gebracht werden kann. So kann es beispielsweise vmnschenswert sein, die Materialien-zur Bildung der Schale aus Schmelze und Schlacke dadurch in Kontakt mit dem Plasmabogen zu bringen, daß sie in das Gehause 16 durch eine Bintrittsöffnung 4 eingeführt werden, während gleichzeitig der Generator in ein Elirbelbett aus schlacken-oder schalenbildenden Teilchen eingetaucht wird, so daß auch diese Teilchen in die Reaktionszone gelangen und an der Schalenbildung teilnehmen. Zusätzlich können auch aus schlacken-und schalenbildenden Materialien bestehende Reaktionsprodukte in der Reaktionszone erzeugt werden, um dia Schalenbildung zu bewirken oder an einer solchen Schalenbildung zusammen mit einer oder mehreren der vorgenannten Methoden bzw. Mittel teilzunehmen.
' Reaktiönsteilnehmerteilohen und/oder schlacken-und schal. enbildende Teilchen können körperlich in den Generator durch die Öffnung4 eingeführt werden, so daß sie zufolge der Schwerkraft durch den * Generator in die Reaktionezone des Bogens gelangen. Vorzugsweise werden diese Teilchen jedoch in einem Ipragergas mitgerissen. Das zum Transport mitgerissener Reaktionsteilnehmer und/oder Teilchen zur Bildung der Schale aus Schlacke und Schmelze durch die Öffnung 4 in das Gehäuse 16 hinein zum Bineatz kommende Trägergas kann jades sein, welches keine nachteilige Wirkung auf die stattfindenden Reaktionen hat. Ein solches Gas kann ein Inertgas wie beispielsweise Argon sein, kann aber auch ein Gas wie beispielsweise Kohlenmonoxyd sein, welches mit der stattfindenden Reaktion verträglich ist.
Die Gasströmung, welche das Wirbelbett schafft, kann gleichfalls durch jedes Gas hervorgerufen sein, welches die Reaktion nicht nachteilig beeinflusst oder mit den Reaktionsprodukten regiert.
In vielen Faällen kann ein solches Gas Luft sein, ein Inertgas wie beispielsweise Argon oder ein Reaktionsgas, welches vorteil- -haft mit in die stattfindende Reaktion eingeht.
Als Beispiel für die Nützlichkeit und Keuheit des erfindungsgemhßen Verfahrens und der Vorrichtung zu dessen Durchführung wurde alementarer Phosphor von Trikalzium-Phosphat durch eine Vorrichtung nach der Erfindung und unter den dargestellten und beschrie-. benen Bedingungen freigesetzt. In der Vorrichtung wurden zweS Graphit-Elektroden mit einem Durchmesser von 12,7 mm (1/2 inch), die koaxial zur vertikalen Mittellinie der Plasmabogen-Ofen-Apparatur angeordnet waren, dazu benutzt, einen Wechselstrombogen in einen Spalt von etwa 12, 7 mm (1/2 inch) zwischen den Enden der Elektroen zu erzeugen. Der Bogenspalt war innerhalb einer Graphitpulse mit einem inneren Durchnesser von etwa 50, 8 mm (2 inch) angeordnet, die am unteren Ende offen war. Die Feststoffteilchen der Beschickung und das für die Beschickung benutzte Tragergas traten in die Hülse an. oberen Ende durch einen Elektrodenhalter'. aus Graphit ein. Die Gase aus der Bogenzone, welche das Beschikungsgas und die durch die Reaktion'erzeugten Gase (in der Hauptsache Kohlenmonoxyd, CO) enthielten, verließen die Hülse am unteren Ende, wo sie in direkten Kontakt mit den in der Schwebe gehaltenen Feststoffen im Wirbelbett kamen. Feststoffe, die nicht an der Reaktion teilgenommen hatten, und Rückstandsfeststoffe verließen die Bogenzone gleichfalls am unteren Ende der Eülse.
Während der ersten Serien von Reaktionsversuchen wurde die Zuführungsmenge der Feststoffe variiert, während das Energiezuführungsniveau auf etwa 1. 6 bis 2, 0 Kilowatt gehalten wurde. Alleanderen Verfahrensbedingungen waren konstant. Gemessen wurde die folgende Umwandlung von als Trikalzium-Phosphat zugefuhrtem Phosphor zu elementarem Phosphor.
TABELLE 1 Phosphatumwandlungswerte bei 1, 6 bis 2, 0 Kilowatt Eingangsleistung (a) (Keine Schlackenablagerung auf den Elektroden zur Aufrechterhaltung der Einspeisung) Binspeisungsmenge Umwandlung Versuch Gramm/Minute Prozent 1 0, 22 21. 5 2 2. 35 5. 8 3 2. 40 7. 0 (a) Bedingungen Einspeisung minus 100 mesh (amerikanisches Maßsystem) Mischung aus Oa3 3(PO4) 2-50%, SiO2 - 30%, C - 20% Trgergas für Wirbelbett: 566,334 dm3/h (20 cubic feet per hour) Argon Einspeisungsgas : 56, 6334 dm3/h (2 cubic feet per hour) Argon Uirbelbett : minus 65 plus 150 mesh (amerikanisches naßsystem) Kieselsand.
Am Ende dieser Versuche wurde der Plasmabogen-Ofen auseinandergenommen. Es wurde festgestellt, daß eine sehr geringe Schlackenansammlung innerhalb der Hülse aufgetreten war und der größte Teil der Einspeisung sich tatsächlich durch die Bogenregion hindurch in das Wirbelbett bewegt hatte, ohne daß er an der Reaktion teilgenommen hatte.
Eine Erhöhung des Energieniveaus über 2 Kilowatt hinaus war ausreichend, um ein Sohlackenwachstum innerhalb der EIülse zu bewirken, wodurch ein gehäuseartiges Gebilde um die im Lichtbogenbetrieb stehenden Elektroden aufgebaut und der Umwandlungswirkungsgrad von Trikalzium-Phosphat nin elementaren Phosphor wurde verbessere Oies rurde durch die folgenden Ergebnisse klar, welche sich bei einem Energieniveau von etwa 3, 0 bis 3, 5 Kilowatt ergaben, während die anderen Bedingungen die gleichen. wie vorher karen, TABELLE 2 Phosphatumwandlungswerte bei 3,0 bis 3,5 kW Eingangsleistung (a) (Schlackenablagerungsstruktur auf den Elektroden) Einspeisungsmenge Umwandlung Versuch Gramm/Minute Prozent 4 80 41.5 5 1. 76 23. 2 6 4. 27 6. 4 (a) Bedingungen : Ernspeisung : minus 100 mesh (amerikanisches Haßsystem) Mischung Ca3(PO4)2 - 50 %, SiO2 - 30 %, C - 20% Trägergas für. Virbelbett : 566,334 dm3/h (20 cubic feet per hour) Argon Einspeisungsgas : 56,6334 dm3/h (2 cubic feet per hour) Argon Wirbelbett : minus 65 plus 150 mesh (amerikanisches Maßsystem) Kieselsand.
Bei einer Eingangsleistung von 5, 3 Kilowatt mit einer Schlakkenablagerungsstruktur auf den Elektroden betrug die Phosphatumwandlung 38 % bei einer Einspeisungsmenge von 5, 85 g/Iinute, wahrend die anderen Bedingungen im wesentlichen die gleichen waren. Bei einer Eingangsleistung von 8, 0 Kilowatt mit einer Schlackenablagerung betrug die Phosphatumwandlung 47 % bei einer Einspeisungsmenfge von 8,80 Gramm/Minute, während die anderen Bedingungen im wesentlichen die gleichen waren.
Diese Werte verdeutlichen die Erfindung, in-dern sie die Verbesserung der Umwandlung chemischer Reaktionsteilnehmer in Gegenwart einer Schlackenausbildung im Bereich der Bogenbildung des Plasmabogen-Apparates aufzeigen.
Ein Rückblick auf die Ergebnisse der Versuchsdurchführungen zeigt folgendes auf : 1. Vienn keine Schlackenablagerung in Bereich der Bogenbildung auftritt, ist die Ausbeute der Phosphatumwandlung bzw. deren Wirkungsgrad verhältnismäßig niedrig.
2* Der Phosphatumwandlungs-Wirkungsgrad steigt, wenn eine Schlacknablagerung während der Umwandlung vorhanden ist.
3. Der Umwanlungswirkungsgrad fällt, wenn die Einspeisungsmenge kleiner wird.
4. Der Umwandlungsvtirkungsgrad steigt mit einer Brhöhung der den Elektroden sugeführten elektrischen Leistung.
5* enn eine Schlackenablagerung auf den im Lichtbogenbetrieb befindlichen Elektroden vorhanden ist, verbessert eine 3rhohung der Eingangsleistung den Umwandlungswirkungsgrad wesentlich, und zwar sogsr bei einer verhältnismäßig hohen Einspeisungsmenge, beispielsweise schaffen 3, 0 bis 3,5 kW bei 4, 27 g/min eine Umwandlung von 6,4 %, während es 5, 3 kW bei 5,85 g/min Einspeisung eine Umwandlung von 38 % schaffen und 8, 0 kllf bei 8, 80 g/min Einspesung eine Unwandlung von 47 % schaffen.
Es ist daher festzustellen, daß die Gegenwart einer im Plasmagenerator im Bereich der Bogenbildung abgelagerten Schale aus Schlacke und Schmelze wesentlich daran teilhat, die Umwandlungst' ausbeute bzw. den wirkungsgrad der Umwandlung eines Phosphates A in Phosphor zu erhöhen, und entsprechend eine Erhöhung der Produktionsmenge an Phosphor gestattet. vie oben festgestellt, ist die Hülse 13 aus Graphit gebildet.
Sie kann jedoch aus anderen geeigneten Substanzen gebildet sein welche besonders an die Temperatur und die Bedingungen der einzelnen'Reaktionsteilnehmer, die die Umwandlung durchmachen, anpassbar sind.
Das Schlackenwachstum hat ein schalenartiges Gehäuse rund um den Bogenbereich zur Folge. Die Stabilität des Bogens wird jedoch durch das Schlackenwachstum nicht schädlich beeinflusst. Die schalenartige Schlackenablagerung wird, sobald sie begonnen hat, sich zu entwickeln, ein zum Ilasmabogen-Apparat gehöriger Teil, welcher @n dessen Betrieb teilhat und bestimmte Funktionen übernimmt. Die Scklackensckale erhöht, sobald sie sich entwickelt hat, die Umwandlungsausbeute bzw. den Wirkungsgrad der Umwandlune der Reaktionsteilnehmer während des Betriebs des Plasmabogen-Oiens beträchtlich.

Claims

P a t e n t a n s p r u c h e : 1. Verfahren zum Herstellen und Aufrechterhalten eines innigen Kontaktes zwischen teilchenförmigem Reaktionsmaterial und der Reaktionszone eines Plasmabogens, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß Trägerkörper, die die Reaktionszone in Abstand umgeben, auf einer Temperatur gehalten werden, die niedriger ist als die der Reaktionszones daß ferner in diese Zone Teilchen eingefiihrt werden, welche die Bigenschaft haben, bei der Temperatur der Reaktionszone zu schmelzen und bei der Temperatur der in Abstand angeordneten Trägerkörper zu erstarren, so daß sich mindestens ein Teil dieser Teilchen auf den Trägerkörpern in geschmolzenem Zustand ablagert und auf diesen erstarrt und auf den Trägerkörpern eine die Reaktionszone einkre schließende Schale mitschmolzener innerer Oberfläche aufbaut, und daß teilchenförmiges Reaktionsmaterial durch den von den Trägerkörpern und der Schale gebildeten Hohlraum so hindurohgeführt wird, daß mindestens ein Teil dieses Reaktionsmaterials in der geschmolzenen Oberfläche eingefangen wird und der Rest durch die höhere Temperaturen aufweisende Innenzone hindurchgeht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i ch n e t, daß die Ablagerungsteilchen in einem Trägergasstrom in die Nähe der Reaktionszone geleitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Bogen und die Trägerkörper in ein Wirbelbett aus im Schwebezustand bzw. strömungsfähig gehaltenen Teilchen eingetaucht werden, welche vorzugsweise geeignet sind, in die Reaktionszone eindringen zu können.
4. Verfahren nach einen der vorhergehenden AnsprUche , d a d u r a h g e k e n n z e i a h n e t u daß die Ablagerungsteilchenund die teilchenformigen Reaktionsmaterialien in die Nähe der Reaktionszone durch den gleichen Trägergasstrom geleitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Bogen und die Trägerkörper in ein Wirbelbett eingetaucht werden, welches so ausgebildet und angeordnet ist, daß es die Trägerkörper kühlen kann, und daß die Ablagerungsteilchen in die Nähe der Reaktionszone durch das Trägergas des Wirbelbettes und/oder einen selbständigen Trägergasstrom geleitet werden.
6. Verfahren zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines innigen Kontaktes zwischen chemischen Reaktionsteilnehmern und der Reakti'onszone eines Plasmabogens, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die in Abstand von der Reaktionszone angeordneten inneren Wandungen eines die Reaktionszone umgebenden Gehäuses, das mindestens eine EinlaBöffnung oberhalb der Reaktionszone und mindestens eine Auslaßöffnung unterhalb der Reaktionszone aufweist, auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden als die Reaktionszone, daß ein Strom vorbestimmter Teilchen so in die Nähe der Reaktionszone innerhalb des Gehäuses geleitet wird, daß zumindest ein Teil dieser Teilchen in die Reaktionszone eintritt, wobei die Teilchen in der Lage sind, bei der Temperatur der inneren Wandungen des Gehäuses zu schmelzen so daB zumindest ein Teil dieser Teilchen sich auf den inneren Wandungen in geschmolzenem Zustand ablagert und erstarrt und innerhalb des Gehäuses eine die Reaktionszone einschließende Schale mit sich in Schmelzzustand befindlichen inneren Wandungen bildet, und daß die Reaktionsteilnehmer durch die Einlaßöffnung so durch das Gehäuse hindurchgeführt werden, daß sie in der Reaktionszone verweilend gehalten werden und die Reaktionsprodukte aus dem Gehäuse durch die Auslaßöffnung austreten.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t w daß die Ablagerungsteilchen in die Nähe der Reaktionszone in einem Trägergasstrom durch die Einlaßöffnung eingebracht werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das Gehäuse in ein Wirbelbett eingetaucht wird, welches so ausgebildet und angeordnet ist, daß. es das Gehäuse kUhlt und als Löschmedium fü die Reaktionsprodukte dient.
9. Verfahren nach Ansprueh 8, d a d u r c h g ek e n n z e i a h n e t daß das Wirbelbett aus Teilchen der schwer schmelzbaren Ablagerungsmaterialien besteht und daß diese im Schwebezustand bzw. strömungsfähig gehaltenen Teilchen Zugang zur Austrittsöffnung haben, um in die Reaktionszone zu gelangen und die Schale zu bilden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9 d adurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse in einem Wirbelbett angeordnet ist, welches seinerseits so angeordnet ist, daB es das Gehäuse kühlt und als Löschmedium für die Reaktionsprodukte dient, und daß die Ablagerungsteilchen zusammen mit den Teilchen des Wirbelbettes und/oder durch in einem Trägergasstrom der durch die Einlaßöffnung eintritt, mitgerissenen Teilchen in die Nahe der Reaktionszonegebraoht werden
11. Verfahren zur Abspaltung elementaren Phosphors von 'einem Phosphat, d a d u r c h g e k e n nz e i o h n e t, daß ein Plasmabogen mit einer Reaktionszonentemperatur gebildet wird, in welcher das Phosphat elementaren Phosphor freisetzt, daß ein den Bogen umschließendes Gehäuse, dessen innere Wandungen in Abstand von der den Bogen umgebenden Reaktionszone angeordnet sind, wobei das Gehäuse zumindest eine Einlaßöffnung oberhalb der Reaktionszone und zumindest eine AuslaBöffnung unterhalb der Reaktionszone aufweist, dadurch gekUhlt und in seiner Temperatur geregelt wird und als Löschmedium ftir den elementaren Phosphor dient, daß es in ein Wirbelbett eingetaucht wird, daß ein Strom von Siliziumteilchen in die Nähe der Reaktionszone innerhalb des Gehäuses derart geleitet wird daB zumindest ein Teil dieser Teilchen in die Reaktionszone eindringt, schmilzt, sich auf den inneren Wandungen des Gehäuses ablagert und dort, innerhalb des Gehäuses eine die Reaktionszone einschließende Schale mit einer in geschmolzenem Zustand befindlichen Oberfläche bildend, erstarrt, daß ferner das Phosphat in Teilchenform in einem Trägergas so durch die Einlaßöffnung hindurchgeführt wird, daß es in der Reaktionszone eingeschlossen wird, wobei der elementare Phosphor aus dem Gehäuse durch die Auslaßöffnung austritt, und daB schließlich der elementare Phosphor aus dem Wirbelbett zurückgewonnen wird,
12. Vorrichtung zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines innigen Kontaktes zwischen Reaktionsmaterialien und der Reaktionszone eines Plasmabogens, -.jCekenn z e i c h n e t d u r c h praktisch vertikal angeordnete Elektroden (1 2) aber deren Spalt ein vertikaler Bogen ( erzeugbar ist, und, durch ein um den Elektrodenspalt herum angeordnetes Gehäuse (16), welches mindestens eine EinlaBöffnung (4) oberhalb des Elektrodenspaltes und mindestens eine Auslaßöffnung unterhalb des Elektrodenspaltes aufweist, so daß schwer schmelzbare Teilchen der Reaktionszone des Bogens (3) mittels eines in das Gehäuse durch die Einlaßöffnung (4) eingeführten Trägergases zuführbar sind, um dort zu schmelzen und auf den inneren Wandungen (12) zu erstarren und aus den schwer schmelzbaren Teilchen eine die Reaktionszone begrenzende Schale (14) zu bilden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, g e k e n nz e i c h n e t d u r c h eine Einstelleinrichtung fUr den Elektriodenspalt.
14. Verfahren zur Durchführung von bei hohen Temperaturen ablaufenden shemischen Reaktionen, bei denen eines der Produkte der Reaktion ein festes Material ist, welches bei der hohen Temperatur schmelzbar ist, wobei die Reaktionsteilnehmer in eines die Reaktionszone Plasmabogens eingeführt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i o h n et, da2 die in Abstand von der Reaktionszone angeordneten inneren Wandungen eines die Reaktionszone umgebenden Gehäuses, welches mindestens eine Einlaßöffnung oberhalb der Reaktionszone als Einlaß fUr die Reaktidhsteilnehmer und mindestens eine Auslaßöffnung unterhalb der Reaktionszone als Auslaß für zumindest ein zweites Reaktionsprodukt aufweist, auf einer niedrigeren Temperatur als die Reaktionszone gehalten werden, so daß das feste Material sich auf dieser Wandung ablagert und erstarrt und innerhalb des Gehäuses eine die Reaktionszone einschließende Schale mit sich in geschmolzenem Zustand befindlichen inneren Wandungen bildet.
15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t daß in die Reaktionszone gemeinsam mit den Reaktionsteilnehmern zusätzliche schalenbildende bIaterialien eingefUhrt werden, welche die Eigenschaft haben, in der Reaktionazone zu schmelzen und bei den Temperaturen der Innenwandung zu erstarren.
16. Plasmabogenvorriohtung mit in Abstand voneinander angeordneten Elektroden, g e k e n n z e i c hn e t d u r a h ein um den Elektrodenspalt herum angeordnetes inneres Gehäuse (16), welches mindestens eine Einlaßöffnung (4) und mindestens eine Auslaßöffnung für die Reaktionsteilnehmer bzw. die Reaktionsprodukte aufweist, ferner durch ein das innere Gehäuse (16) umgebendes äußeres Gehäuse (6) und schließlich durch eine Einrichtung (7t lot 11, 9, 19) zur Schaffung eines Wirbelbetta aus im Schwebezustand bzw* strdmungsfahig gehalten@n Teilchen zwischen beiden Gehäusen (16 bzw. 6) t durch welches das innere Gehäuse (16) ktihlbar ist.

Leersette