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Publication number: DE179882C
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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 179882 KLASSE 12 A GRUPPE

KRISTIAN BIRKELAND in CHRISTIANIA.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 5. April 1903 ab.

Die chemischen Wirkungen elektrischer Entladungen auf Gase sind schon längst beobachtet worden. Es ist bekannt, daß dunkle Entladungen. den Sauerstoff in Ozon überführen und daß Funkenentladungen in Luft eine Oxydation des Stickstoffes bewirken. Nur die erstere dieser Erscheinungen hat indessen bisher industrielle Verwertung gefunden; die Anv/endung elektrischer Energie in der Form

ίο von Funkenentladungen" zur Hervorrufung chemischer Reaktion in Gasen (z. B. Herstellung von Stickstoffverbindungen aus der Luft) ist bisher in ökonomischer Weise nicht gelungen. Versuche, die elektrischen Lichtbogen zu diesem Zwecke zu verwenden, haben bisher auch nicht zu brauchbaren'Erfolgen geführt.

Neuere Untersuchungen haben ergeben, daß die chemischen Wirkungen der elektrischen Entladungen auf Gase in vielen Fällen hauptsächlich eine Wirkung der Wärme sind; man hat nachgewiesen, daß eine Reihe von wertvollen Produkten, unter denen die Salpetersäure in erster Linie zu nennen ist, dadurch gewonnen werden kann, daß man Gase auf Temperaturen . von 2000⁰ bis 3000⁰ erhitzt. Diese Tatsache gibt eine Erklärung für das schlechte Ergebnis, welches durch Funkenentladungen erreicht wird, denn solche Entladungen sind als eigentliche Wärmequelle selbstverständlich nicht geeignet.

Andererseits ist der als Wärmequelle sehr geeignete elektrische Lichtbogen für Gasreaktionen der hier erwähnten Art auch nicht ohne weiteres verwendbar. Der Wirkungskreis desselben ist zu klein und die Elektroden werden,. wenn sie nicht aus gewissen, sehr teuren Materialien hergestellt sind, einer zu großen Abnutzung preisgegeben, wobei event, durch ihre Verbrennung der Prozeß gestört und die Produkte verunreinigt werden können. Man hat zwar den elektrischen Lichtbogen in der Weise, z. B. zur Oxydation des Stickstoffes der Luft, auszunutzen gesucht, daß man größere Energiemengen auf eine größere Anzahl dünner Lichtbögen verteilte. Man ging dabei von dem an sich richtigen Gedanken aus, daß es zur Erreichung eines großen Nutzeffektes zweckmäßig sei, das Gasgemisch mit Lichtbögen von geringer Energie jedoch mit einer möglichst großen Flammenoberfläche in Berührung zu bringen. Der Erfinder hat aber gefunden, daß der Nutzeffekt mit der auf jeden Lichtbogen fallenden Energiemenge steigt, und daß ζ. B. in Öfen mit Lichtbögen von 5 Kilowatt, 50 Kilowatt und 200 Kilowatt die bezüglichen Nutzeffekte sich wie die Zahlen 45, 60 und 80 verhalten. Hieraus ergibt sich, daß die Verteilung der Energie auf eine große Menge Lichtbögen nicht vorteilhaft ist, daß es dagegen vor allen Dingen nötig ist, ein Mittel anzuwenden, durch welches es gelingt, große Energiemengen zwar in einem einzigen Lichtbogen, aber unter Darbietung einer großen Oberfläche auf die Gase einwirken zu lassen. Dies wird dadurch erreicht, daß man die Elektroden in ein sehr starkes, magnetisches Feld stellt. Es ist zwar schon lange

bekannt, daß das magnetische Feld die Eigenschaft besitzt, auf elektrische Entladungen eine ablenkende Kraft auszuüben und leuchtende Enladungen zu . verbreitern, und P 1 ü c k e r hat auch bereits nach Pogg. Annalen, Bd. 113, 1861, S. 268, Nr. 238, die Einwirkung eines derartig verbreiterten Lichtbogens auf Luft beobachtet. Er hat nämlich dien verbreiterten Lichtbogen im luftverdünnten Raum auf kleine Mengen Luft einwirken lassen, die er nach und nach in den Raum eingelassen hat und dabei das Auftreten von braunen Dämpfen bemerkt, woraus auf die stattgehabte Bildung nitroser Gase zu schließen, war. Es läßt sich nun durch die Wirkung eines kräftigem' Magnetfeldes auf einen Lichtbogen eine elektrische Flamme herstellen, deren Volum das der von. einem Magneten nicht beeinflußten, Flamme um mehrere hundert Male übertrifft, indem bei geeigneter Wahl der Verhältnisse der Lichtbogen derart verbreitert wird, daß statt einer Emission lediglich zwischen den Spitzen der Elektroden eine fast über die ganze im magnetischen Felde befindliche Länge der Elektroden verteilte Emission stattfindet.

Das Wesen der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, daß die einem solchen verbreiterten Lichtbogen auszusetzenden Gase durch einen Raum hindurchgeführt werden, welcher von einem derart verbreiterten Lichtbogen erfüllt ist. Eine derartige Flamme ist sehr stabil und man kann daher einen kräftigen Strom von Luft durch die Flamme oder an derselben dicht vorbei blasen, ohne die Flamme zu stören; es entsteht hierdurch ein konstanter Strom nitroser Gase. Hierin liegt ein Unterschied gegenüber den Versuchen von P 1 ü c k e r, bei welchen die Luft nicht beständig und außerdem noch. bei Unterdruck durch den verbreiterten Lichtbogen hindurchgeführt und demnach auch nicht nitrose Gase in konstantem Strom abgeführt werden. Es soll noch bemerkt werden, daß —was äußerst wichtig ist — die Elektroden bei dieser Entladungsweise keine derartige Erhitzung erleiden, daß deren Erhaltung auf Schwierigkeiten stößt.

Es gelingt ohne Schwierigkeit, Lichtbogenscheiben dieser Art von 1 m Durchmesser herzustellen, welche eine sehr große Energie aufnehmen können. Da bei den endothermisch verlaufenden Reaktionen in Gasen die Ausbeute eine Funktion ist des Verhältnisses des - Volumens der Flamme zur Temperatur (siehe Muthmann und Hof er, Ber. der deutschen Chem. Ges., Jahrgang 36, S. 447), so liegt der Vorteil des Verfahrens auf der Hand. Die zur Ausübung des Verfahrens gebrauchten Apparate sind, wie aus folgender Beschreibung ersichtlich, einfach und wenig umfangreich. Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung ist Ansicht, Fig. 2 Querschnitt einer solchen Vorrichtung.

Sie besteht aus einem Ofen α aus Schamottesteinen, welcher zweckmäßig einen inneren Raum b von 1,2 m Höhe, 1,2 m Breite und 0,05 m Tiefe besitzt. Dieser Schamotteofen kann mit einer schützenden Hülle von Metallblech umgeben sein. Die Elektroden bestehen zweckmäßig aus Kupfer oder einem anderen passenden Material und sind z. B. wagerecht der Länge nach in den Ofen isoliert eingebaut. Die Entfernung der Elektroden im Ofen beträgt 1 bis 2 cm und hängt von den Stromverhältnissen in den Elektroden und im Elektromagneten und von der Gasgeschwindigkeit ab. Der Ofen steht zwischen den Schenkeln eines großen Elektromagneten d, wie aus der Zeichnung ersichtlich; auf den Schenkeln sind zwei Polschuhe e,f derart angeordnet, daß die Kraftlinien senkrecht zu den großen Seitenflächen des Ofens verlaufen. Der Elektromagnet wird mit einer Energie von etwa 0,5 Kilowatt betrieben.

Bei den angegebenen Dimensionen des Ofens kann ein Strom von. 2000 bis 8000 Volt und 30 bis 10 Amp. verwendet, es können somit 40 bis 50 Kilowatt oder mehr in einer einzigen 'Hochspannungsflamme zum Ausgleich gebracht werden. Man verwendet vorteilhaft Drehstrom oder Wechselstrom. Bei Anwendung von Gleichstrom ist die Isolation schwieriger, und die Stabilität der Flamme läßt zu wünschen übrig. Findet der Ausgleich statt, ohne daß der Elektromagnet einwirkt, so schmelzen, wenn man mit großen Energiemengen arbeitet, die Elektroden natürlich sofort zusammen; läßt man den Magneten wirken, ■ so entsteht eine intensiv leuchtende Aureole von glühendem Gase, welche einen Durchmesser von 0,7 bis 1 m besitzt. Die Elektroden kommen dann nicht mehr zum Schmelzen.

Die Gaszufuhr erfolgt durch geeignete Kanäle, die zweckmäßig in den Wandungen des Ofens so verlaufen, daß die Gase in dem durch die Flamme erhitzten Material vorgewärmt werden.

Die Gasmenge, welche durch den Ofen durchgeblasen werden kann, beträgt 1 bis 3 cbm in der Minute, ohne daß die Flamme in ihrer Form irgendwie verändert wird oder unruhig brennt. Diese Stabilität der Flamme bietet einen unschätzbaren Vorteil gegenüber allen bisher angewendeten Verfahren, bei denen meistens statt einer kräftigen Flamme sehr viele kleine, leicht abreißende und unbe-. ständige Flämmen en zur Verwendung kommen. Die Verwendung der Elektromagnete gestattet die Anwendung einer sehr hohen Stromstärke und verhältnismäßig geringer Spannung von weit unter 10000 Volt; die

besten Resultate wurden sogar bis jetzt bei nur 2000 bis 3000 Volt und 30 bis 20 Amp. erzielt; der Vorteil gegenüber den bisher beschriebenen Methoden, z, B. . der mit einer Spannung von 50000 Volt arbeitendien Methode von Kowalski, ist in die Augen fallend. -

Die Gase verlassen den Ofen mit einem Gehalt von 2 bis 4 Prozent Stickoxyd, dessen Umwandlung in Salpetersäure und Absorption in Plattentürmen erfolgt, wie solche die Tech-

. nik bereits zur Verarbeitung von nitrosen Gasen verwendet.

Die Gasgeschwindigkeit im Ofen ist natürlich regelbar; bei den Versuchen waren Zufluß- und Abflußöffnungen so groß, und es waren die Exhaustoren so eingestellt, daß im Ofen Atmosphärendruck oder ein geringer Unterdruck herrschte.

Schließlich soll erwähnt werden, daß man auch Ströme von niedrigerer Spannung, beispielsweise 600 Volt, zur Verwendung bringen kann; in diesem Falle sind die Elektroden zweckmäßig derart anzuordnen, . daß deren Spitzen in schneller Folge in Berührung miteinander gebracht werden können und nur um einen geringen Abstand, beispielsweise einem Bruchteil eines Millimeters, voneinander entfernt werden. Bei dieser Anordnung entstehen ähnliche Lichtscheiben, wie die oben erwähnten.

Claims

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren zur Durchführung endothermisch verlaufender Reaktionen in ■-Gasen und Gasgemischen unter Anwendung des verbreiterten elektrischen Lichtbogens zur Hervorbringung der hohen Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase oder Gasgemische durch einen Raum hindurchgeführt werden, welcher von einem Lichtbogen erfüllt ist, der mittels eines starken magnetischen Feldes scheibenförmig ausgebreitet ist.

2. Ofen zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwischen . den Polen eines starken Elektromagneten angeordneten flachen Reaktionsraumes, der sich in einer Ebene . senkrecht zur Achse des Magnetfeldes gleichmäßig erstreckt, derart, daß fast der ganze Raum, der von den zu behandelnden Gasen durchstrichen wird, von der an; den im Magnetfelde angeordneten Elektroden gebildeten Flamme ausgefüllt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.