DE2248345B2 - Verfahren zum Erhitzen eines Gases - Google Patents

Verfahren zum Erhitzen eines Gases

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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • H05B7/00—Heating by electric discharge
    • H05B7/02—Details
    • H05B7/12—Arrangements for cooling, sealing or protecting electrodes

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhitzen eines Gases, bei dem ein Gas durch einen Lichtbogen zwischen zwei mit Wasser gekühlten Elektroden geleitet wird.
Beim Erhitzen eines Gases unter Verwendung eines Lichtbogens zwischen einem Elektrodenpaar muß eine beträchtliche Wärmemenge verteilt werden, sonst würde die Lebensdauer der Elektroden durch Erosion der vom Lichtbogen betroffenen Oberfläche zu stark verkürzt.
Das für den technischen Gebrauch zur Verfugung stehende Wasser enthält oft Verunreinigungen, z. B.
gelöstes Kohlendioxid und andere Gase, welche den kritischen Hitzefluß des Wassers vermindern. Der kritische Hitzefluß ist die maximale Geschwindigkeit mit der Wärme von einer festen Oberfläche auf das Wasser übertragen wird, ohne daß auf der Oberfläche ein Dampffilm gebildet wird. Dieser Dampffilm wirkt als Isolator und verhindert die weitere Wärmeübertragung mit dem Ergebnis, daß sich in dem Feststoff Wärme ansammelt welche den Feststoff durch Erosion zerstören kann.
Aus der US-PS 32 89 022 ist eine elektrische Entladungsröhre bekannt deren Anode nach dem Prinzip der Siedekühlung gekühlt wird. Allerdings befaßt sich die Patentschrift nicht mit der Siedekühlung einer Lichtbogenanordnung zum Erhitzen von Gasen.
Gleiches gilt für die US-PS 32 91 198, die sich mit der Gefrierkonservierung von biologischen Substanzen, wie Blut befaßt Hierbei bringt man die biologischen Substanzen in einen Lagerbehälter ein, dessen Außenwand zur Verbesserung des Wärmeübergangs mit einer dünnen isolierenden Grundierung aus einem wasserlöslichen Material sowie einer darauf aufgebrachten Schicht aus einem porösen Material versehen ist Zur Konservierung wird der beschichtete Behälter in ein Bad des siedenden flüssigen Gefriermittels eingebracht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erhitzen eines dases der eingangs geschilderten Art bereitzustellen, bei dem die Gefahr des Entstehens eines Dampffilms auf den zu kühlenden Elektrodenflächen und damit die Erosionsgefahr der Elektroden verringert werden.
Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß die Verfahrensparameter so gewählt werden, daß das Kühlwasser im Arbeitsbereich der Elektroden zum Sieden kommt und daß Kühlwasser mit Zusatz eines Kernbildungsmittels zur Erleichterung der Bildung von Dampfblasen verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zum Erwärmen von Gasen verwendet werden, z. B. von Sauerstoff odtr Inertgasen, wie Argon, welche dann mit einem Titantetrahalogenid vermischt werden (sowie mit Sauerstoff, wenn man als Gas ein Inertgas benutzt), so daß die Reaktionskomponenten auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der die Umsetzung zwischen dem Titantetrahalogenid und dem Sauerstoff in der Gasphase unter Bildung von Titandioxid stattfindet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann man die Hitzefluß-Kapazität des Kühlwassers auf mindestens 100 Watt verbessern.
Der Test zur Bestimmung der Hitzefluß-Kapazität wird dabei wie folgt durchgeführt:
Man taucht einen Platindraht (Reinheit mindestens 99,85) mit einem Durchmesser von 0,005 cm in das zu untersuchende Wasser. Der Draht wird mit zwei elektrisch leitfähigen Trägern verbunden und so angeordnet, daß die Länge zwischen den Punkten des elektrischen Kontakts 7,6 cm beträgt. Die Träger werden über einen variablen Spannungsregler und ein Amperemeter mit Wechselstrom verbunden. Ein Voltmeter dient zur Messung der an den Draht angelegten Spannung. Man steigert die Spannung langsam (nicht mehr als 1 Volt pro Sekunde), bis der Draht durchgebrannt ist. Die Durchbrennspannung und die Stromstärke (Amp.) werden notiert. Das Produkt von Durchbrennspannurig χ Amp. ist die Hitzefluß-Kapazität.
Die Verbesserung der Hitzefluß-Kapazitäi des Kühlwassers beruht darauf, daß durch Zusatz eines
kernbildenden Mittels zur Blasenbildung die Neigung zur Bildung eines Dampffilmes auf der Elektrodenoberfläche vermindert und statt dessen die Bildung von kleinen Gasblasen im Wasser gegenüber der Bildung eines kontinuierlichen Filmes gefördert wird. Wegen des sehr hohen lokalisierten Hiueflusses in Bogen-Erwärmungsvorrichtungen ist die Verwendung des Nucleus-Siedens wichtig, um eine übermäßige Erosion in der Vorrichtung zu verhindern. Das Sieden soll kleine Blasen liefern.
Der oben beschriebene einfache Test ermöglicht die leichte Auswahl des Kernbildungsmittels, indem man eine kleine Menge eines speziellen Materials dem zu testenden Wasser zusetzt und die Wirkung auf die Hitzefluß-Kapazität bestimmt. Die Wirkung von verschiedenen Mengen des Mittels wird so leicht und schnell bestimmt Auch kann die Wirkung des pH-Wertes auf die Hitzefluß-Kapazität des in spezieller Weise behandelten Wassers beobachtet werden, indem man einen geeigneten Säure- oder Alkali-Zusatz zur Einstellung des pH-Wertes auf den gewünschten Wert macht.
Typische brauchbare Kernbildungsmittel zur Blasenbildung sind die organischen aliphatischen Alkohole, wie Äthanol, Propanol oder Butanol, gewisse organische Säuren, wie Gerbsäure, Ketone, wie Methylethylketon, und mineralsaure Salze, wie Magnesiumsulfat, Aluminiumsulfat und Polyphosphate, ferner Hydrazin. Die Alkohole und Ketone werden üblicherweise in einer Menge von 0,1 — 10 Gew.-% verwendet; die übrigen brauchbaren Mittel setzt man üblicherweise in Mengen von 5—1000 ppm ein (jeweils bezogen auf das Gewicht des Wassers). Gewünschtenfalls kann man auch Mischungen aus 2 oder mehr verschiedenen Kernbildungsmitteln einsetzen. Bei Verwendung von Hydrazin, einem Rohphosphat, Magnesiumsulfat oder Aluminiumsulfat ist es zweckmäßig, daß Wasser vor seiner Verwendung als Kühlmittel auf eine Temperatur von mindestens 5O0C zu erhitzen (vorzugsweise mindestens 60°C), so daß die Wirkung des Mittels gesteigert wird.
Die Menge des Kernbildungsmittels ist im allgemeinen nur gering; sie hängt natürlich von der Qualität des benutzten Wassers ab, wie sie durch den oben beschriebenen Test bestimmt wurde.
Ein besonders wertvolles Kernbildungsmittel ist Magnesiumsulfat gemischt mit Butanol, ferner Aluminiumsulfat.
Das zur -Kühlung der Elektroden benutzte Wasser sollte eine niedere Leitfähigkeit haben; zweckmäßig ist die maximale elektrische Leitfähigkeit 250 Micro-Siemens pro cm entsprechend einem spezifischen Widerstand von mindestens 4000 Ohm cm. Jedoch kann auch Wasser mit einer größeren elektrischen Leitfähigkeit benutzt werden; dies macht aber üblicherweise die Verwendung von längeren elektrisch nicht-leitfähigen Rohren neben den Elektroden erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders wertvoll, wenn der Bogen durch Gleichstrom zwischen einer Anode und einer Kathode gebildet wird; jedoch erzielt man auch Vorteile, wenn der Bogen durch Wechselstrom gebildet wird. Üblicherweise haben die Elektroden eine röhrenförmige Gestalt, wobei sich die Anode am äußeren Ende der Vorrichtung befindet und das Gas durch die Lücke zwischen den zwei Elektroden eingeführt wird. Wenn die Elektrode nahe dem Ausgang der Vorrichtung die Anode ist, so ist es zweckmäßig, das Kühlwasser im Gegenstrom zum Gas laufen zu lassen
Üblicherweise fließt das Kühlwasser um die äußere Oberfläche der Elektrode; gewünschtenfalls kann man die Elektrode auch mit inneren Kanälen versehen, durch welche das Wasser fließt Üblicherweise zirkuliert das Kühlwasser innerhalb eines geschlossenen Systems, welches aus einem Vorratskessel, Kühlvorrichtungen und zirkulierenden Pumpen besteht
Es wurde gefunden, daß in einer Bogen-Erwärmungsvorrichtung, bei der röhrenförmige Elektroden in Linie angeordnet sind, die neben dem Ausgang befindliche
ίο Elektrode der Vorrichtung während dem Erhitzen des Gasstromes eine größere Erosion erleidet als die andere Elektrode — gleichgültig ob die am Ausgang benndliche Elektrode die Anode oder die Kathode ist Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird diese Erosion vermindert, insbesondere wenn das Kühlwasser so läuft, daß es über die zu kühlende Oberfläche der Frontelektrode in entgegengesetzter Richtung als das zu erhitzende Gas fließt
Das Verfahren zum Erhitzen mittels eines zwischen Elektroden befindlichen Bogens kann zwar in einer großen Anzahl von Bogen-Erwärmungsvorrichtungen benutzt werden, z. B. in Schweißbrennern; besonders brauchbar ist es jedoch zur Herstellung von Metalloxid-Pigmenten durch Dampfphasen-Oxidation eines Metall-
2-, halogenids, z. B. Titan-tetrahalogenid. Bei diesem Verfahren müssen z. B. Titantetrachlorid und Sauerstoff auf eine Reaktionstemperatur erhitzt werden, bei der die Oxidation des Titantetrachlorids im Reaktor stattfindet. Diese EiAvärmung kann auf verschiedene
«ι Weise durchgeführt werden, z. B. kann man einen Sauerstoffstrom erhitzen, indem man ihn durch einen Bogen zwischen einem Elektrodenpaar leitet, worauf man ihn mit Titantetrachlorid-Dampf und gewünschtenfalis überschüssigem Sauerstoff vermischt, so daß eine
r> ausreichend hohe Temperatur für die Reaktion entsteht; auch kann man ein Inertags, wie Argon, et hilzen, indem man es durch einen Bogen leitet und das erhitzte Inertgas dann mit Sauerstoff und/oder Titantetrachlorid vermischt.
4» Eine Form der für das erfindungsgemäße Verfahren brauchbaren Apparatur soll nun anhand der Zeichnung erläutert werden, welche einen Schnitt durch eine Bogen- Erwärmungsvorrichtung zeigt.
Die Apparatur besteht aus einer hinteren Elektrode 1 j in Form eines Zylinders, der an einem Ende 2 geschlossen und von einem Kanal 3 umgeben ist, durch den Kühlwasser über den Einlaß 4 und den Ausgang 5 fließt.
Axial zur hinteren Elektrode 1 angeordnet ist eine
vt zylindrische Frontelektrode 6, die von einem Kanal 7 umgeben ist, durch den Kühlwasser über den Einlaß 8 und den Ausgang 9 geleitet wird.
Eine ringförmige Vorrichtung 10 wird durch die Elektroden 1 und 6 getragen; ein Isolierring 11 dient zur elektrischen Isolierung der beiden Elektroden. In dieser Vorrichtung 10 wird eine Passage 12 für das Gas gebildet, welches durch den Gas-Einlaß 13 eintritt; die tangential angeordneten Zufuhrlöcher 14 werden in der Vorrichtung 10 gebildet, um das Gas von der Passage 12
bo zur Lücke 15 zwischen den Elektroden 1 und 6 und hinaus aus der Ausgangselektrode 6 zu leiten.
In Betrieb wird das zu erhitzende Gas durch den Gaseinlaß 13 und zur Ausgangselektrode hinausgeleitet, .vährend ein Gleichstrom an den Elektroden angelegt
b5 ist. Üblicherweise ist die Elektrode 6 die Anode und die Elektrode 1 die Kathode. Das gewählte Kühlwasser wird durch die Kanäle 3 und 7 geleitet. Das Wasser fließt durch den Kanal 7 in enteeeenpesetzter Richtung 7iir
Richtung des Gasstroms.
In den folgenden Beispielen ist die Erfindung näher erläutert.
Beispiel 1
Eine Bogen-Erwärmungsvorrichtung, wie sie in der Abbildung gezeigt ist, wird zum Erhitzen von Luft verwendet, welche mit einer Geschwindigkeit von 169,8In3 pro Stunde strömt. Die Erwärmungsvorrichtung steht unter einem Strom von 400 Amp. und einer Spannung von 1000 Volt; die Elektroden bestehen aus
Tabelle 1
einer Legierung von Silber und Kupfer, welche 20 Gew.-% Kupfer enthält. Die Elektrode 6 ist die Anode, die Elektrode 1 die Kathode.
Die Vorrichtung wird mit kaltem entmineralisiertem Wasser beschickt. Die Versuche werden unter Verwendung eines Kühlwassers durchgeführt, welches verschiedene Zusätze enthält; vor der Verwendung des Wassers wird dieses untersucht, um die Hitzefluß-Kapazität zu bestimmen. Man mißt das Ausmaß der Erosion auf den Elektroden. In der folgenden Tabelle I sind die Ergebnisse zusammengestellt.
Additiv Hitzefluß-
Kapazität
(Watt) 		Erosion
Anode
(g/h)		 Kathode
(g/h) 		pH Leitfähigkeit
(Micro-Siemens
pro cm)
— 45,0 0,72 0,63 8,5 6
Hydrazin (15 ppm + NaOH bis zum
gewünschten pH		 111,0 0,17 0,39 9,3 66
4% Butanol + Hydrazin 18 ppm 130 0.04 0,41 8,2 84
1% Butanol 130 0.04 0,44 8.0 90
0,1% Butanol + MgSO4 20 ppm 138 0,03 0,52 7,6 158 ·
0,1% Butanol + 40 ppm MgSO4 149 0.016 0,49 8,7 180
Aus der Tabelle wird die Verminderung der Erosion bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens klar ersichtlich.
Zur Hersteilung des entmineralisierten Wassers entnimmt man normales Haushaltswasser und läßt dieses durch eine schwach saure Kationenaustauscher-Einheit laufen, um Calciurnionen zu entfernen und das Calciumcarbonat in Kohlendioxid zu verwandeln. Das Wasser wird dann über einen Entgasungsturm in eine stark saure Kationenaustauscher-Einheit geleitet, um die Magnesiumionen zu entfernen. Das auf diese Weise
Tabelle I!
jo behandelte Wasser passiert dann eine schwach basische Anionenaustauscher-Einheit, um Sulfat-, Chlorid- und Nitrat-ionen zu entfernen. Auf diese Weise erhält man das in den Beispielen 1 und 2 verwendete entmineratisierte Wasser.
!> Beispiel 2
Man bestimmt die Wirkung verschiedener Zusätze zu entmineralisiertem Wasser auf die Hitzefluß-Kapazität unter Verwendung des oben beschriebenen Tests; die 4Ii Ergebnisse sind in der Tabelle 11 zusammengestellt.
Additiv
Hitzefluß-
Kapazität
(Watt) 		pH Leitfähigkeit
(Micro-Siemens
pro cm)
45 8,5 6
122 6.0 5.6
176 9,4 33
54,5 10,4 65
112 10.4 51
47,7 8,0 32
110 8.1 37
80 ppm Gerbsäure
80 ppm Gerbsäure + NaOH
20 ppm Hydrazin
20 ppm Hydrazin + Erwärmen auf 60° C
und Abkühlen
40 ppm Natrium-hexametaphosphat
40 ppm Natrium-hexametaphosphat + Erwärmen
auf 600C und Abkühlen
80 ppm MgSO4 + 0,1% Butanol
Bei Verwendung des behandelten Wassers zur Kühlung einer Bogen- Erwärmungsvorrichtung wird das Ausmaß der Erosion auf den Elektroden im Vergleich 162
10,0
220
zur Verwendung von unbehandeltem Wasser vermindert
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Erhitzen eines Gases, bei dem ein Gas durch einen lichtbogen zwischen zwei mit Wasser gekühlten Elektroden geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensparameter so gewählt werden, dab das Kühlwasser im Arbeitsbereich der Elektroden zum Sieden kommt, und daß Kühlwasser mit Zusatz eines Kernbiidungsmittels zur Erleichterung der Bildung von Dampf blasen verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß man als Kernbildungsmittel einen aliphatischen Alkohol verwendet
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß man als Kernbildungsmittel eine organische Säure verwendet
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß man als Kernbildungsmittel ein Keton verwendet
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß man als Kernbildungsmittel ein mineralsaures Salz verwendet
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß man als mineralsaures Salz Aluminiumsulfat verwendet.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß man als Kernbildungsmittel Polyphosphat verwendet
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß man als Kernbildungsmittel Hydrazin verwendet
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß man zwei oder mehr verschiedene Kernbildungsmittel verwendet
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß man ein Gemisch aus Butanol und Magnesiumsulfat verwendet
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wasser nach dem Vermischen mit dem Kernbildungsmittel auf eine Temperatur von mindestens 5O0C erwärmt und vor der Verwendung zum Kühlen der Elektroden wieder abkühlen läßt. 4 r>
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß man das Wasser auf mindestens 6O0C erwärmt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine solche Wahl der Zusätze, jn daß das Wasser einen spezifischen Widerstand von mindestens 4000 Ohm cm hat.
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DE2248345A1 DE2248345A1 (de) 1973-05-03
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