DE2351812A1

DE2351812A1 - Chemisches reaktorsystem

Info

Publication number: DE2351812A1
Application number: DE19732351812
Authority: DE
Inventors: George Albert Apoloni Asselman; Udo Klaus Paul Biermann; Manfred Hans Knerr; Willem Ludovicus Nicolaa Sluys
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-10-27
Filing date: 1973-10-16
Publication date: 1974-05-09
Also published as: FR2204450A1; FR2204450B1; JPS4976775A; NL7214549A; GB1452614A

Description

Dipl.-Ing. HORST AUER ■'

Anwidsr: C. V. Ph.U.-y G^LÄivlPu^ABRlEKEi« ' " ■ . ,

Aic: τπΐ- 6589 · ^Auda

Anmeldung vom« 1 ^C» . 0^t~t · 1^73 ' lon

Chemisches Reaktorsystem.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Reaktorsystem mit einem Reaktionsgefäss, in dem beim Betrieb eine heterogene chemische Reaktion zwischen einem bei der Betriebstemperatur flüssigen Reaktionsmittel und einem gasförmigen Reaktionsmittel vor· sich geht, während weiter Mittel zur Regelung der Reaktionsbedingungen vorgesehens ind.

Derartige Reaktorsysteme können zur Herstellung von Verbindungen oder Elementen und/oder zum Erzeugen von Wärmeenergie verwendet werden, zu welchem Zweck das Reaktorsystem dann direkt oder mittels eines Wärmetransport systems mit einer wärmeverbrauchenden Vorrichtung- verbunden ist.

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Als Beispiel für die erstgenannte Anwendung kann u.a. das sogenannte Kroll-Verfahren zur Herstellung von Titan erwähnt werden, Bei diesem Verfahren enthält das Reaktionsgefäss geschmolzenes Magnesium; dem Gefäss wird gasförmiges Titantetrachlorid zugegeben. Im Reaktionsgefäss findet die Reaktion TiCl^(g) + 2Mg(f 1) -^ Ti(f) + 2MgCl,, ( fl) statt. Das geschmolzene Magnesium ist leichter als das geschmolzene Magnesiumchlorid, so dass das dem Reaktionsgefäss zugegebene TiCl. stets mit einer frischen -Magnesiumoberfläche in Berührung kommt.

Ein Beispiel für die ζwe!genannte Anwendung ist u.a. die Reaktion zwischen geschmolzenem Lithium und Schwefelhexafluorid, wobei sich im Reaktionsgefäss die folgende Reaktion vollzieht:
8Li(fl) + SF₆(g)-? 6LiF(fl) + Li₂S(fl)„ Die bei dieser Reaktion ausgelöste Wärme kann z.B. einer Wärmekraftmas chine, ζ „Β. einem Stirling—Motor, zugeführt werden.

Die Temperaturen im Reaktionsgefäss steigen gewöhnlich auf verhältnismässig hohe Werte an; bei den genannten Reaktionen werden in der Regel Temperaturen von mindestens 800⁰C erreicht.

Es sind nahezu keine wirtschaftlieh anwendbaren Metalle und Legierungen bekannt, die bei diesen Temperaturen nicht von den chemisch reaktiven Gasen angegriffen werden, die dem Reaktionsgefäss zugegeben werden.

Die Regelmöglichkeiten bei den beschriebenen

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ReaktorSystemen beschränken sich gewöhnlich auf die Regelung der Geschwindigkeit, mit der die gasförmigen Reaktionsmittel dem Reaktionsgefäss zugegeben werden, und auf die der Temperatur des Reaktionsgefässes durch Ableitung einer grösseren oder geringeren Menge der erzeugten Wärme.

Die Erfindung bezweckt, eine Verbesserung

der bekannten Reaktorsysteme zu schaffen, um ein wirtschaftlicheres und besser regelbares System zu erhalten. Diese Aufgabe wird durch ein Reaktorsystem gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die fand des Reaktionsgefässes .völlig oder teilweise mit einer kapillare öffnungen enthaltenden Schicht versehen ist, die aus einem Material bestelitj, das wenigstens bei der Betriebstemperatur durch das flüssige Reaktionsmittel benetzt wirdο

In dieser mit kapillaren öffnungen versehenen Schicht steigt das flüssige Reaktionsmittel durch die Kapillarkräfte entgegen der Schwerkraft auf» Dadurch wird erreicht, dass ein grösstenteils von flüssigem Reaktionsmittel umschlossener Reaktionsraum gebildet wird. Die Anwendung einer die Innenwand des Reaktionsgefässes völlig oder teilweise überziehenden, mit kapillaren öffnungen versehenen Schicht ergibt u.a. folgende Vorteile:

1. Das aufgestiegene flüssige Reaktionsmittel schützt die Wand des Reaktionsgefässes örtlich vor Angriff durch das chemisch reaktive Gas.

2. Die mit dem Gas reagierende Oberfläche des flüssigen Werkstoffes wird vergrössert.

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3. Die Reaktionswärme kann über eine grössere Oberfläche abgeleitet werden.

Es bietet Vorteile, das Reaktorsystem mit

einer Vorrichtung zu versehen, mit deren Hilfe der Druck in einem in bezug auf die Reaktionsmittel inerten Gas aufgebaut und geregelt wird.

Das dem Reaktxonsgefäss zugegebene reaktive

Gas reagiert nahezu sofort und vollständig mit dem flüssigen Werkstoff unter Bildung flüssiger oder flüssiger und fester Reaktionsprodukte. Wenn im Reaktxonsgefäss kein in bezug auf die Reaktionsmittel inertes Gas vorhanden ist, sinkt der Druck über dem flüssigen Werkstoff auf einen niedrigen Wert herab. Bei der Bemessung des Reaktionsgefässes muss dem zu erwartenden Unterschied zwischen dem Druck im Reaktionsgefäss und der umgebenden Atmosphäre Rechnung getragen werden.

Mittels einer Vorrichtung zum Aufbauen und Regeln des Druckes in einem in bezug auf die Reaktiotis — mittel inerten Gas im Reaktxonsgefäss kann jeder gewünschte Druck im Reaktxonsgefäss eingestellt werden. Dies bringt mit sich, dass die Bauart des Reaktionsgefässes vereinfacht werden kann. Die Wände des Reaktionsgefässes können auch bei grösseren Reaktoren eine geringere Dicke aufweisen als es beim Fehlen eines konstanten Inertgasdruckes im Reaktionsgefäss möglich wäre. Auch genügt es, bei derselben Gefässwanddicke Materialien zu verwenden, die eine geringere Festigkeit aufweisen.

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Das Reaktorsystem ist vorzugsweise ferner mit einer Vorrichtung zum Ausschalten der Zufuhr des mit dem flüssigen Reaktionsmittel reagierenden Gases zum Reaktionsgefäss beim Überschreiten eines vorbestimmten Druckes im Reaktionsgefäss versehen.

Im allgemeinen wird das Material, aus dem das Reaktionsgefäss besteht, langsamer als das flüssige Reak- -tionsmittel mit .dem chemisch reaktiven Gas reagieren, was bedeutet, dass bei gleichbleibender Zufuhrgeschwindigkeit des gasförmigen Reaktionsmittels der Druck im Reaktionsgefäss schnell zunimmt, sobald das flüssige Reaktiönsmittei vollständig mit dem Gas reagiert hat. Die in das Reaktionsgefäss hineinströmende Menge reaktiven Gases greift nun das Reaktionsgefäss an. Es ist daher erwünscht, diese Menge mittels einer Vorrichtung, die beim Ansteigen des Gasdruckes die Gaszufuhr ausschaltet, möglichst zu beschränken. Das im Gefäss vorhandene reaktive Gas kann gegebenenfalls durch eine im Reaktionsgefäss vorhandene verhältnismässig geringe Menge eines Stoffes unschädlich gemacht werden, der schneller als das Material der Gefässwand, aber weniger schnell als das flüssige Reaktionsmittel mit dem reaktiven Gas reagiert.

Die mit kapillaren öffnungen versehene Schicht, die als Überzug der Reaktionsgefässwand dient, kann aus mehreren Schichten aus Metallgaze oder Metallwolle bestehen, die zwischen der Reaktionsgefässwand und einem Metallgazekäfig angebracht sind. Auch kann diese Schicht aus sogenanntem geschäumtem Metall oder gesinterten Metallkörnern oder

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Metallspänen bestehen. Als Inertes Gas kann z.B. Helium, Argon und bei gewissen Reaktionen Stickstoff verwendet werden.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur ein Reaktorsystem nach der Erfindung schematisch darstellt. .

Das schematisch in der Figur gezeigte

Reaktorsystem enthält ein Heaktioflsgefäss 1, dessen Innenwand zum Teil mit einer kapillare Öffnungen aufweisenden Schicht 2 versehen ist. Im Reaktionsgefäss 1 befindet sich ein flüssiges Reaktionsmittel 3s das in den kapillaren öffnungen entgegen der Schwerkraft aufgestiegen ist. Der Deckel IA des Reaktionsgefässes 1 ist mit einer Zuleitung für ein mit dem flüssigen Reaktionsmittel 3 reaktives Gas versehen» Die Zuleitung h ist mit einem Yerschlussglied und einem Verschlussglied 6 versehen, die _asich, beim Überschreiten eines vorbestimmten Gasdruckes im Reaktionsgefäss 1 schliessen. Zu diesem Zweck ist das Verschlussglied 6 mit einem Drucksensor 7 i-^m Gefäss 1 verbunden. Der Deckel IA ist ferner mit einer Leitung 8 versehen, die einerseits über ein Verschlussglied 9 mit einer nicht dargestellten Vorrichtung zum Evakuieren des mit Gas gefüllten Raumes im Reaktionsgefäss 1 und andererseits über einen kombinierten Druckregler Verschluss 10 mit einem Inertgasbehälter in Verbindung steht. Das Reaktionsgefäss 1 ist ausserdem mit einem Druckmesser 11 versehen.

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Das Reaktionsgefäss 1 steht mittels einer

Vorrichtung zum Transportieren von Wärmeenergie in wärmeaustauschender Verbindung mit einer schematischen dargestellten WärmeVerbrauchsvorrichtung 12. Die Wärmetransportvorrichtung besteht in der Figur aus einer Leitung 13» in die eine Pumpe 14 zum Umpumpen eines wärmebefordernden Mediums, mit dem die Leitung 13 gefüllt ist, aufgenommen ist»

In einem praktischen Beispiel wurde ein

Reaktionsgefäss mit einem Innendurchmesser von 13^ mm verwendet; die Innenlänge betrug 900 mm. Das Reaktionsgefäss war auf der Innenseite mit einer Schicht aus Stahlwolle mit einer Dicke von 5 mm überzogen* die zwisbhen einem Zylinder aus grober Stahlgaze und der Wand des Reaktionsgefässes eingeschlossen war. Der Füllfaktor war nicht überall gleich, betrug aber mindestens 5 tf° und höchstens 10 tfo. Das Gefäss wurde mit k., 3 kg Lithium gefüllt, mit dem der Reaktor bis zu einer Höhe von 600 mm gefüllt warp bei einer Temperatur oberhalb 75O⁰C stieg das geschmolzene Lithium etwa 100 mm in der Stahlwolle über den Flüssigkeitspegel im Reaktor hinaus. Bei geschlossenen Verschlussgliedern 5 und IO wurde der Raum oberhalb des Lithiums evakuiert, wonach das Verschlussglied 9 verschlossen und mittels des kombinierten Druckregler/Verschlusses 10 der freie Raum im Reaktionsgefäss mit Argon bis zu einem Druck von etwa 100 Torr gefüllt wurde. Das Verschlussglied 5 wurde nun geöffnet und in etwa 2,5 Stunden wurden 11,3 kg SF,- mit konstanter

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Geschwindigkeit und einem überdruck von 1 Atm in das Reaktionsgefäss eingelassen. Dieser Stoff reagierte sofort und Vollständig mit dem Lithium. Die gebildeten Reaktionsprodukte sanken in flüssigem Zustand herab, erreichten den Boden des Reaktionsgefässes und bildeten dort eine zweite flüssige Phase.- Nachdem das gesamte Lithium nach 8L1 + SF/- -^ 6LiF+Li_S umgewandelt worden war, stieg der Druck im Reak-.tionsgefäss an, wodurch sich das Verschlussglied 6 schloss und die weitere Zufuhr von SF^ gestoppt wurde. Die Reaktion wurde bei einer Temperatur von etwa 800°C durchgeführt. Die im Reaktionsgefäss 1 entwickelte Wärmeenergie wurde mittels der Wärmetransportvorrichtung, die z.B. aus einer mit einem flüssigen Gemisch von Natrium und Kalium gefüllten Leitung bestehen kann, zur Wärmeverbrauchsvorrichtung 12 abgeführt.

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BAÖ ORIGINAL

Claims

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PATENTANSPRÜCHE .

ΓΤ) - Reaktorsystem, das ein Reaktionsgefäss enthält, in dem beim Betrieb eine heterogene chemische Reaktion zwischen einem bei der Betriebstemperatur flüssigen Reaktionsmittel und einem gasförmigen Reaktionsmittel vor sich geht j während weiter eine Zuleitung für das gasförmige Reaktionsmittel und Mittel zur Regelung der Reaktionsbedingungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnfet'v'dass die Wand des Reaktionsgefässes (i) völlig oder teilweise mit einer kapillare öffnungen aufweisenden Schicht (2) versehen ist, die aus· einem Material besteht, das wenigstens bei der Betriebstemperatur durch das flüssige Reaktionsmittel (3) benetzt wird,

2 ο ■ Reaktorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Vorrichtung versehen ist₅ mit deren Hilfe der Druck in einem inerten Gas im Reaktionsgefäss (i) aufgebaut und geregelt werden kann.

3 ο Reaktorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Vorrichtung versehen ist, mit deren Hilfe die Zufuhr des mit dem flüssigen Reaktionsmittel (3) reaktiven Gases zum Reaktionsgefäss (i) beim Überschreiten eines vorbestimmten Druckes im Reaktionsgefäss ausgeschaltet wird.

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