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Verfahren zur Ausführung von chemischen Reaktionen zwischen Gasen,
Dämpfen und Flüssigkeiten in Kompressoren.
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Zusatz zum Patent 389294.
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Im Hauptpatente sind Verfahren zur Ausführung chemischer Reaktionen
in Kompressoren beschrieben, die dadurch gekennzeichnet sind, daß während des Verlaufs
der Reaktion Druck und Temperatur von außen in einer durch den Charakter der Reaktion
bestimmten Richtung verändert werden Durch diese Veränderung der Temperatur und
des Druckes wird die Reaktion in gewünschter Richtung beschleunigt. Zu diesem Zwecke
kann auch die Veränderlichkeit des dritten Faktors, des chemischen Gleichgewichtes
der Konzentration, angewendet werden.
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Aus dem Massenwirkungsgesetz kann abgeleitet und aus dem Prinzip von
e C ii a -t e 1 i e r kann folgendes gefolgert werden:
In einem
System von Gasen oder Dämpfen, die aufeinander chemisch einwirken können, fördert
eine Konzentrationserhöhung eines Stoffes eine Reaktion, die mit der Bindung dieses
Stoffes verbunden ist, und hemmt eine Reaktion, die mit dem Freiwerden dieses Stoffes
verbunden ist, und umgekehrt hemmt eine Konzentrationserniedrigang eines Stoffes
eine Reaktion, die mit der Bindung dieses Stoffes verbunden ist, und fördert eine
Reaktion, die mit dem Freiwerden dieses Stoffes verbunden ist.
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Haben wir ein System von Gasen, z. B.
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H H und NH3, und vergrößern wir die Konzentration von N und H oder
eines dieser Gase, oder vermindern wir die Konzentration von NH3, so geben wir einen
Impuls der Reaktion der Bildung von NH8. Wirken wir so auf das System ein, daß wir
len Gesamtdruck zu steigern, die Temperatur zu erniedrigen und gleichzeitig die
Konzentra tion der Gase N und H zu erhöhen oder die Konzentration von NH3 zu erniedrigen
suchen, so erteilen wir der Reaktion den größtrnöglichen Impuls, und es wird eine
Temperaturzone geben ungefähr in der Nähe von goo0 C, in welcher allein durch die
erwähnten Einwirkungen von außen die Bildung von NH3 mit genügender Geschwindigkeit
hervorgerufen wird.
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In der in dem Hauptpatent als Beispiel beschriebenen Synthese von
Ammoniak wirken die im Zylinder eingeführten Gase, Stickstoff und Wasserstoff, nicht
nur kühlend, sondern sie erhöhen auch die Konzentration der Gase N und H und beschleunigen
somit die Bildung von Ammoniak.
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Indem wir bei einem System von Gasen oder Dämpfen, die aufeinander
chemisch einwirken können, von außen her Druck, Temperatur und Konzentration verändern,
rufen wir eine Reaktion im System hervor, die dieselben gerade in entgegengesetzten
Richtungen verändert.
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Es können dabei drei Fälle eintreten: I. Die Einwirkungen von außen
überwiegen die durch die Reaktion hervorgerufenen, und die resultierenden drei Faktoren,
Druck, Temperatur und Konzentration, ändern sich in Richtung der äußeren Einwirkungen.
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2. Die Veränderungen von außen bleiben fortwährend gleich den Veränderungen,
die durch die Reaktion hervorgerufen sind. In diesem Falle vollzieht sich die Reaktion
bei konstantem Druck, konstanter Temperatur und konstanter Konzentration.
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3. Die Veränderungen von außen bleiben fortwährend kleiner als die
Veränderungen, die durch die Reaktion hervorgerufen sind.
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Die resultierenden drei Faktoren, Druck, Temperatur und Konzentration,
ändern sich in der Richtung der Veränderungen, die durch die Reaktion hervorgerufen
sind. So, z. B. in dem in dem Hauptpatent eingeführten Beispiele der Synthese von
Ammoniak, kann die Bildung von Ammoniak solche Größe annehmen, daß der Druck ungeachtet
der Volumenverminderung durch den Gang des Kolbens fällt, die Temperatur ungeachtet
der Kühlung steigt und die Konzentration von N und H ungeachtet der Einführung von
N und H dennoch fällt.
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Bei der Ausführung von chemischen Reaktionen kann auf die Veränderungen
eines oder des anderen Faktors verzichtet werden und können auch die Veränderungen
der einzelnen Faktoren den verschiedenen oben beschriebenen drei Gruppen angehören.
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Nach dem im Hauptpatent und dem oben beschriebenen Verfahren können
Reaktionen zwischen I. Gase, 2. Gase und Flüssigkeiten in Dampfform, 3. Gase und
Flüssigkeiten in Flüssigkeitsform ausgeführt werden, und es sollen hier entsprechende
Beispiele angeführt werden.
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Alle diese Reaktionen können mittels einer Apparatur gemäß beiliegender
Zeichnung ausgeführt werden. Dieselbe ist schon in dem Hauptpatent beschrieben worden.
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Diese Apparatur besteht aus einem von außen angetriebenen Kompressor
I, der vollständig so gebaut ist wie ein Dieselmotor.
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Dieser Kompressor ist wie im Dieselmotor mit einer Hilfspumpe, die
auf der Zeichnung nicht gezeigt ist, verbunden. Mit dieser Hilfspumpe können Gase
oder Dämpfe, die in den Zylinder eingeführt werden sollen oder die zur Einführung
in den Zylinder und zur Zerstäubung einer Flüssigkeit dienen sollen, auf eine höhere
Kompressionsstufe gebracht werden, als die im Kompressor selbst erzeugt wird. Dieser
Kompressor ist mit einem Einführungsventil 4 versehen, das dem Brennstoffventil
eines Dieselmotors gleicht.
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Soll Flüssigkeit in den Zylinder eingeführt werden, so wird der Kompressor
I mit einer Pumpe versehen, die der Brennstoffpumpe des Dieselmotors gleichen kann.
Diese Flüssigkeitspumpe ist auf der Zeichnung nicht gezeigt. Die Gase bzw. Dämpfe,
die bearbeitet werden sollen, werden im Behälter 6 aufgespeichert, und von dort
gelangen sie durch das Einlaßventil 2 beim Niedergange des Kolbens 7 in den Zylinder
des Kompressors I. Die erhaltenen Produkte gelangen aus dem Zylinder des Kompressors
I durch das Auspuffventil 3 in den Behälter 8, in welchem die gewonnenen Produkte
abgekühlt und aus dem Apparate herausgeführt werden können.
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Schließt man die Klappe 13 in der Rohrleitung
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und öffnet die Klappe 14, so kann man diese Gase aus dem Kompressor direkt in den
Behälter 6 überführen. Durch Einstellen der Klappen I3 und 14 kann man die Abkühlung
der Gase regeln und somit im Behälter 6 eine bestimmte nötige Anfangstemperatur
und ebensolchen Anfangsdruck erreichen. Der Behälter 6 muß ständig mit frischem
Gemische nachgefüllt werden. Durch die Klappe I5 können die Behälter 6 und 8 abgesperrt
werden.
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1. Reaktion z w i s c h e n Gasen.
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Zur Klarstellung des Verfahrens soll außer der Synthese von Ammoniak
aus den Gasen, wie sie im Hauptpatent und hier oben beschrieben worden ist, noch
folgendes Bei spiel dienen: Es soll zu diesem Zwecke als Gasreaktion die Oxydation
des Methans zu Alkohol nach der Formel 2CH4+O2=C2H6O+H2O beschrieben werden.
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Diese Reaktion ist stark exothermisch und wird, wie die Formel zeigt,
mit einer Verminderung der Zahl der Nioleküle verbunden.
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Sie muß nach dem Vorhergehenden im Kompressionshuhe bei kühlenden
Einwirkungen und Einwirkung einer Vergrößerung der Konzentration des Sauerstoffes
ausgeführt werden.
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Der Kompressor 1 saugt beim Auswärtsgehen des Kolbens 7 aus dem Reservoir
6 Methan durch das Ventil 2 an und kompeimiert das Gas etwa bis zu 3/4 des Hubes.
In diesem Augenblick soll der Druck des Methans etwa 25 Atm., die Temperatur etwa
6000 C betragen, was durch einen entsprechenden Anfangszustand erreicht werden kann.
Bei weiterem Gang des Kolbens wird das Gas einer den Druck steigernden Einwirkung
ausgesetzt. Nun öffnet sich das Einlaßventil 4, und in den Zylinder tritt, stark
zerstäubt, ein Strom kalter Luft, die durch eine Hilfspumpe bis auf 50 Atm. vorkomprimiert
worden ist, ein. Die Reaktion tritt ein, aber gleichzeitig wird das Innere des Zylinders
durch die kalte Luft und durch die Expansion derselben einer die Temperatur erniedrigenden
Einwirkung ausgesetzt.
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Das Eintreten der Luft soll sehr allmählich während des ganzen letzten
Viertels des Kolbenhubes geschehen. Das fortwährende Eintreten des Sauerstoffes
wird eine die Konzentration erhöhende Einwirkung ausüben. Dabei muß die Wiege der
eingeführten Luft immer unter der theoretisch nötigen bleiben. Am Ende des Einwärtshubes
öffnet sich das Auslaßventil, und die Gase entweichen in den Behälter 8, wo die
Dämpfe des gebildeten Alkohols durch die Berieselung von großen Mengen von abgekühltem,
flüssigem Alkohol verflüssigt werden. Der Alkohol entweicht aus dem Apparate durch
das Abflußrohr 9. Das nicht umgesetzte Methan tritt zur wiederholten Behandlung
durch die Leitung 1 1 in den Behälter 6 ein. Schließt man die Klappe I3 und öffnet
die Klappe 14, so können die Gase und Dämpfe aus dem Kompressor direkt in den Behälter
6 übergehen. Durch die Einstellung der Klappen I3 und I4 kann man die Abkühlung
der Gase regeln und somit im Behälter 6 eine bestimmte nötige Anfangstemperatur
und ebensolchen Anfangsdruck erzielen. Selbstverständlich muß der Behälter 6 ständig
mit SIethan nachgefüllt werden.
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Arbeitet der Kompressor nicht mit reinem Sauerstoff, sondern mit
Luft, so muß nach gewissen Zeiträumen, wenn sich zuviel Stickstoff ansammelt, der
Behälter 6 ganz entleert und mit frischem WIethan gefüllt werden. Zu diesem Zwecke
kann zwischen dem Behälter und dem Kompressor 1 ein Abschlußventil eingeschaltet
werden.
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Durch die gleichzeitige Einwirkung von außen auf den Druck, auf die
Temperatur und auf die Konzentration in Richtungen, die den durch die Reaktion hervorgerufenen
entgegengesetzt sind, wird die gewünschte Reaktion hervorgerufen.
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Ungeachtet der Einwirkung in den entgegengesetzten Richtungen kann
die resultierende Änderung denen, die durch die Reaktion hervorgerufen werden, folgen
So kann z. B. ungeachtet der den Druck erhöhenden Einwirkung des Kolbenganges die
Reaktion solche Größenmaße annehmen, daß der resultierende Druck fällt, ungeachtet
der kühlenden Einwirkung, daß die Temperatur dennoch steigt, und es kann die Konzentration
des Sauerstoffes ungeachtet der kontinuierlichen Einführung des Sauerstoffes dennoch
fallen.
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2. R e a k t i o n zwischen einem Gas u n d e i n e r F l ü s s i
g k e i t i n D a m p ff o r m.
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Die Oxydation des NIethylalkohols zu Formaldehyd nach der Formel
2CHHO$ O2-2CH2C 2H2O kann als solches Beispiel und gleichzeitig als Beispiel der
Ausführung einer Reaktion im Expansionshube dienen, da die Reaktion, wie die Formel
zeigt, mit einer Vergrößerung der Molekül zahl verbunden ist. Die Reaktion kann
mittels derselben Apparatur ausgeführt werden.
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Der Kolben 7 saugt durch das Ventil 2 aus dem Behälter 6 Dämpfe von
Älethylalkohol an
und komprimiert dieselben während des ganzen Kompressionshubes.
Am Ende desselben soll der Druck etwa 25 Atm., die Temperatur etwa 5000 C betragen,
was durch einen entsprechenden Anfangszustand erreicht werden kann. Geht der Kolben
7 nach unten, so öffnet sich das Einlaßventil 4, und in den Zylinder tritt ein sehr
stark zerstäubter kalter Strahl von Luft ein, welcher in einem Hilfskompressor bis
auf 30 atom. vorkomprimiert worden ist. Die Lufteinführung kann während 1/3 des
Hubes stattfinden, die eingeführte Luftmenge darf aber immer unter der theoretisch
nötigen Menge bleiben. Die eintretende Luft wird bei der hohen Temperatur der vorkomprimierten
Methylalkoholdämpfe dieselben oxydieren. Dieser Oxydationsvorgang wird durch die
den Druck erniedrigende Einwirkung der Expansion und durch die die Konzentration
erhöhende Einwirkung der eintretenden Luft stark gefördert werden.
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Beim Rückwärtsgang des Kolbens werden die Dämpfe nach dem Behälter
8 geschoben, wo dieselben durch eine Strom von kaltern Methylakohol abgekühlrt und
aus dem Apparat herausgeführt werden.
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In diesem Falle kann der Vorgang mechanische Arbeit leisten.
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3. Reaktion zwischen G a s und Flüssigkeit. Die Hydrierung d e r u
n g e s ä t t i g t e n i n g e s ä t t i g t e Fette.
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Die Hydrierungsreaktionen sind exotherme Reaktionen, die mit einer
Verkleinerung der Zahl der WIoleküle verbunden sind. Sie müssen daher nach den vorherigen
Betrachtungen im Kompressionshube mit kühlender Einwirkung und gleichzeitiger Vergrößerung
der Konzentration des Wasserstoffes ausgeführt werden.
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Da die zu hydrierenden Fette oft nicht ohne Zerstörung in Dampf verandelt
werden können, so muß der Vorgang so geführt werden, daß das Fett in flüssiger Form
bleibt.
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Der Vorgang kann in dem oben beschriebenen Apparat wie folgt ausgeführt
werden: Der Kolben saugt bei seinem Auswärtsgang aus dem Behälter 6 Wasserstoff
an und komprimiert denselben bei seinem Rückgang auf einer Strecke von etwa 3/4
des Hubes bis auf 12 Atm. Spannung und 1800 C. Das flüssige Öl wird durch die oben
beschriebene Flüssigkeitspumpe dem Einspritzventil vorgeiagert und steht dort unter
dem Druck des Wasserstoffes, der mit Hilfspumpe bis auf 20 Atm. vorkomprimiert worden
ist. Hat der Kolben 3/4 seines Hubes erreicht, so öffnet sich das Einspritzventil,
und das Fett tritt stark zerstäubt in Nebelform allmählich in den Zylinder des Kompressors
ein. Diese Einführung dauert während des weiteren Hubes des Kolbens fort.
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Während des Hubes des Kolbens wird auf die reagierenden Stoffe eine
den Druck erhöhende Einwirkung ausgeübt. Gleichzeitig bewirkt der eintretende Strom
von Wasserstoff durch seine Kälte und Expansion eine stark kühlende Einwirkung und
zur rechten Zeit eine die Konzentration des Wasserstoffes erhöhende Einwirkung.
Durch alle diese gleichzeitigen Einwirkungen von außen in den Richtungen, die den
durch die Reaktion hervorgerufenen entgegengesetzt sind, wird die Hydrierung des
fein verteilten Fettes hervorgerufen. Vor der Erreichung des Totpunktes durch den
Kolben öffnet sich das Auslaßventil, und das Gemisch tritt, wie im vorigen Beispiel,
in den Behälter 8 hinein, wo das Fett durch eine Wasserberieselung abgekühlt und
aus dem Gefäß entfernt wird. Der nicht gebundene Wasserstoff tritt wieder in den
Behälter 6 zurück. Die Temperatur und der Druck im Behälter 6 werden, wie schon
beschrieben wurde, durch die verstellbaren Klappen I3 und Iq geregelt. Soll ein
Katalyt angewendet werden, so kann er mit dem öl eingeführt werden. Für die Ausführung
solcher Reaktionen eignet sich ein liegender Kompressor besser.
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Nach diesen, in den obigen Beispielen beschriebenen Verfahren können
alle chemischen Reaktionen zwischen Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten ausgeführt
werden.