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Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen Zusatz zum Patent
389 294 Die Ausführung von chemischen Reaktioneu im Innern von Kolbenmaschinen ist
bekannt. Es wurde auch vorgeschlagen, die dabei oft nötigen Katalyten und physikalischen
Agenzien, wie z. B. elektrische Lichtbogen, direkt in den Zylindern zur Wirkung
zu bringen.
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Bei Anwendung von Katalyten muß dit Bauart so getroffen werden, daß
jedes Molekül der reagierenden Stoffe in der kurzen Zeit die zur Verfügung steht,
in engste Berührung mit den Katalyten kommt. Bei Anwendung von physikalischen Agenzien,
z. B. von elektrischein L ichtbogen, Funkenstrecken usw., muß der Kompressor so
gebaut sein, daß jedes Molekül deren Einwirkungen voll ausgesetzt ist.
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Nach dem im Hauptpatent beschriebenen Verfahren werden chemische
Reaktionen in Kompressoren bei größtmöglichen Veränderungen der drei Faktoren des
chemischen Gleichgewichtes Druck, Temperatur und Konzentration ausgeführt. Zu diesem
Zwecke miissen den reagierenden Gasen in der sehr kurzen zur Verfügung stehenden
Zeit große Wärmemengen zu- bzw. abgeleitet werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kompressor, der dieser Anforderung
entspricht.
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Gemäß der Erfindung werden die chemischen Reaktionen nicht im Innern
des Zylinders selbst, sondern in einem mit dem Zylinder verbundenen Reaktionsraume
aus Gußeisen oder sonst einem anderen geeigneten Metalle vorgenommen.
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In der beiliegenden Zeichnung zeigt die Abb. I einen Kompressor für
die Ausführung von chemischer Reaktion.
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An den Kompressionsraum I des Kompressors ist ein besonderer Reaktionsraum
2 angeschlossen. Der Kompressor ist mit einem Einlaßventil 7 und mit einem Auslaßventil
4 versehen. Soll während der Reaktion eine Flüssigkeit in den Zylinder eingeführt
werden, so kann sie durch das Einspritzventil 8 direkt in den Reaktionsraum geführt
werden.
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Falls ein Katalyt angewendet wird, so kann er im Reaktionsraume 2
unten, wie in Abb. 3 gezeigt ist, untergebracht werden.
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Im Fall die Katalyten für ihre Wirkung eine bestimmte konstante Temperatur
besitzen müssen, so kann diese Temperatur leicht durch Anwärmung bzw. Abkühlung
der freiliegenden Wandungen des REeaktionsraumes 2 innegehalten werden. Müssen physikalische
Agenzien für die Ausführung gewisser Reaktionen angewendet werden, wie z. B. elektrische
Lichtbogen, Funkenstrecken usw., so können dieselben leicht imReaktionsraum vorgesehen
werden.
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Danktdem kompakten und freien Reaktionsraume können sich die reagierenden
Gase innig
mischen und in innigsten Kontakt mit den Katalyten kommen.
Da die Wandungen des Reaktionsraumes freiliegen, so können sie leicht von außen
erwärmt bzw. gekülilt werden. Die Erwärmung geschieht zweckmäßig durch direkte Beheizung
mittels Gasbrenner und die Abkühlung durch Wasserberieselung bzw. durch Verwendung
von Eis. Dadurch wird es möglich, den reagierenden Gasen große Wärmemengen in der
kurzen Zeit eines Rolbenhubes zu- bzw. abzuleiten.
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Eine noch bessere Erfüllung der obengenannten Forderungen kann erzielt
werden, wenn die reagierenden Gase gezwungen sind, in einem Strom durch den Reaktionsraum
zu fließen. Zu diesem Zwecke kann das Auspuffventil 4 hinter dem Reaktionsraum,
wie es in Abb. 2 gezeigt ist, angeordnet werden.
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In Abb. 2 wie auch in der unten beschriebenen Abb. 3 sind dieselben
Teile mit denselben Ziffern bezeichnet wie in Abb. I.
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Soll noch eine innigere Berührung zwischen den reagierenden Gasen
und den Katalyten erzielt werden, so kann ein besonderer Behälter 5 zwischen den
Reaktionsraum 2 und das Auspuffventil 4 eingebaut werden (Abb. 3). Dieser Behälter
5 besteht aus einem Ringe, in den der Katalyt hinter Drahtgeflecht 6 eingelegt ist
(Abb. 4). Dieser Behälter 5 kann auch vor dem Reaktionsraum eingebaut werden. Durch
den Einbau des Behälters 5 kann eine besonders gute Berührung der reagierenden Gase
mit den Katalyten gesichert werden, und außerdem wird das Auswechseln der Katalyten
erleichtert, da der Behälter selbst leicht auswechselbar ist.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise eines derartigen Kompressors soll
in folgendem die Ausführung einiger charakteristischer Reaktionen in demselben beispielsweise
beschrieben werden.
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I. Die Oxydation des Methylalkohols 5 z Formaldehyd Diese Oxydation
geschieht nach Formel: 2 CH3 # OH + O2 = 2 CH2O + 2 H2O.
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Diese exothermische Reaktion mit Vermehrung der Molekülzahl muß nach
Patent 389 294 bei fallender Temperatur und bei gleichzeitig fallendem Drucke ausgeführt
werden.
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Der Kompressor (Abb. I) saugt im Außengang (erster Takt) zu diesem
Zwecke Methylalkoholdämpfe durch das Einlaßventil 7 ein und verdichtet sie beim
Innengang (zweiter Takt) bis zu einem Drucke von etwa 15 Atm. Spannung und einer
Temperatur von etwa 5000 C. Um diesen Enddruck und Endtemperatur zu erzielen, ist
der Anfangsdruck und die Anfangstemperatur des Dampfes entsprechend gewählt. Zu
Anfang des Kolbenrückganges im dritten Takt wird Luft durch die Düse 8 mittels Uberdruck
in den Reaktionsraum eingeblasen. Dank der hohen Temperatur des Dampfes des Methylalkohols
wird seine Oxydation zu Formaldehyd eintreten.
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Das Fallen des Druckes infolge des Ganges des Kolbens nach außen und
das gleichzeitige Fallen der Temperatur infolge der Expansion des Gemisches und
auch infolge der Wasserberieselung der Wandungen des Reaktionsraumes wird diesen
Vorgang stark fördern und beschleunigen. Im vierten Takt werden die gebildeten Gase
durch das Auslaßventil 4 in einen Behälter geführt, wo der gebildete Formaldehyd
durch Wasserberieselung verflüssigt und ausgewaschen wird.
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Die Menge der in den Zylinder eingeführten Luft muß immer unter der
theoretischen nötigen Menge gehalten werden, damit eine vollständige Verbrennung
nicht eintreten kann.
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Bei einer solchen Ausführung der Reaktion werden Ausbeuten bis 400/o
erzielt, und zwar wie folgt: Der Gesamtraum des Kompressors betrug I51, von denen
der Hubraum 12 1 ausmachte. Der Anfangsdruck der angesaugten Methylalkoholdämpfe
betrug 2 Atm. und deren Temperatur etwa 200° C. In einem Saughube wurden ungefähr
25 g MethylaLkohol angesaugt. Die eingeblasene Luftmenge betrug etwa I20 g (93 1).
Etwa 40% von den Methylalkoholdämpfen waren zu Formaldehvd oxydiert.
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Der Kompressor machte 60 Umdrehungen pro Minute. Die Reaktionsdauer
betrug daher 1/2 Sekunde. Wird bei diesem Verfahren ein Katalyt (z. B. mit Silber
imprägniertes Asbest) gLeichzeitig angewendet, so kann die Ausbeute bis 7001, gesteigert
werden. Bei Ausführung des Verfahrens mit Anwendung eines Katalvts wird derselbe
im Reaktionsraum bei 3 (Abb. 2) oder, um eine innigere Berührung des Gemisches mit
den Katalyten zu erzielen, im Behälter 5 (Abb. 3), wie oben beschrieben, angeordnet.
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2. Die Ozonbildung Die Ozonbildung geschieht, wie bekannt, nach der
Formel 3°26 203 Die Reaktion ist folglich mit einer großen Verminderung der Molekülzahl
verbunden und ist stark endothermisch. Die vorhandenen Verfahren von Ozonbildung
führen diese Reaktion mit Hilfe von stillen elektrischen Entladungen aus, sie berücksichtigen
aber nicht die Verminderung der Molekülzahl und die Wärmebindung, welche stark hemmend
dabei einwirken. Wie es im Patent 389 294 erläutert
ist, muß diese
Reaktion bei steigendem Drucke und gleichzeitig bei steigender Temperatur ausgeführt
werden.
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Im Kompressor (Abb. í), der den Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ausmacht, ist diese Reaktion im Zweitakte folgendermaßen auszuführen: Im Reaktionsraum
2 ist eine Vorrichtung für stille elektrische Entladungen vorgesehen, der auf das
Innengas eine kräftige Wirkung ausüben kann. Der Kolben geht im ersten Takte nach
außen und saugt reinen Sauerstoff oder Luft aus einem besonderen Behälter an.
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Beim Rückgange des Kolbens (zweiter Taktj werden die Gase komprimiert.
Die Anfangstemperatur und der Anfangs druck der angesaugten Gase sind so gewählt
daß ohne Blerücksichtigung der Ozonbildung die Gase im Kompressor einen Endzustand
von etwa 600° C und eine Spannung von etwa 15 Atml. erreichen.
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Die Ozonbildung setzt diese Temperatur und diese Entspannung stark
herab. Wie im Patent 389 294 erläutert, muß eine kontinuierliche steigende Temperatur
und eine gleichzeitige kontinuierlich steigende Spannung die Bildung von Ozon stark
fördern und beschleunigen. Das kontinuierliche Steigen des Druckes wird bei diesem
Verfahren durch die Kompression des Sauerstoffes erzielt. Die gleichzeitige kontinuierliche
Steigung der Temperatur wird wie durch die Kompression des Sauerstoffes so auch
durch energisches Heizen der Ä\7andungen des Reaktionsraumes hervorgebracht. Wenn
der Kolben sich dem innern Totpunkt am Ende des zweiten Aktes nällert, öffnet sich
das Auslaßventil 7, und das gebildete Ozon tritt in die Luft- oder Wasserleitung
zu Reinigungszwecken oder wird für irgendwelche chemische Zwecke direkt verbraucht.
Der Kolben geht dann wieder nach außen und saugt von neuem Gas an.
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Es werden mit diesem Verfahren Ausbeuten bis 10% erreicht.
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Beispiel Der Gesamtraum des Kompressors betrug 151, von denen der
Hubraum I 2 1 ausmachte.
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Der Anfangsdruck des Sauerstoffes betrug etwa 2 Atin. und die Anfangstemperatur
2500 C. In einem Hub wurden vom Kompressor ungefähr 161 Sauerstoff (auf o° und I
Atm. zurückgeführt) aufgenommen, von denen etwa io' in Ozoi; übergingen.
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Der Kompressor machte 30 Umdrehungen pro Minute. Die Reaktionsdauer
betrug daher I Sekunde.
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3. Die Oxydation von SO zu SO Wie bekannt, wird diese Reaktion durch
die Einwirkung von Platin in Form von platiiliertem Asbest oder platinierten Tonkugeln
bewerkstelligt. Nach dem Patent 389 294 muß diese mit großer Verkleinerung der Molekül
zahl verlaufende, stark exothermische Reaktion unter den Druck erhöhenden, die Temperatur
aber erinedrigenden Einwfrkungen ausgeführt werden.
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Diese Reaktion soll in einem Kompressor (Abb. 3) nach der hier vorliegenden
Erfindung wie folgt ausgeführt werden.
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Der Katalyt, platiniertes Asbest oder platinierte Tonkugein, oder
ein anderer Katalyt wird zwischen den Drahtgeflechten 6 und auch unten in den Reaktionsraum
2 gebracht. Die Drahtgeflechte können auch aus Platindraht hergestellt werden. Der
Reaktionsraum wird während der Arbeit des Kompressors zwecks Abkühlung des bearbeiteten
Gemisches durch Wasserberieselung stark gekühlt.
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Der Kompressor saugt im Außengange ein Gemisch von SO und Luft an.
Dieses Gemisch ist so zusammengestellt, daß der vorhandene Luftsauerstoff 1,25 des
theoretisch nötigen ausmacht. Die Anfangstemperatur und der Anfangsdruck des Gemisches
sind so gewählt, daß ohne Kühlung und ohne Eintreten der Reaktion der Enddruck 20
Atm. und die Endtemperatur 5500 C beträgt.
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Beim Rückgang des Kolbens (zweiterTakt) wird das Gemisch komprimiert.
Wenn der Kolben 80% seines Hubes zurückgelegt hat, öffnet sich das Einspritzventil
8, und ein Strahl kalter Luft tritt mit einem Ueberdruck von etwa 10 bis 15 Atm.
in den Reaktionsraum. und zwar bis zum Ende des Kompressionshubes ein. Dieser Strahl
kalter Luft wird das Gemisch gut durchdringen und dasselbe in innigste Berührung
mit den Katalyten bringen.
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Dieser Strahl wird auch durch seine niedrige Temperatur und infolge
seiner Expansion die nötige kühlende Einwirkung während der Kompression auf das
Gemisch ausüben.
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Auch wird die Erhöhung der Konzentration des Sauerstoffes während
der Reaktion dieselbe fördern. Die Reaktion ist somit bei diesem Verfahren bei kontinuierlichen
Einwirkungen eines steigenden Druckes (dank der Kompression) und gleichzeitig bei
kontinuierlichen Einwirkungen einer Kühlung. die durch die Wandkühlung mit dem mit
Überdruck eintretenden kalten Luftstrahl hervorgebracht wird und gleichzeitig unter
Einwirkung einer steigenden Konzentration von Sauerstoff. wie es das Patent 389
294 erfordert, ausgeführt. Ist der Hub beendet (Ende des zweiten Taktes), so öffnet
sich das Auslaßventil. und das Gemisch verläßt den Zylinder, indem es den- Katalytenraum
5 passiert und nochmals in innigste Berührung mit den Katalyteuflächen kommt. Der
zurückgehende Kolben saugt dann neues Gemisch an, welches
wieder,
wie beschrieben, behandelt wird. Das so gewonnene SO3 (Ausbeute bis 90%) wird weiter
wie gewöhnlich behandelt.