DE497624C - Vorrichtung zur Durchfuehrung chemischer Reaktionen - Google Patents

Vorrichtung zur Durchfuehrung chemischer Reaktionen

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DE497624C
DE497624C DEB108272D DEB0108272D DE497624C DE 497624 C DE497624 C DE 497624C DE B108272 D DEB108272 D DE B108272D DE B0108272 D DEB0108272 D DE B0108272D DE 497624 C DE497624 C DE 497624C
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J3/00Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
    • B01J3/06Processes using ultra-high pressure, e.g. for the formation of diamonds; Apparatus therefor, e.g. moulds or dies
    • B01J3/08Application of shock waves for chemical reactions or for modifying the crystal structure of substances

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  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kompressor, der dieser Anforderung entspricht.
  • 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.
  • In der beiliegenden Zeichnung zeigt die Abb. I einen Kompressor für die Ausführung von chemischer Reaktion.
  • 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.
  • Falls ein Katalyt angewendet wird, so kann er im Reaktionsraume 2 unten, wie in Abb. 3 gezeigt ist, untergebracht werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In Abb. 2 wie auch in der unten beschriebenen Abb. 3 sind dieselben Teile mit denselben Ziffern bezeichnet wie in Abb. I.
  • 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.
  • Zur Erläuterung der Wirkungsweise eines derartigen Kompressors soll in folgendem die Ausführung einiger charakteristischer Reaktionen in demselben beispielsweise beschrieben werden.
  • I. Die Oxydation des Methylalkohols 5 z Formaldehyd Diese Oxydation geschieht nach Formel: 2 CH3 # OH + O2 = 2 CH2O + 2 H2O.
  • Diese exothermische Reaktion mit Vermehrung der Molekülzahl muß nach Patent 389 294 bei fallender Temperatur und bei gleichzeitig fallendem Drucke ausgeführt werden.
  • 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.
  • 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.
  • Die Menge der in den Zylinder eingeführten Luft muß immer unter der theoretischen nötigen Menge gehalten werden, damit eine vollständige Verbrennung nicht eintreten kann.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es werden mit diesem Verfahren Ausbeuten bis 10% erreicht.
  • Beispiel Der Gesamtraum des Kompressors betrug 151, von denen der Hubraum I 2 1 ausmachte.
  • 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.
  • Der Kompressor machte 30 Umdrehungen pro Minute. Die Reaktionsdauer betrug daher I Sekunde.
  • 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.
  • Diese Reaktion soll in einem Kompressor (Abb. 3) nach der hier vorliegenden Erfindung wie folgt ausgeführt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dieser Strahl wird auch durch seine niedrige Temperatur und infolge seiner Expansion die nötige kühlende Einwirkung während der Kompression auf das Gemisch ausüben.
  • 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.

Claims (2)

  1. P A T E N T A N S P R Ü C H E : I. Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen nach Patent 389 294, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den eigentlichen Kompressionsraum ein heiz-oder kühlbarer Reaktionsraum anschließt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem an dem Reaktionsraum angebrachten Auspuffventil (Abb. 3) ein mit Katalysatoren beliebiger Art beschickter Behälter angeordnet ist.
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