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Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen mit Hilfe elektrischer
Entladungen Die vorliegende Erfindung betrifft die Durchführullg chemischer Reaktionen
zwlschen Gasen. Dämpfen, Nebeln von festen oder flüssigen Stoffen usw. mit Hilfe
elektrischer Entladungen, z. B. Lichtbögenglimmentladungen usw., wobei, insbesondere
beim Arbeiten mit großen Einheiten, die Bewegung der den elektrischen Entladungen
ausgesetzten Stoffe durch besondere Ausgestaltung der Apparatteile von den sonst
immer vorhandenen turbulenten Nebenströmungen weitgehend befreit wird, so daß eine
praktisch reine Parallelströmung entsteht. Dies wird dadurch erreicht, daß man die
zu behandelnden Stoffe unmittelbar vor ihrem Eintritt in den Bereich der Entladung
durch Räume von solcher Form und solchen Ausmaßen leitet, daß die turbulenten Neben
strömungen praktisch vernichtet werden. silan war bisher stets bestrebt, den Weg
der Gase usw. von ihrem Eintritt in die Entladungsvorrichtung, z. B. den Lichtbogenofen,
bis zum Eintritt in die elektrische Entladung selbst möglichst kurz zu machen. Hierbei
sind aber sämtliche Strömungen der Gase usw. stets von turbulenten Nebenströmungen
überlagert, die zu mannigfachen Störungen während der Realtion Veranlassung geben.
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Z. B. entstehen bei der Verarbeitung von kohlenwasserstoffhaltigen
Gasen nachteilige Drucksteigerungen, welche nicht erwünschte weitere ITmsetzungen
der entstandenen Reaktionsprodukte, insbesondere unter Rußbildung, zur Folge haben.
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Die Vermeidung turhulenter Nebenströmungen wird gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch erreicht, daß man die zu behandelnden Stoffe vor der Behandlung
durch einen oder mehrere der Entladung unmittelbar vorgeschaltete, mit dem Entladungsraum
koaxiale Räume leitet, die von je zwei- Flächen mit einer knicklosen geometrischen
Erzeugenden, die zur Achse der Entladung senkrecht oder im Sinne der Gasbewegung
im Lichtbogen geneigt sind, begrenzt werden, deren jede mehr als das Zehnfache des
Ouerschnittes des zylindrischen oder schwach konischen Entladungsraumes beträgt.
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Der zur Beseitigung der Turbulenz gemäß vorliegender Erfindung dem
Bereich der Entladung vorgeschaltete Raum bzw. Räume kann von mannigfacher Gestalt
sein; einige Ausführungsbeispiele sind in Abb. 1, 2, 3 und 4 dargestellt. In allen
Abbildungen bedeutet L den eigentlichen Entladungsraum, E und E' die Elektroden,
R den zur Beseitigung der Turbulenz vorgeschalteten Raum, F dessen Wände. In Abb.
I ist eine Vorrichtung dargestellt, wobei der der Entladung unmittelbar vorgeschaltete
Raum R von mindestens einer senkrecht zur Entladungsachse stehenden Fläche; von
mehr als dem vierfachen.
zweclimäßig mehr als dem zehnfachen Flächeninhalt
des Querschnitts des schwach konischen oder (wie in der Abbildung) zylindrischen
Entladungsraumes begrenzt wird.
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In den Abb. 2 und 3 besitzt der vorgeschaltete Raum eine konische
oder geschweifte, mit dem Entladungsraum koaxiale Form.
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Wie aus Abb. 4 ersichtlich ist, lassen sich auch mehrere derartige
Vorrichtungen längs des Entladungsraumes anbringen; hierbei ist durch richtige strömungstechnische
Gestaltung der Zutrittsöffnungen, Düsen o. dgl. dafür zu sorgen, daß bei der Vereinigung
der Gasströme nicht etwa neue Turbulenzerscheinungen auftreten.
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Besonders bei den Vorrichtungen gemäß Abb. I und 2 nähern sich die
einzelnen Teilchen des Gases der Entladungszone nicht radial, sondern in einer Spiralenbewegung,
wie es an analogen Fällen vielfach bekannt ist (z. B. Leerlaufen eines großen Flüssigkeitsbehälters
durch eine mit Rohranschluß versehene Bodenöffnung). Es ist leicht einzusehen, daß
durch diese Spiralenbewegung erstens der Richtungswechsel, den die Teilchen beim
Eintritt in die Entladungszone erfahren, bis zur Unmerklichkeit gemildert wird und
daß zweitens keinerlei Zusammenprall verschiedener Teilströmungen möglich ist.
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Diese regelmäßige, spiralige bzw. innerhalb der Entladungszone schraubenartige
Bewegung der Gase mit einem durch die Ofenabmessungen jeweils scharf definierten
Krümmungsradius darf nicht mit den gemäß der Erfindung zu vermeidenden turbulenten
Nebenströmungen verwechselt werden. Letztere nämlich sind ganz unregelmäßig, und
wenn man die Bahn eines bestimmten Teilchens herausgreift, von stets wechselndem,
meist aber kleinem Krümmungsradius im Vergleich zu den Ofenabmessungen; insbesondere
kann oft die Richtung dieses kleinen Krümmungsradius gerade entgegengesetzt der
des Ofenradius sein. Falls sie nicht ausdrücklich vermieden ist, ist diese wirr
durcheinandergehende Turbulenz der regelmäßigen, spiraligen oder schraubigen Hauptströmung
als Feinstruktur überlagert, so etwa, wie beim Fließen eines trüben Mediums sich
die Brownsche Bewegung der regelmäßig fortschreitenden überlagert.
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Es ist schon bekannt, die dem Lichtbogen auszusetzenden Gase vor
dem Eintritt in die Entladung durch große Sammelräume zu Ieiten; diese vermögen
aber nicht die von uns beanspruchte Wirkung auszuüben, da die Art der Weiterleitung
der Gase in den Lichtbogen, z. B. durch Systeme von Ringspalten oder unregelmäßig
poröse Wände, bei technischen Durchsatzmengen notwendig Veranlassung zur Entstehung
neuer Turbulenz gibt. Bei anderen bekannten Vorrichtungen und Verfahren, die an
sich die Möglichkeit zu einer Durchbildung im Sinne der vorliegenden Erfindung gäben,
wie z. B. die Benutzung eines Hilfsgasstromes, der den reagierenden umhüllt, sind
schroffe Richtungswechsel des reagierenden Gasstromes und erhebliche tote Räume
nicht vermieden, so daß wiederum störende Turbulenz auftritt.
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Die Wirkung der Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung äußert
sich für das Auge darin, daß z. B. der Lichtbogen völlig ruhig in der Achse brennt
und die in Abb. I beispielsweise gezeichnete regelmäßige Gestalt annimmt, während
er bei Lichtbogenöfen bekannter Art unruhig aus der Achse herausschwingt und seine
Umgrenzung unregelmäßig und zerfiattert ist. tiberraschenderweise lassen sich durch
derartige, rein strömungstechnische Maßnahmen aber technisch äußerst wertvolle Wirkungen
erzielen. - Einerseits läßt sich die Energieaufnahme der Entladung günstiger gestalten,
und andererseits lassen sich die chemischen Vorgänge dadurch beeinflussen.
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Beim Arbeiten mit Vorrichtungen gemäß vorliegender Erfindung steigt
die aufgenommene elektrische Energie, wobei sich die Spannung erhöht, bei gleichzeitigem
Sinken der Stromstärke. Es ist dabei gleichgültig, mit welcher Stromart man arbeitet;
die Erscheinung tritt sowohl bei stehendem Gleichstrom, pulsierendem oder zerhacktem
Gleichstrom oder gleichgerichtetem Wechselstrom als auch bei Wechselstrom der verschiedensten
Frequenzen und Kurvenformen auf.
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Speist man die Entladung, z. B. den Lichtbogen, mit Wechselstrom,
gegebenenfalls unter Gleichrichtung, so verbessert sich außerdem der Leistungsfaktor.
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Weiter sinkt der Energieverbrauch je Kilogramm entstandenen Reaktionsproduktes
merklich.
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Auch bei der Verwendung von Vorwärmung der zu behandelnden Stoffe
verschlechtern turbulente Bewegungen den Vorwärmeeffekt, so daß dieser bei etwa
5000 C Vorwärmetemperatur nur etwa 5 01o beträgt. Im vorliegenden Falle läßt sich
aber bei derselben Vorwärmetemperatur ein Effekt von IO 0/, und mehr erzielen, wodurch
der Energieaufwand für das herzustellende Produkt, z. B. Acetylen aus Methan im
Lichtbogen, merklich verringert wird.
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Ferner wird z. B. bei der genannten Reaktion ein vorher vorhandener
Zerfall von Kohlenwasserstoffen in Ruß und Wasserstoff verhindert.
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Endlich wird die Bildung von nicht gewünschten Reaktionsprodukten
zugunsten von erwünschteren zurückgedrängt. So wird bei-