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Vorrichtung zur Durchfiihrung von Reaktionen zwischen schmelzflüssigen
Stoffen und Gasen In der Technik liegt vielfach die Aufgabe vor, geschmolzene Stoffe
bei höheren Temperaturen mit Gasen zur Reaktion zu bringen.
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Bei der Behandlung von Stoffen, die bereits bei gewöhnlider Temperatur
als Flüssigzeiten vorliegen, ist es üblich, die Reaktion durch Qberfläcllenentwicklung
etwa in einem Rieseltunn 0. dgl. zu beschleunigen und zu erleichtern. Bei Schmelzflüssen
hat man sich jedoch im allgemeinen bisher damit begnügen müssen, die an der Umsetzung
beteiligten Gase in die Schmelzflüsse einzuleiten.
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Man hat auch bereits versucht, das Prinzip der Oberflächenentwicklung
auf erst bei höheren Temperaturen schmelzende Stoffe zu übertragen. Bei endothermen
oder nur schwach exothermen Reaktionen entsteht aber dabei die Aufgabe, die für
die Aufrechterhaltung der Reaktion erforderliche Wärme zuzuführen, was insbesondere
dann Schwierigkeiten bereitet, wenn die für die Reaktion günstigen Temperaturen
an einen verhältnismäßig engen Bereich gebunden sind, da gleichzeitig eine sorgfältige
Regelung der zugeführten Wärmemengen notwendig ist. Eine Wärmezuführung von außen
ist vielfach deshalb unmöglich, weil die an der Reaktion beteiligten Stoffe gut
wänneleitende, also insbesondere metallische G.efäßbaustoffe blei den in Frage kommenden
Temperaturen meist stark angreifen und die Verwendung von keramischem Material für
eine Wärmeiibertragung praktisch nicht in Frage kommt.
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Es ist daher auch schon vorgeschlagen worden, die erforderliche Wärmemenge
bei derartigen Reaktionen durch elektrische Widerstandsheizung von innen zuzuführen,
indem man einen durch geeignete Vorrichtungen zugeführten elektrischen Strom durch
die Füllkörper der Rieselschicht leitet, für die in diesem Falle Koks 0. dgl. verwendet
wurde. Dabei erweist es sich aber aus wärmeökonomischen Überlegungen als zweckmäßig,
nicht nur die Beheizung der Rieselschicht gleichmäßig und leicht regelbar zu gestalten,
sondern auch das in flüssigem Zustande zur Reaktion zu bringende Gut in festem Zustand
oberhalb der Rieselschicht in den Ofen einzuführen, wobei sich bezüglich der Beheizung
die weitere Aufgabe ergibt, in einem und demselben Ofen sowohl die Vorwärmung des
Beschickungsgutes bis zur Erreichung der Schmelztemperatur als auch die Schmelzwärme
selbst
oberhalb der Rieselschicht zuzuführen und unabhängig hiervon die Rieselschicht in
der für die Reaktion günstigsten Weise zu beheizen. In den meisten Fällen wird im
oberen Teil des Ofens zur Vorwärmung und zum Schmelzen des Reaktionsgutes eine höhere
Energie notwendig sein als innerhalb der Rieselschicht, da dort in der Regel in
erster Linie nur die Abstrahlungsverluste auszugleichen sind. In anderen Fällen
liegt ein leicht schmelzendes Reaktionsgut vor, das bei wesentlich iiber der Schmelztemperatur
liegenden Temperaturen innerhalb der Rieselschicht mit den aufsteigenden Gasen zur
Reaktion gebracht werden soll, so daß hier die Verteilung der zuzuführenden Wärme
umgekehrt ist. Diese doppelte Aufgabe ist aber durch die einfachen, bisher zu diesem
Zweck bekannten Vorrichtungen nicht zu lösen.
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Gemäß vorliegender Erfindung wird durch eine zweckentsprechende Anordnung
von Elektroden in einem in seinem unteren Teil mit Rieselkörpern ausgesetzten Ofen
die Möglichkeit gegeben, die Verteilung der zugeführten elektrischen Energie vollständig
den jeweils vorliegenden Verhältnissen anzupassen.
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Dies wird dadurch erreicht, daß im Ofen drei Stromzuführungen bzw.
Zuführungsgruppen angeordnet sind, wobei durch ihre Verteilung im Ofen und ihren
Abstand untereinander die Stromdichte den besonderen jeweils vorliegenden Verhältnissen
angepaßt wird.
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In der Zeichnung ist eine zweckmäßige Ausführungsform im Schnitt
wiedergegeben.
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In einem mit feuerfester Mauer versehenen Schachts befindet sich eine
aus einem geeigneten Widerstandsmaterial (Kohle, Koks o. dgl.) bestehende Rieselschicht
r. Dieser Rieselschicht wird der Strom vermittels der Elektroden a, bl, b2 und c
von einem Drehstromtransformator zugeführt. bt und b2 sind an ein und dergleichen
Phase angeschlossen, während a und- c jeweils von einer der beiden anderen Phasen
gespeist. werden. Die Elektroden b1 und b2 sind so artgeordnet, daß die Strombahn
nach c kürzer ist als nach a.
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Der obere Teil des Ofens dient zur Aufnahme und zur Vorwärmung des
Beschikkungsgutes g. e ist ein Abzug für die während der Reaktion entstehenden Gase,
f eine B eschickungsöffnung, h ein Zuleitungsrohr für die gasförmigen Reaktionskomponenten,
die durch die Rieselschichtr der geschmolzenen Reaktionskomponente entgegensteigt,
während I eine Öffnung zum Abstich des flüssigen Reaktionsproduktes darstellt.
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Durch diese Anordnung der Elektroden kann man die Verteilung der
zugeführten elektrischen Energie vollständig den jeweils vorliegenden Verhältnissen
anpassen. Wenn beispielsweise in dem oberen Teil des Ofens zur Vorwärmung und zum
Schmelzen des Reaktionsgutes eine höhere Energiezufuhr notwendig ist als. innerhalb
der Rieselschicht, so läßt sich durch Einbau eines Widerstandes in der an Elektrode
a angeschlossenen Phase die Stromverteilung innerhalb des Ofens genau auf die notwendigen
Temperaturen einstellen. Liegt jedoch ein leicht schmelzendes Reaktionsgut vor,
das bei wesentlich über der Schmelztemperatur liegenden Temperaturen innerhalb der
Rieselschicht mit dem aufsteigenden Gas zur Reaktion gebracht werden soll, so wird
man zweckmäßig die Elektrode b etwas tiefer anordnen und durch Einbau eines Widerstandes
in der an Elektrode c angeschlossenen Phase dafür sorgen, daß die Hauptmenge der
zugeführten Energie zwischen a und b eintritt.
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Selbstverständlich läßt sich die Anordnung der Elektroden noch in
mancher Weise zweckentsprechend gestalten. Von grundsätzlicher Bedeutung ist jedoch,
daß durch die Anordnung die Möglichkeit gegeben wird, Reaktionen zwischen Gasen
und .Schmelzflüssen in großer Oberflächenentwicklung durchzuführen, ohne daß eine
elektrische Isolierung des Reaktionsgutes von den Heizelementen notwendig ist, im
Gegensatz beispielsweise zu Kohlegrießöfen, bei denen auf eine derartige Isolierung
nicht verzichtet werden kann : Von den sonst vielfach verwendeten elektrischen Schmelzöfen
andererseits unterscheidet sich die Anordnung gemäß Erfindung im wesentlichen dadurch,
daß nicht das Schmelzgut selbst, sondern ein an der Reaktion nicht beteiligter Stoff,
nämlich die Rieselkörper, als Stromträger dient. Erst hierdurch wird gleichzeitig
mit der Beheizung auch die Ent wicklung der Oberfläche des Schmelzgutes ermöglicht.
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Die Vorrichtung läßt sich für zahlreiche chemische Reaktionen zwischen
geschmolzenen Stoffen und Gasen verwenden. Als Beispiel seien erwähnt die Reduktion
von Natriumcyanat zu Natriumcyanid mit Hilfe von Kohlenoxyd (vgl. Patent 485 184)
oder die bekannte Überführung von Metalloxyden in die entsprechenden geschmolzenen
wasserfreien Chloride mit Hilfe von Chlor in Gegenwart von Reduktionsmitteln. Ein
weiteres Beispiel, die Herstellung von wasserfreiem Natriumsulfid aus Natriumsulfat
betreffend, wird im nachfolgenden näher ausgeführt.
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Beispiel Als Reaktionsgut dient ein Gemenge von 90 Teilen Natriumsulfat
und 10 Teilen Koks oder Holzkohle. Dieses wird auf die Rieselschicht
aufgeschüttet.
An der Berührungsstelle findet infolge der durch den Strom eintretenden Erhitzung
der als Unterlage dienenden Kohlebettung die Reaktion Na.SO4tC ----> Na, s03
+ co36, 8 cal (I) statt. Das gebildete Natriumsulfit schmilzt sehr leicht und fließt,
mit Teilen nicht umgesetzten Natriumsulfats und Kohle vermischt, über die Rieselkörper
ab. Durch den Gasstutzen wird konzentriertes Kohlenoxyd in den Ofen eingeführt.
Es findet dann innerhalb der Rieselschicht sehr rasch die Umsetzung Na2SO3 + 3CO
- # Na2S + 3CO2 -67,9 cal (2) -statt, sofern die Temperatur der Rieselkörper auf
800 bis goo0 gehalten wird.
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-Beide Reaktionen sind stark endotherm.
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Zur Reaktion 1 ist außerdem die Schmelzwärme von etwa 6 bis 7 callMol
aufzubringen.
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Trotzdem ist die Reaktion 2 stärker endotherm, es bedarf also zur
raschen Durchführung dieser Reaktion einer größeren Wärmezufuhr. Dies geschieht
mit Hilfe der Vorrichtung dadurch, daß man durch Einschaltung eines Widerstandes
vor Elektrode c einen größeren Anteil des Stromes zwischen a und bj, b2 übergehen
läßt.
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Es betrage beispielsweise die Gesamthöhe des Schachtes 3 m, die mit
Rieselkörpern aus Kohle beschickte Höhe dagegen etwa 2 m und die lichte Breite des
Schachtes an der Eintrittsstelle der ElektrodenbL, b2 etwa I, 20m Durchmesser, der
Schicht etwa a,50 m und die Korngröße der Rieselkörper etwa 30 bis 40 mm. Unter
diesen Bedingungen werden die Elektroden a bzw. bt und b2 an zwei Phasen eines Transformators
mit einer Phasenspannung von 25 Volt unmittelbar angeschlossen, während die Elektrode
c iiber einen regulierbaren Kohlewiderstand an die dritte Phase des gleichen Transformators
angeschlossen wird. Der Widerstand wird so einreguliert, daß die Elektrode c nur
etwa 900 Ampere aufnimmt, während zwischen a und bt, b2 ein Strom von etwa I300
bis I400 Ampere fließt.
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Zu Beginn der Umsetzung wird durch Verringerung des Widerstandes vor
c eine höhere Stromstärke durch c geleitet, um die Vorwärmung des Gutes g und die
Einleitung der Reaktion zu erleichtern.
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Verfahren, in denen die Verwendung von mehreren Elektroden gegebenenfalls
im unmittelbaren Anschluß an die drei Phasen eines Drehstroms vorgesehen ist, sind
bereits bekannt. Dort handelt es sich aber stets darum, ein Reaktionsgemisch oder
eine Flüssigkeit gleichmäßig und unmittelbar infolge ihres eigenen Widerstandes
beim Stromdurchgang zu beheizen. Die vorliegende Erfindung löst -dagegen das Problem,
die Wärmezufuhr zu den beiden Zonen des Ofens, von denen die obere der Schmelzung
des Reaktionsgemisches und die untere der Umsetzung der flüssigen Phase mit einem
gasförmigen Medium dient, in regelbarer Weise zu beeinflussen, wobei die den beiden
Zonen zuzuführenden Wärmemengen im allgemeinen verschieden sein werden. Ein weiterer
Unterschied gegenüber den bekannten Vorrichtungen ist darin zu erblicken, daß gemäß
der Erfindung in der unteren Zone des Ofens, in der sich die eigentliche Reaktion
abspielt, nicht der Leitungswiderstand der flüssigen Phase für die entwickelte Wärmemenge
bestimmend ist, sondern der Widerstand der in dieser Zone eingebauten Rieselkörper.