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Ofen zur Umsetzung von Gasen oder Gasgemischen bei hohen Temperaturen
Die Umsetzung mancher Gase erfolgt erst bei hohen Temperaturen mit meßbarer Geschwindigkeit,
wobei zur Vermeidung der Rückumsetzung der gebildeten Gase eine rasche Abkühlung
der Reaktionsprodukte erforderlich ist. Diese läßt eine Erhitzung durch eine punktförmige
Heizquelle oft als das gegebene Mittel erscheinen. Es wurde deshalb ti. a. vorgeschlagen,
die Umsetzung der Gase im elektrischen Lichtbogen zu bewirken, wie z. B. die Bildung
von Stickoxyden nach dem Birkeland-Eyde-Verfahren oder die Bildung von Acetylen
aus Methan. Bei dem elektrischen Lichtbogenverfahren wirkt jedoch oft der Kohlenstoff
der Elektroden störend, auch ist die Abkühlung der Gase durch rasches Abführen aus
der Lichtbogenzone schwierig. Bei diesem Verfahren ist auch die Anwendung von Katalysatoren
unmöglich.
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Zur Vermeidung dieser Übelstände wird vorgeschlagen, das umzusetzende
Reaktionsgas oder Gasgemisch an einem durch hochfrequente Ströme erhitzten Körper
vorbei zu leiten, an dessen Oberfläche die gewünschte Umsetzung stattfindet. Die
Erhitzung von Kontaktkörpern durch hochfrequente Ströme bei katalytischen Reaktionen
ist zwar bekannt, ohne daß, jedoch geeignete Einrichtungen zur Durchführung dieserArbeitsweisebeschrieben
worden sind. Insbesondere fehlen solche Einrichtungen zur Umsetzung von Gasen, wie
von Methan in Acetylen und Wasserstoff, zur Herstellung von Ruß aus Methan, zur
Umsetzung von Stickstoff mit Methan zu Cyanwasserstoff und Wasserstoff, zur Oxydation
von Stickstoff mit Sauerstoff zu Stickoxyden und ähnlichen Reaktionen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Ofen zur Durchführung solcher Reaktionen,
bei denen das Reaktionsgas auf einen in an sich bekannter Weise durch Hochfrequenzstrom
erhitzten Metallkörper aufgedüst wird. Der erhitzte Metallkörper ist der Einlaßdüse
gegenüber angeordnet, wobei dessen Oberfläche so ausgebildet ist, daß das Reaktionsgas
unmittelbar nach dem Auftreffen gegen die gekühlten Wände des Ofenraumes abgeleitet
wird. In besonders vorteilhafter Weise wird zwischen der Hochfrequen.zheizspule
und der Ofenwand ein zur Aufnahme eines Kühlmittels dienender Raum vorgesehen. Zur
besseren Wärmeausnutzung kann das zur Reaktion zu bringende Gas durch den Kühlraum
geleitet werden, wobei es unter Kühlung des Reaktionsgemisches selbst vorgewärmt
wird. Zwecks Anpassung an die gemäß dem Massenwirkungsgesetz jeweils herrschenden
Reaktionsbedingungen kann der Ofen unter gewöhnlichem, erhöhtem oder vermindertem
Druck stehen.
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Die an sich bekannte Verwendung von Hochfrequenzheizung ermöglicht
es, dem Körper, an dessen Oberfläche die Umsetzung stattfindet, jede beliebige Gestalt
zu geben,
um dadurch die Berührungszeit der Gase beliebig variieren
zu können. Erforderlichenfalls kann dieser Körper bei entsprechenden Reaktionen
auch aus -einem den Vorgang katalytisch beschleunigenden Material hergestellt -werden.
Die Kühlung .des Gases nach der Reaktion kann außer-durch Wärmeaustausch mit dem
zur Reaktion zu bringenden Gas durch Wasserkühlung oder auf andere geeignete Art
und Weise erfolgen.
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Als Beispiel für den Einfluß der Erhitzungszeit und der Temperatur
auf den Gasumsatz sei die thermische Umsetzung von Methan in Acetylen und Wasserstoff
angeführt. Bei Temperaturen von 130o° und Erhitzungszeiten von 1/1o bis 1/1a0 Sek.
erhält man. im Endgase etwa 8 bis 1o °/o Acetylen, während bei Temperaturen von
250o bis 30ö0° und Erhitzungszeiten von 1/looon Sek. etwa 2/3 des angewandten Methans
in Acetylen umgesetzt werden können.
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Als Material für den. auf hoher Temperatur zu erhitzenden Körper wird
beispielsweise bei der Bildung von Acetylen aus Methan vorteilhaft Wolfram verwendet,
dessen Schmelzpunkt bei 3300° liegt, wobei man im Interesse der Reaktionsgeschwindigkeit
eine möglichst hohe Temperatur wählt.
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Zwecks Bildung von Ruß aus Methan wählt man den Metallkörper aus Eisen
und arbeitet bei einer Temperatur von iooo bis 120o°.
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Die Umwandlung von Methan in' Acetylen ist zwar bekannt, wurde jedoch
bislang nur im Laboratoriumsmaßstab mit Wolframdraht durchgeführt. Diese Einrichtung
ermöglicht es nicht, das Gleichgewicht einzufrieren, also die Gase rasch abzukühlen,
wie es bei der erfindungsgemäßen Einrichtung in besonders vorteilhafter Weise möglich
ist. Auch erfordert .die Verwendung von Draht, der elektrisch beheizt wird, eine
Einstellung der Erhitzungsdauer durch Änderung der Strömungsgeschwindigkeit, so
daß die Leistung des Apparates von den durch die Berührungsdauer bedingten Endprodukten
abhängt: Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Einstellung der Berührungsdauer
durch entsprechende Ausbildung des Prallkörpers, auf dem das Gas aufgedüst wird.
Außerdem steht dessen Größe in keinem Zusammenhang mit der erreichbaren Temperatur
im Gegensatz zu der Widerstandsheizung bei dem bekannten Laboratoriumsverfahren.
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Ausführungsformen des Ofens sind in den beiliegenden Abb. i und 2
im Schnitt dargestellt. 1o ist der Metallkörper, der durch hochfrequente Ströme
in den Ofenspulen 11, die Windungen aus Kupferrohr enthalten, das mit Wasser gekühlt
wird, auf beliebige Temperaturen erhitzt wird. Das -zur Reaktion gelangende Gas
wird durch das Rohr 12 zugeführt, umspült den Reaktionsraum 13, wobei es gleichzeitig
vorgewärmt wird und die Reaktionsgase abkühlt, und wird durch das Düsenrohr 14 auf
den Metallkörper aufgeblasen. Wählt man diesen Metallkörper aus einem die Reaktion
katalytisch beschleunigenden. Material, so erzielt man dadurch eine weitere Erhöhung
der Reaktionsgeschwindigkeit. Die Form .des Metallkörpers 1o kann auch eine beliebige
andere sein und ist den Reaktionsbedingungen anzupassen. Das Gas kühlt sich nach
der Reaktion durch die Berührung mit der durch das frische Gasgemisch gekühlten
Wandung 15 so weit ab, daß keine Rückumsetzung mehr stattfindet, und wird durch
das Rohr 16 abgeführt. In Abb. 2 ist eine Wasserkühlung des Reaktionsgases vorgesehen,
wobei der untere Teil des Reaktionsraumes 13 mit einem Wasserbad 17 umgeben ist.