-
Einrichtung zum Erhitzen von Säuren durch elektrische Widerstandsheizung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erhitzen von Säuren durch elektrische
Widerstandsheizung mittels eines unmittelbar von der Säure umspülten Drahtes oder
Bandes.
-
Es ist bekannt, Wasser durch einen elektrischen Heizwiderstand zu
erhitzen, der unmittelbar mit dem Wasser in Berührung steht. Dieses Verfahren der
unmittelbaren Belleizung ist undurchführbar, wenn chemisch stark wirkende Flüssigkeiten,
wie Säuren oder Säuregemische (z. B. Königswasser), erhitzt werden sollen. Würde
man solche Flüssigkeiten unmittelbar mit den üblichen elektrischen Widerstandsstoffen
zu beheizen versuchen, so würden diese durch die Säuren äußerst schnell zerstört
werden.
-
Für solche Heizzwecke nun Heizwiderstände aus Edelmetallen (z. B.
Platin) zu verwenden, liegt nahe, jedoch wird hierbei infolge der Leitfähigkeit
der Säure ein gewisser Teil des Stromes durch die Säure fließen, entsprechend dein
durch die Säure gebildeten N ebenschluß. Dieser Stromteil geht für die Beheizun.g
der Säure verloren, und außerdem zersetzt er die Säure elektrolytisch in unerwünschter
Weise.
-
Außer den Edelmetallen sind Tantal, Niob und die Legierungen dieser
beiden Metalle bekannt durch ihre große Widerstandsfähigkeit gegenüber Säuren, die
zum Teil noch größer ist als die des hochwertigsten Edelmetalles, des Platins. So
löst z. B. kochendes Königswasser Platin auf, wogegen Tantal davon nicht angegriffen
wird. Es ist daher auch schon vorgeschlagen «-orden, Tantal und Niob für Elektroden
und Gefäße zu benutzen, wie sie die chemische Industrie gebraucht.
-
Auch ist vom Tantal bekannt, daß es, mit keramischen Stoffen zusammen
zu Heizstäben gepreßt, ein zur Verwendung bis zu 130o° C geeignetes Material darstellen
soll: es ist diesem Vorschlag jedoch kein praktischer Wert zuzuerkennen, da Tantal
nur im Vakuum oder in Anwesenheit von Edelgasen Temperaturen von über 50o° C ausgesetzt
werden kann.
-
Ferner ist vom Tantal bekannt, daß es, in einen geeigneten Elektrolyten
gebracht, eine Sperrwirkung für den elektrischen Strom besitzt. Die Sperrwirkung
beruht darauf, daß das Tantal als Anode sich mit nicht leitendem. Tantaloxvd überzieht;
sie ist aber nur für Spannungen bis etwa 30 Volt vorhanden; bei höheren Spannungen
wird die Gleichrichterschicht zerstört.
-
Nach den der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen ist das nicht
leitende Tantaloxyd auf der Anode nicht - wie angegeben wird - blau, sondern von
verschiedener Farbe, je nach der Schichtstärke, die ihrerseits wieder von der angelegten
Spannung
abhängig ist. Bei diesen Untersuchungen ergab sich weiter,
daß die Sperrwirkung sich auf eine höhere Spannung erstreckt, wenn . man sie nicht
zur Gleichrichtung von Wech-:: selstrom benutzt.
-
Werden zwei Tantalelektroden in eine leitende Flüssigkeit gebracht
und an eine Gleichstromquelle gelegt, so überzieht sich die Anode mit einer Schicht
von Tantaloxyd, deren Stärke der angelegten Spannung entspricht, während die Kathode
unverändert bleibt. Werden die Elektroden dagegen an eine Wechselstromquelle gelegt,
so überziehen sich beide Elektroden mit einer Tantaloxydschicht, deren Stärke dem
Scheitelwert der Wechselspannung entspricht; eine Gleichrichtung erfolgt nicht.
Bei dieser Anordnung fließt in beiden Fällen ein Strom nur eine kurze Zeit, nämlich
so lange, bis die entsprechende Tantaloxydschicht gebildet ist. Nur bei einer Erhöhung
der Spannung fließt wieder ein Strom, bis die dieser erhöhten Spannung entsprechende
Schichtstärke ausgebildet ist.
-
In beiden Fällen erfolgt keine Gleichrichtung, es kann darum an die
Elektroden eine wesentlich höhere Spannung als bei Gleichrichtern gelegt werden,
und zwar etwa aoo Volt gegenüber den nur etwa 30 Volt bei Gleichrichtung.
-
Auf Grund dieser Erkenntnis wurde nun ein Tantalheizdraht in eine
leitende Flüssigkeit gebracht. Wird an die Enden des Heizdrahtes eine Gleichspannung
gelegt, so bildet sich auf dem Heizdraht eine Oxydschicht verschiedener Stärke bzw.
Farbe, und zwar nimmt die Stärke von der Kathode zur Anode hin zu. In der Färbung
weist ein solcher Heizdraht dann einen allmählichen Übergang zwischen den einzelnen
Farbstufen auf.
-
Wird an einen solchen Tantalheizdraht dagegen eine Wechselspannung
gelegt, so ergibt sich eine Oxydschicht, die von der elektrischen Mitte des Heizdrahtes
nach beiden Enden zu stärker wird. Ein derartiger Heizdraht hat dementsprechend
von .der Mitte aus nach beiden Enden hin den oben geschilderten allmählichen Übergang
zwischen den einzelnen Farbstufen.
-
Auch in den beiden zuletzt geschilderten Fällen fließt ein Strom nur
eine kurze Zeit lang außerhalb des Heizdrahtes durch die Flüssigkeit, und zwar nur
so lange, bis die der angelegten Spannung entsprechende Oxydschichtstärke sich gebildet
hat.
-
Gemäß der Erfindung wird bei einer Einrichtung zur Erhitzung von Säuren
durch elektrische Widerstandsheizung mittels eines unmittelbar von der Säure umspülten
Drahtes oder Bandes ein Draht oder ein Band aus metallischem Tantal, Niob oder einer
Legierung dieser beiden Metalle. in dein die Flüssigkeit aufnehmenden Behälter angeordnet.
-
Diese Einrichtung bietet vielerlei Vorteile: Zunächst kann mit verhältnismäßig
geringem Aufwand von elektrischer Leistung eine nahezu beliebig hohe Erhitzung von
Säuren erreicht werden, da der aus Tantal, Niob oder deren Legierungen bestehende
Heizwiderstand bis nahezu auf Rotglut erhitzt werden kann und zwischen dem allseitig
von der Säure umspülten metallischen Heizwiderstand und der Säure ein inniger. Wärmeaustausch
erfolgt.
-
Weiterhin wird eine elektrolytische Zersetzung der Säure durch die
Entstehung einer den Stromdurchgang sperrenden Oxydschicht vermieden; außerdem kann
durch Berühren der Säurebehälterwandung oder der Säure selbst kein Unfall erfolgen,
da der Spannung führende Heizwiderstand durch die Oxydschicht von der Säure elektrisch
isoliert ist, wobei es noch von besonderem Vorteil ist, daß bei einer Beschädigung
der isolierenden Oxydschicht sich diese innerhalb weniger Sekunden von selbst wieder
bildet und daß überdies der Heizwiderstand vor seiner Inbetriebnahme mit einer höheren
Spannung als der späteren Betriebsspannung formiert, d. h. mit einer isolierenden
Oxydschicht versehen werden kann, wodurch die Unfallsicherheit noch weiter vergrößertwird.
Überdies geht keine elektrische Energie unnötig verloren, 'da die Säure infolge
der Oxydschicht keinen Nebenschluß bildet und der gesamte Strom somit durch den
Heizkörper fließt, und schließlich kann von dem Heizwiderstand sich nichts in der
erhitzten Säure lösen, da nur reines metallisches Tantal, Niob oder deren Legierungen
verwendet werden.
-
Die Ausbildung des Heizkörpers selbst und seine Anordnung innerhalb
des Gefäßes können in verschiedenster Weise erfolgen: Fig. i der Zeichnung veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf ein Durchlaufgefäß der üblichen
Bauart. Dieses besteht aus dem zylindrischen Teil i, dem Deckel a und dem Boden
3. Der zylindrische Teil i trägt die Stutzen 4. und q.' für den Zu- und Ablauf der
zu erhitzenden Flüssigkeit. Die Stutzen 5 und 6 sind für die Einleitung der Stromzuführungen
bestimmt. Die vorerwähnten Teile bestehen aus einem Eisenmantel ? und einer Auskleidung
von säurefestem Material ß (Steingut o. dgl.). Der aus Tantal oder Niob oder einer
Legierung dieser beiden Metalle bestehende Heizdraht wird von einer oder mehreren
Platten g aus Steinzeug o. dgl. getragen, die auch gleichzeitig, wie aus dem- eingezeichneten
Strömungsverlauf hervorgeht, als Trennwände
dienen, um die durchströmende
Flüssigkeit an den Heizkörpern entlang zu führen. Der eigentliche Heizdraht io wird
in geeigneter Weise, z. B. durch Drahtklammern gleichen Stoffes, auf den Tragplatten
beidseitig befestigt.
-
Fig. 2 zeigt eine der Tragplatten von oben gesehen, und zwar stellt
io das zickzackförmig verlaufende Heizband bzw. die Heizwendel dar. i i ist die
Bohrung, durch die die Flüssigkeit hindurchtritt.
-
Die Stromzuleitungen 12 bestehen zweckmäßig aus dem gleichen Material
wie der Heizdraht. Zur Herbeiführung einer einfachen flüssigkeitsdichten Einführung
empfiehlt es sich, den Stromzuführungen 12 einen runden oder rohrförmigen Querschnitt
zu geben und, wie dargestellt, durch eine Stopfbüchse z. B. in Gestalt einer säurefesten
Packung 13 und einer Verschraubung 14 abzudichten.