-
Verfahren und Vorrichtung für die elektrothermische Zersetzung kohlenstoffhaltiger
Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrothermischen
Zersetzung kohlenstoffhaltiger Flüssigkeiten mit Hilfe eines zwischen zwei Elektroden
innerhalb der Flüssigkeit übergehenden Wechselstromlichtbogens.
-
Wechselstrom ist bekanntlich für die Durchführung derartiger thermischer
Zersetzungsvorgänge besser geeignet als Gleichstrom, was in erster Linie auf das
durch das abwechselnde Zünden und Erlöschen des Bogens verursachte Pulsieren des
Wechselstromlichtbogens zurückzuführen ist, wodurch das Einströmen der zu ,zersetzenden
Flüssigkeit in die Bogenzone und das Entfernen der Zersetzungsprodukte aus dieser
Zone begünstigt wird. Die bisher mit Wechselstrom erzielten Ergebnisse waren jedoch
nicht vollkommen zufriedenstellend, da das abwechselnde Auslösen und Zünden des
Bogens so schnell vor sich geht, daß bei Zündung eines neuen Bogens in dem in der
Bogenzone vorhandenen flüssigen Medium noch eine erhebliche Menge der Zersetzungsprodukte
von dem vorhergehenden Bogen vorhanden ist, selbst dann, wenn die Flüssigkeit in
der Umgebung des Bogens kräftig und schnell durchgerührt wird. Dies ist von Nachteil,
weil der neue Bogen erneut in erheblichem Ausmaße auf diese Zersetzungsprodukte
unter erheblicher Verschlechterung deren Beschaffenheit einwirkt. So verliert der
Ruß, der erstmalig in der Flüssigkeit in feiner und gleichmäßiger Verteilung gebildet
war, die für seine Verwendung als Zusatz zu Kautschuk und als Pigment in Tinten
und Farben geschätzten Eigenschaften bei wiederholter Einwirkung des Lichtbogens
in erheblichem
Maße, z. B. infolge von Agglomerierungsvorgängen.
-
Ein weiterer mit der Anwendung von Wechselstrom nach bisher bekannten
Verfahren verbundener Nachteil besteht darin, daß die aufgewendete elektrische Energie
nicht in befriedigendem Maße ausgenützt wird; denn die zur Einwirkung auf Zersetzungsprodukte,
z. B. den ursprünglich erzeugten Ruß, oder auf gasförmige Produkte aufgewendete
elektrische Energie geht zum größten Teil nutzlos verloren. Unzureichend sind auch
die bei den bekannten Verfahren angewendeten Mittel für das Kühlen und die Flüssigkeitszufuhr
zu den Elektroden zwischen den aufeinanderfolgenden Bogenentladungen. So ist die
Abscheidung von Kohle auf den die Bogen erzeugenden Elektroden mindestens zum Teil
auf örtliche Überhitzungen zurückzuführen. Es ist beispielsweise bekannt, daß der
Kohlenstoff die Nei= gung hat, sich auf den Elektrodenflächen niederzuschlagen,
wenn diese beim Übergehen des Lichtbogens nicht durch die ursprüngliche Flüssigkeit
oder flüssige Zersetzungsprodukte derselben feucht gehalten werden, so daß sie mit
hohen, der Bogentemperatur angenäherten Temperaturen auf die kohlenstoffhaltige
Flüssigkeit _ oder die Dämpfe zur Einwirkung gelangen.
-
Durch die- Erfindung werden diese Nachteile vermieden, was im wesentlichen
dadurch erreicht wird, daß sich eine feste und eine bewegliche Elektrode eine Zeitlang
in einer die Lichtbogenbildung ermöglichenden Entfernung gegenüberstehen und danach
wälirend einer Zeit, die zum Entfernen der Zersetzungsprodukte aus der Lichtbogenzone
sowie zum Kühlen und Benetzen derElektroden ausreicht, sich in einer die Lichtbogenbildun2u
ausschließenden Lage zueinander befinden. Vorzugsweise wird die bewegliche Elektrode
im Svnchronismus mit dem Wechselstrom bewegt, wobei sich die Elektroden während
etwa der einen Hälfte einer jeden Periode des Wechselstroms in einer den Cbergang
des Bogens ermöglichenden und während etwa der anderen Hälfte der Periode in einer
die Lichtbogenbildung ausschließenden Lage zueinander befinden. Auf diese Weise
wird zwischen je zwei Bogenentladungen eine praktisch vollständige Entfernung der
.bei der ersten Entladung gebildeten Zersetzungsprodukte aus der Zone des Lichtbogens
und eine genügende Kühlung und Befeuchtung der wirksamen Elektrodenoberflächen ermöglicht.
-
Die Geschwindigkeit der :beweglichen Elektrode kann mit der Periode
des Wechselstromes so abgestimmt werden, dafa die Elektroden beim Durchschreiten
des Nullwertes des Strompotentials zur Bildung des Lichtbogens zusammengeführt und
:bei:m Durchschreiten des nächsten Nullwertes des Strompotentials wieder voneinander
getrennt werden. Bei dem nächsten Nullwert kommen die Elektroden zur Lichtbogenbildung
wieder zusammen und so fort.
-
Zweckmäßig werden in demselben Gehäuse mehrere Paare der Elektroden
verwendet, so daß der elektrische Strom voll ausgenutzt werden kann. So kann der
Übergang des Lichtbogens abwechselnd zwischen einander zugehörigen Elektroden zweier
Paare derart erfolgen, daß bei dem einen Paar ein Stromübergang stattfindet, während
bei dem anderen Paar die Lichtbogenbildung durch Trennung der Elektroden während
einer gewissen Zeit voneinander ausgeschlossen ist. In der nächsten Halbperiode
des Stromes ist dann die Arbeitsweise der Elektroden umgekehrt. Während der den
Stromübergang ausschließenden Lage der Elektroden ,können die bei den vorhergehenden
Stromübergängen gebildeten Zersetzungsprodukte aus der Lichtbogenzone entfernt und
die Elektroden durch die umgebende Flüssigkeit wieder gründlich befeuchtet und gekühlt
werden. In der Zeichnung ist beispielsweise eine zur Ausübung dieses Verfahrens
geeignete Vorrichtung dargestellt, und zwar in Abb. i in einem Vertikalschnitt und
in Abb. 2 in einem Schnitt nach a-.a der Abb. i.
-
Es bedeutet darin i das Gehäuse der Reaktionskammer mit Füßen 2, die
mit Ansätzen 3 am Boden der Reaktionskammer verschraubt sind. 4 ist eine abnehmbar
an einer seitlichen Öffnung des Gehäuses i durch Schrauben 5 befestigte Verschlußplatte.
Die Elektrodenanordnung besteht aus zwei fest angebrachten halbringförmigen Elektroden
6 und zwei beweglichen Elektroden io. Die letzteren sind vermittels Klammern 9 an
dem äußeren Ende des radialen Armes 8 je eines drehbaren Elektrodenhalters 7 befestigt.
Die Halter 7 sind mit Stiften 12 übereinander in entgegengesetzter Richtung auf
einer gemeinsamen Vertikalwelle i i befestigt. Die Halbringelektroden 6 sind derart
übereinander angebracht, daß sich während jeder halben Drehung der Welle i i die
Zündfläche 6" für den elektrischen Bogen der einen der genannten Elektroden in Zündstellung
zu der zugehörigen beweglichen Elektrode io und die Zündfläche 6, der anderen
Halbringelektrode in Nichtzündstellung zu der Zündfläche der anderen Elektrode befindet,
während dies Verhältnis nach einer halben Umdrehung der Welle i i das umgekehrte
ist.
-
Die oben und unten in Lagern 13 und 14 des Gehäuses i geführte und
mit ihrem oberen,
durch die Stopfbüchse 1 § abgedichteten Ende iia
aus dem Deckel des Gehäuses i herausragende Welle i i kann vermittels der Vorrichtung
16 -in ihrer Höhenlage verstellt werden, wodurch die Entfernung zwischen den einander
gegenüberliegenden Elektroden nach Wunsch geregelt werden kann. Der Antrieb der
Welle i i kann auf beliebige geeignete Weise erfolgen, z. B. vorteilhaft vermittels
eines nicht gezeichneten Synchronmotors derart, daß die Drehung synchron mit dem
den Lichtbogen erzeugenden Wechselstrom verläuft.
-
Die feststehenden Elektroden sind in der Reaktionskammer i so angebracht,
daß ihre Zündoberflächen ,6a in Ebenen liegen, die parallel zu den Ebenen sind,
in denen sich die beweglichen Elektroden io bei der Drehung der Welle i i bewegen.
Die bogenförmigen Elektrodentragplatten 21 sind auf den Tragisolatoren i9 durch
Schrauben befestigt, die durch die Ansätze 2o dieser Platten hindurchgehen. . Die
abnehmbaren Halbringe 17 haben an ihren Enden erhöhte Ränder 1ä als Anlagen für
die 'halbringförmigen Elektroden 6. Durch Kopfschrauben 22 können die Enden dieser
Elektroden gegen die Endteile 18 gepreßt werden, wodurch die Elektroden in den Halbringen
17 festgehalten werden. Nach innen hervortretende geschlitzte Ansätze 23 an den
Halbringen 17 werden an den Ösen 2o mit Bolzen oder Schrauben auf der gebogenen
Unterlage 21 befestigt, wodureh die Entfernung der Elektroden 6 zusammen mit den
Halbringgliedern 17 erleichtert ist. Wie aus den Abbildungen ersichtlich, sind die
verhältnismäßig dünnen, stabförmigen Elektroden io nach unten gegen die gegenüberliegende
Zündfläche 6a der feststehenden Elektroden 6 gerichtet, und zwar schräg nach rückwärts
in bezug auf die (in Abb. 2 durch den Pfeil angedeutete) Drehrichtung, vorzugsweise
im Winkel ,von ungefähr 6o° zur Vertikalen. Die Halbringelektroden 6, deren Breite
gegenüber ihrerLänge verhältnismäßig gering ist, bieten auf ihrer Oberseite eine
ausgedehnte Fläche für den Übergang des Lichtbogens. Die Elektroden 6 und io können
aus irgendeinem geeigneten leitenden Werkstoff, vorzugsweise aus Kohls bestehen.
Es können z. B. Liohtbogenelektroden der in üblicher Weise hergestellten Art ohne
weiteres Verwendung finden.
-
Die Zuführung der kohlenstoffhaltigen Flüssigkeit erfolgt durch die
Öffnung 24 am Boden der Reaktionskammer i, während die Zersetzungsprodukte durch
die Öffnung 26 -im oberen Teil von i entfernt werden. Für völlige Entleerung der
Kammer i ist der Ablauf 25 vorgesehen. Zur Stromzuführung z. B. von einem Einphasentransformator
dienen Leitungen 27, die durch die gegen das Gehäuse i durch Stopfbüchsen 28 abgedichtdten
Isolierrohre 29 hindurchgeführt und durch Klemmen 30 und biegsame Zwischenstücke
31 mit den Trägern für die feststehenden Elektroden 6 verbunden sind. Das Gehäuse
i ist bei G geerdet.
-
Durch am Gehäuse i und an der Abschlußplatte q. angebrachte, nach
innen gerichtete Prallplatten 32 und 33 wird die bei aq. eingeführte Flüssigkeit
nach oben gegen die Elektroden geführt. 3¢ ist ein auf der Welle ii befestigter
Schutzring zur Verhinderung des Zutritts der Flüssigkeit zu dem oberen Lager 13.
-
Die Zuführung des elektrischen Stromes und der kohlenstoffhaltigen
Flüssigkeit sowie die Abführung der Zersetzungsprodukte kann bei der in der Zeichnung
dargestellten Vorrichtung in der angegebenen oder in beliebiger anderer geeigneter
Weise unter beliebiger Regelung der Temperatur erfolgen.
-
Auch ist die Verwendung von zwei Elektrodenpaaren keine unerläßliche
Bedingung für das Verfahren nach der Erfindung. Man kann vielmehr auch nur ein Paar
von Elektroden z. B. derart verwenden, daß Übergang des Lichtbogens zwischen diesen
während der einen Hälfte einer jeden Stromperiode nicht erfolgt, wobei die Vorrichtung
als Gleichrichter dient. Auch können die Elektroden derart angeordnet sein, daß
sie die Anwendung von Dreiphasenstrom gestatten. Im allgemeinen empfiehlt es sich
indessen, gemäß der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform zwei Paare von
Elektroden zu verwenden.
-
Es ist, wenn auch im allgemeinen erwünscht, so doch nicht -unumgänglich
notwendig, daß die Bewegung der beweglichen Elektroden mit dem Bogenstrom synchronisiert
ist, so. daß die Elektroden genau zu der Zeit, wenn das Strompotential gleich o
ist, oder ungefähr um diese Zeit außerBerührung kommen. Gute Ergebnisse können nach
vorliegender Erfindung auch ohne eine- solche Synchronisierung erhalten werden,
sofern nur die Bewegung derart durchgeführt wird, daß für einen wesentlichen Teil
einer jeden Periode des Bogenstroms Stromübergang zwischen den einander zugehörigenElektroden
nicht erfolgt. Wesentlich ist jedoch, daß die bewegte Elektrode während eines wesentlichen
Teils, vorzugsweise der Hälfte, einer jeden Periode des Bogenstroms über die Zündoberfläche
der ihr zugeordneten feststehenden Elektrode in einer praktisch gleichmäßigen Entfernung
von dieser hinweggeführt wird. Bei Verwendung einer stationären Halbringelektrode
und einer Staubelektrode,
die sich im wesentlichen in einem Kreise
in einer zur Zündoberfläche der Halbringelektrode parallelen Ebene bewegt, kann
-die Bewegung der Stabelektrode mit dem Bogenstrom synchronisiert sein oder nicht.
Im ersteren Falle werden die Elektroden voneinander entfernt, so daß Übergang eines
Lichtbogens zwischen ihnen nicht mehr erfolgen kann, wenn das Strompotential des
Bogens o oder nahezu o ,beträgt, während der Lichtbogen nur so lange übergehen kann,
als sich die Zündoberflächen in einer bestimmten, im wesentlichen gleichbleibenden
Entfernung voneinander befinden. Wenn dagegen die Bewegung der Stabelektrode bei
ihrem Kreislauf so geregelt ist, daß sie beispielsweise 1/4 der Periode langsamer
ist als die Periode des Bogenstroms (d. 1i. daß ihre Umlaufzeit beispielsweise die
Zeitdauer einer Periode des Wechselstromes um 1/4 übersteigt), so wird Stromlosigkeit
für kurze Zeit eintreten, wenn sich die bewegliche Elektrode über dem mittleren
Teil der Halbringelektrode bewe-t oder wenn das Potential des Lichtbogenstromes
sich in einer Periode dem Werte o nähert, ihn erreicht und sich wieder von ihm entfernt.
NachAblauf dieser Periode der Stromlosigkeit zündet der Bogen wieder mit zunehmendem
Potential und geht Über auf dem Wege der beweglichen Elektrode bis jenseits des
Endes der Halbringelektrode, bis er den Punkt erreicht, an dem er abreißt oder bis
das Strompotential wieder o ist. Auf dies zweite Eintreten des Potentials o folgt
eine Zeit der Stromlosigkeit von wenigstens 1/4 Periode Dauer, da der Boden nicht
wieder zünden kann, ehe die sich bewegende Elektrode Tiber dieZündoberfläche der
anderen Hälfte der Halbringelektrode gelangt ist. Auf diese Weise ergibt sich für
jeden Kreislauf der beweglichen Elektrode eine verhältnismäßig kurze und eine andere
verhältnismäßig lange, sich mindestens auf 1/4 des Kreisweges erstreckende Zeit
der Stromlosigkeit. Obgleich auch auf diese Weise gute Ergebnisse erzielt werden
können, ist es doch vorzuziehen, die Bewegung mit dem Bogenstrom zu synchronisieren,
wobei man in jeder Periode des Lichtbogenstromes eine sich auf eine halbe Umdrehung
erstreckende Ruhepause erhält.
-
Es ist bekannt, daß man durch Verwendung von zwei einander zugeordneter,
Elektroden, von denen die eine mit einer beschränkten Zündebene über eine ausgedehnte
Zündebene der anderen feststehenden Elektrode hinwegbewegt wird"erhöhteWirkungen
bei der Zersetzung kohlenstoffhaltiger Flüssigkeiten erzielen kann, was im allgemeinen
darauf beruht, daß bei solchen Anordnungen die Zünd-Dberflächen der Elektroden während
der Bewegung der einen Elektrode praktisch in einem bestimmten gleichmäßigen Abstand
voneinander gehalten werden und infolgedessen der gebildete Lichtbogen bis zu seinem
Abreißen auseinandergezogen und darauf sofort ein zweiter Bogen gebildet wird. Diese
Einrichtung erleichtert das Wiederzünden der Lichtbogen und ist daher der Einrichtung
überlegen, bei der z. B. eine bewegte stabförmige Elektrode einen Bogen zündet,
wenn sie an dem Ende einer feststehenden stabförmigen Elektrode mit einer beschränkten
Zündoberfläche vorübergeht. In diesem Falle ist ein verhältnismäßig größeres Zündpotential
erforderlich, um jeden einzelnen Bogen zur Zündung zu bringen. Bei der Vorrichtung
nach der Erfindung werden durch die Verwendung von halbringförmigen an Stelle von
feststehenden Elektroden mit beschränkter Zündoberfläche im größtmöglichen Ausmaße
die bekannten Vorteile der Verwendung von feststehenden Elektroden mit ausgedehnten
Zündoberflächen, wie z. B. Vollringelektroden, mit den Vorteilen vereinigt, die
sich aus der Anwendung einer sich auf eine ganze Halbperiode des Wechselstromes
erstreckenden Periode der Stromlosigkeit für jedes Elektrodenpaar ergeben. Die vorstehend
beschriebene Vorrichtung kann verschiedenen Abänderungen unterworfen werden. Obwohl
sich die in der Zeichnung beispielsweise dargestellte Vorrichtung als besonders
geeignet für die Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung erwiesen hat, können
für denselben Zweck auch beliebige andere geeignete Vorrichtungen Verwendung finden.
-
Die Erfindung ist auch nicht beschränkt auf die Anwendung bestimmter
Spannungen, Stromfrequenzen oder sonstiger Arbeitsbedingungen, da sie ganz allgemein
unter Bedingungen und mit Vorrichtungen durchgeführt werden kann, wie sie schon
bisher beim Arbeiten mit Wechselstrom Verwendung gefunden haben. So kann die Spannung
zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden z. B. 2ooo bis ioooo Volt betragen.
Ebenso ist man dabei nicht auf die Anwendung besonderer Stromdichten beschränkt.
-
Indessen empfiehlt sich im allgemeinen die Anwendung hoher Stromdichten,
bezogen auf die Zündfläche der Elektroden mit beschränkter Zündoberfläche, z. B.
der in den Abbildungen dargestellten staubförmigen Elektroden. Mit Vorteil verwendet
man z. B. einen Lichtbogenstrom von mehr als 15 Amp./cmE, vorzugsweise von
mehr als 5o Arrip./cmE. Mit Stromdichten von etwa ioo Amp./cml können z. B. gute
Ergebnisse erzielt werden.
-
Im allgemeinen empfiehlt es sieb, mit Strömen von geringer Frequenz
zu arbeiten, so
daß die Ruhepausen für jedes Elektrodenpaar während
jeder Periode lang genug sind, um die vollständige Entfernung der Zersetzungsprodukte
aus der Bogenzone zu gestatten und ein gründliches .Befeuchten und Kühlen der Elektroden
zu erleichtern. Frequenzen von a5 .bis 6o Perioden in der Sekunde sind daher im
allgemeinen empfehlenswert, besonders da Wechselstrom mit derartigen Frequenzen
für industrielle Zwecke gewöhnlich zur Verfügung steht. Man .kann jedoch auch höhere
Frequenzen, z. B. solche bis zu 5oo Perioden, mit gutem Ergebnis verwenden.
-
Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung werden die Zersetzungsprodukte
während jeder Periode des Stromes praktisch vollständig aus der Zone des Lichtbogens
entfernt. Da infolgedessen nennenswerte Anteile der aufgewendeten elektrischen Energie
durch Einwirkung auf vorher gebildete Zersetzungsprodukte nicht verlorengehen, werden
bessere elektrische Ausbeuten erhalten. Weiterhin bleiben z. B. dem gebildeten Ruß
seine ursprünglichen Eigenschaften praktisch -unverändert erhalten, da die Zeit
der Stromlosigkeit während jeder Wechselströmperiode seine Entfernung aus der Bogenzone
sofort nach seiner Entstehung im Zustande feiner urid gleichmäßiger Verteilung in
der umgebenden kohlenstoffhaltigen Flüssigkeit ermöglicht. Ferner erleichtert die
Zeit der Stromlosigkeit während jeder Stromperiode das Kühlen und Befeuchten der
Elektrodenoberflächen erheblich, so daß die Abscheidung von körnigem Kohlenstoff
und das Anwachsen von Dendriten an den Elektroden weitgehend vermieden wird.
-
Unter dem Ausdruck »kohlenstoffhaltige Flüssigkeiten« sollen in der
vorstehenden Beschreibung und den Ansprüchen' organische Flüssigkeiten im allgemeinen
Sinne und Gemische solcher verstanden sein. Flüssige Kohlenwasserstofföle sind besonders
geeignet für das vorliegende Verfahren, da sie verhältnismäßig billig sind.