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Verfahren zur Durchführung chemischer Umsetzungen zwischen Gasen oder
zwischen festen und flüssigen Stoffen und Gasen im elektrischen Feld Beim Umsetzen
von Luftstickstoff im Lichtbogen oder bei anderen elektrischen Entladungen entsteht
ein Zustand, feder teils von der Temperatur, teils von dem Elektronentind Ionenbombardement
abhängig ist, dem die Luftmoleküle ausgesetzt sind. Dabei bildet sich z. B. eine
größere Menge Stickstoffoxyd als nach den thermischen Bedingungen erwartet werden
kann.
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Es ist nun an sich bekannt, in einem mit verhältnismäßig kleiner
Geschwindigkeit zwischen den Elektroden geführten Gas- oder Dampfstrom elektrisch
leitendes Pulver mitzuführen, dessen Körner abwechselnd miteinander in Kontakt kommen
und dadurch den Leitungsweg des Stromes abwechselnd schließen und unterbrechen.
Es wird also durch die Körner eine Brücke für den aber gang der Elektrizität geschaffen.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, isolierende (:Sle gegen eine Elektrode
aus Metalldraht zu zerstäuben, die sich in einem die andere Ellelctrode bildenden
Metallrohr befindet. Hier wird aber kein Lichtbogen zwischen den Partikeln gebildet,
durch den eine Umsetzung erfolgen soll.
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Nach dem neuen Verfahren soll die Umsetzung zu höheren Ausbeuten
führen. So wird z. B. bei der Oxydation im Lichtbogen erstrebt, die größtmögliche
Menge Stickstoffoxyd je Energieeinheit der Entladung zu erzielen. Dabei ist darauf
zu achten, daß die Wiederaufspaltung des eben erst gebildeten Stickstoffoxyds während
des Durchlaufs des Luft-Stickstoff-Gemisches zur Verwertungsstelle des Oxyds möglichst
unterdrückt wird.
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Zur Vermeidung eines derartigen Spaltungsverlustes ist es bekannt,
durch Abkühlung
das Verhältnis Stiekstoffoxyd zu Entladungsluft
möglichst unverändert zu halten, z. B. durch Mischen mit kalter Luft oder kaltem
Wasser. Da die Temperatur der technisch durchgeführten Entladungen um 40000 liegen
kann, ist die Spaltungsgeschwindigkeit hoch.
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Bei dieser Temperatur sind gegen Io°lO Sticl;-stoffoxyd in der Luft
vorhanden, während die Gleichgewichtskonzentration bei 15000, wo die Spaltung zwar
langsam ist, aber nur o,34°/O beträgt. Bei den jetzt angewandten Luftverbrennungsöfen
liegt der Stickstoftoxydertrag oft weit unter 201o; die Kühlgeschwindigkeit ist
also zu gering.
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Das neue Verfahren bezweckt eine schnelle Abkühlung der die Entladungszone
verlassenden Gasmischung gleichzeitig mit einer derartigen Beeinflussung der Druckverhältnisse
der Entladung, daß man die Elektronen- und Ionengeschwindigkeiten erzielt, die den
höchstmöglichen Ertrag der in der Luftmischung beim Durchlaufen durch die Entladung
ausgelösten Reaktion(en) ergeben.
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Unter Luftmischung sind im folgenden Gase und Dämpfe sowie Dispersionen
von festen und flüssigen Stoffen in Gasen oder Dämpfen zu verstehen. D.ie unten
angeführten Anordnungen werden außerdem in mehreren Fällen zur Auslösung von Reaktionen
in Flüssigleiten angewandt werden können. Das Verfahren kann z. B. zur Erzeugung
von Ammoniak aus einer Mischung von Stickstoff und Wasserstoff angewandt werden
sowie von Stickstoffoxyd aus Stickstoff und Sauerstoff, von Ozon aus Sauerstoff,
von Schwefelsäure aus einer Mischung von Schwefeldioxyd mit Sauerstoff und Wasser,
von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasserdämpfen, von Azetylen oder Aethylen oder
ölähnlichen Produkten und Ruß (Carbon Black genannt) aus organischen Gasen, von
Cyanverbindungen aus mit organischen Verbindungen vermischtem Stickstoff, wie es
auch zur Polymerisation von Ölen, Herstellung von Glyoxal aus Sauerstoff und Azetylen,
zur Oxydation von Mineralölen, zum Kraclien, zum Sterilisieren usw. angewandt werden
kann. Auch kann es zum Voltolisieren, d. h. Behandeln von Schmierölen mit elektrischen
Entladungen zur Veränderung der Viskosität der Ole, benutzt werden.
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Das Wesen der Erfindung besteht nun darin, daß feste oder flüssige
Hilfspartikeln oder zu behandeln!de Partikeln quer zur Strömungsrichtung der zu
hehandelnden Gase oder Dispersionen von einer zur anderen Elektrode mit möglichst
hoher Geschwindigkeit geschleudert werden.
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Hierdurch wird eine besonders durchgreifende Umsetzung der Gase oder
Dispersionen erreicht. Wenn nämlich kleine Teile in ein elektrisches Feld gebracht
werden, so verursachen sie eine Störung des Feldes, die in Verbindung mit dem kleinen
lQrümmungsradius der Teilchen bewirkt, daß die Feldstärke an den Teilchenoberflächen
wächst.
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Hierdurch wird die Arbeit reduziert, die erforderlich ist, um ein
Elektron des Teilchens aus dem Oberflächengebiet zu entfernen. Bei passender Feldstärke
entsteht daher eine Elektronenausstrahlung, so daß bei gewöhnlicher Temperatur eine
Glüh-Elel;tronen-Emission erwartet werden kann. Diese Autoelektronen rufen Ionisierung
hervor. Es entsteht hierdurch eine große positive Raumladungsdichte, die ihrerseits
das Feld und somit den Autoelektronenstrom erhöht.
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Es wird dabei zwischen den Teilchen eine Entladung erzeugt, die sich
mit den Teilchen bewegt. Unter Entladungen sind sowohl Lichtbögen wie stille Entladungen
und Funken zu verstehen, Die festen Partikel chen können von adsorbierter Luft oder
Flüssigkeit bedeckt sein, wie sie auch loatalytisch wirksam sein können.
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Eine Art der Durchführung der Erfindung besteht darin, daß die Partikeln
von einer als ortsfester Zerstäuber ausgebildeten Elektrode ausgeschleudert werden.
Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die von der ortsfesten Zerstäuberelektrode
ausgehen den Partikeln gegen eine diese ringförmig mugebende Gegenelektrode zu schleudern.
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Hierdurch wird eine Wirkung erreicht, wie sie durch keinen der bisher
vorgeschlagenen Vorgänge erzeugt werden könnte.
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Versuche haben ergeben, daß z. B. durch elektrische Entladungen in
Luft nach dem neuen Verfahren eine weit größere A1 eílge Stickstoffoxyd je kW als
bei früheren Verfahren erhalten wird.
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Versuche haben z. B. folgendes ergeben: I. Bei einer gewöhnlichen,
hisher üblichen Lichtbogenentladung in Luft ist es möglich. bei Gleichstrom oder
Wechselstrom mit 50 Perioden und einer Spannung von 6oo Volt einen Ertrag zu erreichen.
der 63 g Salpetersäure je Kilowattstunde entspricht.
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2. Nach dem neuen Verfahren, d. h. bei Ausschlendern von Partikeln
in der unter 1. genannten Entladung, fällt die Spannung auf 300 Volt, und der Ertrag
steigt auf I25 g je Kilowattstunde.
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3. Bei Erhöhung des Elektrodenabstanclc: auf das Doppelte des in
Versuch I und 2 gewählten Abstandes, im übrigen aber unter den gleichen Bedingungen
wie in Beispiel 2, beträgt die notwendige Spannung wieder 600 Volt.
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Dieses Ergebnis bestätigt unmittelbar. daß man bei einer Reihe von
elektrochemischen Vorgängen ähnlicher \rt durch daj
neue Verfahren
eine entsprechend bessere Verwertung der angewandten elektrischen Energie erzielt.
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Bei dem neuen Verfahren können die Partikelchen von einem Zerstäuber
ausgeschleudert werden, der rotiert oder mit Druck, Vibration oder Luftstrom arbeitet.
Der Zerstäuber kann gleichzeitig als die eine Elektrode dienen. Eine Vorrichtung,
mit der die beabsichtigten Reaktionen erzeugt werden können, besteht z. B. aus einem
rotierenden Zerstäuber, der eine Umfangsgeschwindigkeit von I50 m/Sek. hat. Dieser
Zerstäuber, der zugleich die eine Elektrode bildet, schleudert Flüssigkeit, Lösung,
D.ispersion oder Pulver mit oder ohne adsorbiertem Gas- (Luft-) Häutchen aus. In
kurzer Entfernung von (und zwar gleichachsig zu) dieser rotierenden Elektrode, dem
Rotor, wird eine ringförmige Elektrode angebracht, gegen die oder längs der die
Partikelchen geschleudert werden. Bei dem Unterdruck, der hinter den Partikeln (Tröpfchen)
entsteht, wird der Übergang der Entladung zwischen dem Rotor und der Ringelektrode
gefördert, zwischen denen ein angemessener Spannungsunterschied aufrechterhalten
wird. Außer derartigen Entladungen längs der Seite und der Rückseite der Partikel
(Rückseite in Relation zur Bewegungsrichtung) erfolgen Entladungen zwischen den
Partikeln. Es entsteht Somit eine große Anzahl schnell rotierender Entladungszonen,
zwischen denen entladnngsfreie Zonen liegen.
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Wird nun eine Luft- bzw. Gasmischung durch die Öffnung zwischen dem
Rotor und der Ringelektrode geleitet, so wird sie bei angemessener Luftgeschwindigkeit
sowohl durch die Zonen, in denen die Entladungen erfolgen, wie durch die entladungsfreien
Zonen gehen, weil die Luftmischung eine spiralförmige Bewegung durch den Zwischenraum
zwischen den Elektroden vornimmt. Die so behandelte (erwärmte) Luftmischung und
die nichtbehanwdelte werden gIeich nach dem Durchströmen zwischen den Elektroden
gemischt, so daß eine Schnellkühlung der Reaktionsmischung erreicht wird, und diese
wird gegebenenfalls von der Wärmebindung unterstützt, die ein Verdampfen der Partikel
veranlassen kann, indem u. a. ein Nebel von kleinen Partikeln vom Luftstrom mitgerissen
wird.
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Durch Regelung der Zufuhr zum Rotor kann man eine bestimmte Kühidauer
sowie das Verhältnis zwischen der durch die Entladungszonen gehenden Luftmenge und
der nicht durch diese gehenden festlegen. Dadurch wird die größtmögliche Wirkung
der Entladungen erreichbar. Durch Regelung des Druckes und der Rotationsgeschwindigkeit
kann außerdem der Druck der Entladungen derart beeinflußt werden, daß die mittlere
Weglänge der Elektronen und der Ionen die günstigste für die Reaktion wird, d. h.
daß die mittlere kinetische Energie bei angemessenem Spannungsunterschied zwischen
den Elektroden hoch genug wird, um die größtmögliche Molekülmenge zu ionisieren
oder auf andere Weise zu aktivieren. Da die Partikeln von Elektronen oder Ionen
getroffen werden, können sie an den Reaktionen teilnehmen, wie sie auch imstande
sind, Gase zu ab- oder adsorbieren. Durch den Fluß des elektrischen Stromes durch
die Partikeln kann auch eine Elektrolyse ausgelöst werden.
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Die hierdurch gebildeten Erzeugnisse, und zwar entweder Ionen, die
unmittelbar aus den Partikeln vontdem elektrischen Feld ausgeschleudert werden,
- oder Atome oder Molekühle sind, können dann mit der Luftmischung reagieren. Die
eine Seite jeder Partikel wirkt dann als Anode, die andere als Kathode. Werden die
Partikeln mit hoher Geschwindigkeit aus einem Rohr geschleudert, läßt sich eine
Injektorwirkung erreichen, so daß der Raum um die Partikelbahnen und insbesondere
hinter den Partikeln evakuiert wird, wodurch sich die mittlere Weglänge der Ionen
erhöht.
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Um elektrische Energie zu sparen, können die Stoffe, die nach der
oder durch die Entladung geleitet werden, vorgewärmt sein.
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Die Partikeln können auch zwischen zwei Elektroden eingeschleudert
werden, die z. B. gelocht sind, wobei Luft durch sie und somit quer zu den Partikelbahnen
und quer zum Felde geführt werden kann.
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Durch solche Anordnungen wird eine neue Kühlwirkung, eine höhere
Nutzwirkung der Energie der Entladungen und ein kombinierter elektrolytisch- und
entladungsfördernder Vorgang erreicht.
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Als Beispiel seien erwähnt, daß wässerige Partikeln und Sauerstoff
imstande sind, Wasserstoffsuperoxyd zu ergeben, und daß der Stickstoff und der Sauerstoff
der Luft sich mit Wasser vereinigen, wenn die Partikeln aus einem Elektrolyt bestehen,
der gegebenenfalls von Metallpartikeln, Graphit oder leitenden Oxyd-, Sulfid- oder
Carbidpartikeln adsorbiert ist. Es bilden sich dann Ammoniumnitrat und -nitrit.
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Beim Oxydieren von Schwefeltdioxyd können die Partikeln z. B. aus
konzentri,erter Schwefelsäure bestehen oder sie können katalytisch aktiv sein.
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Durch Einschalten eines elektrischen Schwingungskreises parallel
zu den Entladungen entstehen elektrische Schwingungen.
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Durch Einschalten von Selbstinduktionen kann eine Gleichrichterwirkung
erreicht werden,
und wenn der Vorgang in einem Magnetfeld erfolgt,
kann die Wirkung der Entladungen erhöht werden.