DE736568C - Verfahren zur Durchfuehrung chemischer Reaktionen mit Hilfe elektrischer Glimmentladung bei Unterdruck, insbesondere zur NH-Synthese - Google Patents

Description

• Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen mit Hilfe elektrischer Glimmentladung bei Unterdruck, insbesondere zur NH8-Synthese Chemische Reaktionen mit Hilfe der Gasentladung murden schon mit mehr oder lveniger Erfolg versucht, z. B. liegen umfangreiche Arbeiten über die Bildung von N H, in einem Gemisch von Stickstoff und Wasserstoff vor, die jedoch keine technisch verwertbaren Ergebnisse zeigten. Die Glimmentladung, die hierbei zur Aktivierung der Reaktionskomponenten verwendet wurde. ist dabei unter den verschiedensten Stromspannungsverhäknissen und Gasdrücken erprobt worden. Das neue Verfahren gestattet nun aber, z. B. die Ammoniakausbeute mittels Gasentladung in einem Stickstoff-Wassersto-ff-Gemisch beträchtlich zu erhöhen.
• Es ist zwar schon ein Verfahren zur Durchführung chemischer Umsetzungen in Gasen und Dämpfen mittels Glimmentladungen bei stark vermindertem Druck und großen Strömungsgeschwindigkeiten bekanntgeworden, bei dem, um die Berührung der bereits durchladenen Gase mit den katalytisch wirkenden Elektroden zu verhüten, das Frischgas in der Nähe der Elektroden oder hinter ihnen oder durch sie hindurch so eingeblasen wird, daß die Reaktionsprodukte sogleich nach ihrer Entstehung aus dem Bereich der Elektroden kommen, während der Auslaß an einer von den Elektroden weiter entfernten Stelle, z. B. in der Mitte der Röhre zwischen den Elektroden. vorgesehen ist. An dieser Stelle ist aber die Ausbeute ungünstig. wahrscheinlich infolge der Einwirkung der positiven Säule.
• Durch das neue Verfahren wird auch dieser Nachteil vermieden.
• Das neue Verfahren zur Durchführung chemischer Gasreaktionen mit Hilfe elektrischer Glimmentladung, insbesondere zur N Hs-Synthese, untcrscheidet sich von den bekannten Verfahren dadurch? daß die Reaktionsprodukte aus dem zwischen Kathode und Glimmlicht liegenden Dunkelraum der Glimmentladung abgesaugt werden. Die bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß am Ende eines längeren. zwischen den Elektroden senlirecht zur Entladungsrichtung verlaufendin Gasweges so stark abgesaugt wird, daß an dieser Stelle infolge des längs des Gasweges auftretenden Druckabfalles der zwischen liathode und Glimmlicht liegende Dunkelraum zwischen den Elektroden sich so verbreitert, daß der Glimmsaum bis an die Anode zurücl;-tritt. Der Entladungsraum wird somit von dem Glimmsaum der Gasentladung schräg in zwei Räume geteilt, und auf der Seite des Dunkelraumes wird abgesaugt. Die Reaktionskammer wird dabei so ausgebildet, daß längs des Gasweges ein merklicher Druckabfall cintritt. wobei sich infolge des fallenden Druckes ein zunehmender Glimmsaumabstand von der Kathode einstellt. Das Druckgefälle muß dabei so groß gewählt werden. daß eine Behinderung der Gasentladung an der Absaugseite des Reaktionsgefäßes erfolgt. Die Elektroden der Gasentladung werden dabei auf der gewünschten Reaktionstemperatur gehalten. Sie werden z. B. gekühlt, wenn überschüssige Wärme aus dem Reaktionsraum zu entfernen ist. Für Reaktionen, die bei Temperaturerhöhung leichter vonstatten gehen, speichert man dagegen die Verlustwärme der Gasentladung an den Elektroden. Die Reaktionskammer kann, je nach dem chemischen Prozeß, aus versehiedenem Material, z. B. aus Fe, Ni, Al oder beliebigen anderen geeigneten. Stollen bestehen.
• Versuche haben gezeigt, daß die Bildung von NH3 aus den Atomen N und H in der Gasentladung räumlich verschieden große Wahrscheinlichkeit besitzt. Ionisierte Reaktionsteilnehmer, wie sie in größerer Zahl im l'lasma der Entladung vorliegen. sind an sich nicht fähig. zu einer chemischen Verbindung zusammenzutreten, Nur im Augenblick der Neutralisation sind sie hierfür geeignet. Der Wechsel der Ionisation im Plasma ist jedoch so groß, daß selbst eine mögliche Bildung von NH3 sofort wieder der Zerstörung unterworfen ist. Alle diejenigen Ionen, die das Plasma verlassen und zur Kathode streben, werden kurz davor oder an derselben neutralisiert und können als neutrale Atome die gewünschte Verbindung eingehen. In dem Dunkelraum selbst ist die Ionenbildung äußerst gering, da die emittierten Elektronen der Kathode einen bestimmten Weg durchlaufen. nachdem sie das erstemal ionisicren.
• Diese Entfernung von der Kathode ist durch den Glimmsaum gekennzeichnet. Durch das Absaugen aus dem Dunkelraum der Entladung. also zwischen Kathode und G]immsaum, besteht somit die größte Wahrscheinlichkeit, die gebildeten NH3-Moleküle dem Zerfall zu entziehen. Die praktische Durchführung einer Synthese, z. B. der NH3-Synthese, erfolgt in einer Reaktionskammer, die in der Hauptsache aus einem sehr engen Raum besteht, z. B. durch die Bildung eines Ringspaltes zwischen der Entladungskammer als Kathode und einem koaxial eingeführten Zylinder als Anode. Der Abstand der Innenelektrode, im Beispiel. als Anode geschaltet, und dem Hohlzylinder, im Beispiel als Kathode geschaltet, wird so gewählt, daß bei gegebener Sauggeschwindigkeit der Pumpe am Ort des Gasaustrittes ein solcher Druck herrscht, daß eine völlige Behinderung der Gasentladung an diesem Ort erzielt wird.
• Die Länge des Reaktionsraumes ist bestiminend für den Eingangsdruck. Infolge des Druckabfalls teilt der Glimmsaum den Raum zwischen der Anode und Kathode längs der Gasströmung. Das Gas strömt fast ausschließlich auf der Plasmaseite der Entladung zu und wird aus dem Dunkelraum abgesaugt.
• Der Glimmsaumabstand d ist eine direkte Funktion des Gasdruckes p, und zwar ist der d p Konstante ist, die vom Füllgas der Entladung und dem Kathodenmaterial abhängig ist. Der Abstand zwischen Anode und Kathode muß im Fall der Entladungsbehinderung kleiner sein als der Glimmsaumabstand von der Kathode. Daher muß, um eine Behinderung der Eittladung auf der Absaugseite zu erzielen, p < d0/α sein, wobei a der Abstand zwischen Anode und Kathode ist.
• Durch Erfüllung dieser Forderung hat ni.rn die größte Gewähr, daß die gebildeten Reaktionsteilnehmer beim Absaugen den Glimmsaum und das Plasma nicht mehr passieren können. Die Einstellung der Behinderung der Entladung in der Reaktionskammer erfolgt dabei vorteilhaft noch vor dem zwischen den beiden Elektroden erforderlichen lsolationsmaterial, damit dieses vor der zerstfrenden Wirkung der Gasentladung geschützt ist.
• In der Zeichnung ist eine zur Durchführung des neuen Verfahrens geeignete @ Vorrichtung schematisch dargestellt, und zwar als Schnitt durch einen Apparat zur Ammoniaksynthese, Der Apparat besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, und zwar dem als Kathode geschalteten Außenteil 1 und dem als Anode geschalteten Innenteil 2, die durch die Isolation und Dichtung 3 verbunden sind. Der Außenteil besteht aus einer kühlbaren Metallhaube, dem durch den Stutzen 4 ein Kühlmittel zugeführt und durch den Stutzen 5 abgeleitet werden kann. Der Stutzen 6 dient zum Zuleiten des Reaktionsgasgemisches, z. B. ein es Gemisches von I Volumenteil Stickstoff mit 3 Volumenteilen Wasserstoff. In dem Stutzen 6 befindet sich ein Sieb 7 zum Zurückhalten der Glimmentladung, Der Glimmsaum 8 verläuft sdräg durch den Reaktionsraum und teilt ihn elektrisch in den Dunkelraum, der vor der Kathode, und das Plasma, das vor der Anode liegt. Die Behinderung der Entladung erfolgt noch vor der Isolaton 3. Durch das Kabel 9 wird die negative Spannung zugeführt. Dem Innenteil 2 wird durch das Kabel wo die positive Spannung zugeführt. Der Innenteil ist gleichfalls kühlbar ausgebildet, und zwar kann durch den Stutzen i i ein Kühlmittel zugeführt und durch den Stutzen 12 abgeleitet werden. Der Stutzen 13 dient zum Ableiten des Reaktionsproeduktes also z. B. des Ammoniaks.

Claims (2)

1. P A T E N T A N S P R Ü C H E : 1. Verfahren zur Durchführung chemischer Gasreaktionen mit Hilfe elektrischer Glimmentladung bei Unterdruck. insbesondere zur N Hs-Synthese, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsprodukte aus dem zwischen Kathode und Glimmlicht liegellden Dunkelraum der Glimmentladung abgesaugt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende eines längeren, zwischen den Elektroden senkrecht zur Entladungsrichtung verlaufenden Gasweges so stark abgesaugt wird, daß an dieser Stelle infolge des längs des Gas-Weges auftretenden Druckabfalles der zwischen I(athode und Glimmlicht liegende Dunkelraum zwischen den Elektroden sich so verbreitert, daß der Gliminsaum bis an die Anode zurücktritt.