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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung chemischer und/oder physikalischer
Vorgänge bei hohen Temperaturen
Bei der Durchführung von chemischen und physikalischen
Prozessen unter Anwendung von hohen Temperaturen hat man die zum Erreichen solcher
hohen Temperaturen notwendige Energie mittels des Lichtbogens oder einer Sauerstoffflamme
erzeugt. Man ist dabei so vorgegangen, daß man in einen Ofenraum das Arbeitsgut
einbrachte und dieses z. B. durch einen oder mehrere Lichtbögen zum Schmelzen und
eventuellen Verdampfen brachte.
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Dabei sind an sich bekannte ringförmige Anordnungen von Elektroden,
zwischen denen das zu verarbeitende Gut einen zentralen Glühkörper im Innern des
Ofens bildet, nicht imstande, genügend intensive Energieabgabe durch Strahlung und
genügend schnellen Transport der Reaktionsteilnehmer zu sichern. Andererseits ist
auch schon ein elektrischer Ofen vorgeschlagen worden, bei welchem ein rotierender
Schmelztiegel von oben her beschickt wird. Die Beheizung sollte dabei durch Foucaultsche
Ströme bewirkt werden, die von einem Wechselstrom erzeugt werden, der spulenartig
ausgebildete und in der Tiegelwandung eingebettete Leiter durchfließt. Auch ein
solcher Ofen genügt den gemäß der Erfindung zu stellenden Anforderungen nicht.
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Man hat auch schon rotierende Ofeneinrichtungen geschaffen, bei denen
das zentral von unten zugeführte Arbeitsgut durch die Zentrifugalkraft an den Wandungen
nach oben steigt und dabei eine dünne Schutzschicht für die Ofenwand selbst bildet.
Die von den von oben her eingeführten Elektroden gebildeten
Lichtbögen
leiten den Strom kontinuierlich auf eine dünne Ringschicht des Arbeitsgutes, in
der er sich durch dessen Widerstand in Wärme umsetzt. Die festen und flüssigen Bestandteile
des Arbeitsgutes werden dabei durch die Zentrifugalkraft an der Wand zurückgehalten,
während die gasförmigen Reaktionsprodukte infolge des geringeren spezifischen Gewichtes
aus der Oberfläche der Schicht abwandern. Eine solche Arbeitsweise hat jedoch verschiedene
Nachteile.
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Es hat sich nämlich gezeigt, daß auf diese Art das Arbeitsgut nicht
gleichmäßig behandelt werden kann, so daß die Produkte unterschiedlich ausfallen.
Das kommt daher, daß einmal die Verwendung von drei Elektroden an sich eine Ungleichmäßigkeit
der Erwärmung bedingt, sodann, daß auch in der Widerstandsschicht selbst bevorzugte
Erwärmungspunkte mit anderen abwechseln.
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Bei einer der früheren Ofeneinrichtungen war es auch an sich bekannt,
den zu schmelzenden Stoff in dünnem Strahl von oben in einen rotierenden, elektrisch
beheizten Schmelztiegel einzuführen. Man hat in anderen Öfen für die Stoffzufuhr
auch schon der Stromzuführung dienende Hohlelektroden benutzt.
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Demgegenüber geht die Erfindung ganz andere Wege: Es wurde erkannt,
daß es bei derartigen Prozessen von grundlegender Bedeutung ist, daß das gesamte
Arbeitsgut in dem Prozeß stets denselben Bedingungen ausgesetzt wird, damit ein
stets gleiches Arbeitsergebnis erzielt wird. Hierzu ist es notwendig, daß neben
einer vollkommen gleichmäßigen Körnung des Arbeitsgutes dieses in genau geregeltem
dünnem Strom achsensymmetrisch von oben zugeführt wird, wobei die einzelnen Körner
durch sie alle in gleicher Weise beeinflussende zentrifugale Kraft gleichmäßig an
der Ofenwand hochsteigen, dabei vollkommen gleichen Bedingungen in der Reaktionszone
ausgesetzt werden und die Reaktionsprodukte aus bestimmten Ringzonen der Tiegelwand
ganz oder teilweise abgezogen werden. Sie fließen dabei durch den Übergang in den
Schmelzfluß zunächst auseinander, wobei sie auf ihrem Wege nach oben unter sich
jeweils gleich große, dabei aber immer größer werdende Flächenteilchen einer immer
dünner werdenden Schicht bilden.
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Ebenso ist von wesentlicher Bedeutung die Form des Weges, den das
Arbeitsgut bzw. die verschiedenen Körnchen desselben zurücklegen. Das ist zum Beherrschen
der einzelnen Prozeßvorgänge (Vorwärmen-Schmelzen-Verdampfen) notwendig.
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Die Erfindung geht von der neuen Erkenntnis aus, daß der Weg des
Arbeitsgutes und damit die Form des Reaktionsraumes auf den von der Energiequelle
geschaffenen Strahlungsraum abgestimmt sein muß.
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Dadurch bekommt man an bestimmten, eng begrenten Ringzonen des Ofens
gewünschte Energieeinwirkungen auf das Arbeitsgut, wodurch die Beherrschung des
Reaktionsverlaufes bis ins kleinste gewährleistet ist. Der Strahlungsraum ist bei
hohen Energiekonzentrationen, die gemäß der Erfindung zur Erzeugung hoher Arbeitstemperaturen
in Betracht kommen, analog der Raumkurve der Strahlungsverteilung eines Punktstrahlers
aufgebaut, wie sie z. B. von elektrischen Bogenlampen her bekannt ist.
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Da bei der Erfindung eine Hohlelektrode benutzt wird, besteht die
Energiequelle aus einem strahlenden Ring.
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Der sich nach den Strahlungsgesetzen bildende Strahlungsraum ist von
den Ofenwandungen so begrenzt, daß an bestimmten Punkten der Ofenwandungen bestimmte
Einstrahlungswirkungen erzielt werden.
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Das achsenzentral durch die hohle Elektrode zugeführte Arbeitsgut
fällt auf den Boden des rotierenden Ofengefäßes und bildet dort einen Kegel, der
sich infolge der zentrifugalen Kraft auseinanderzieht. Von dort steigt das Arbeitsgut
nach den Seiten hin an der Ofenwandung wieder hoch und bildet somit einen den Strahlungsring
umgebenden, nach oben offenen Hohlraum. Gemäß der Erfindung kann man sowohl die
Einwirkungen des Strahlungsraumes als auch diejenigen des von dem fließenden Arbeitsgut
gebildeten umhüllenden Ofenraumes sowie die gegenseitige Lage beider und damit die
Art ihrer gegenseitigen Beeinflussung verändern. Läßt man z. B. in der beschriebenen
Weise einen achszentral eingeführten Mischungsfaden unter der Einwirkung der zentrifugalen
Kraft zu einer immer größer werdenden Oberfläche mit immer dünnerer Schichtdicke
auseinanderfließen, so kann man diesen Vorgang, z. B. durch Ändern des Durchmessers
oder der Höhe des Ofengefäßes, der Umdrehungszahl, veränderlich gestalten. Man ist
dann in der Lage, dem zu behandelnden Arbeitsgut für bestimmte Zonen im Ofen bestimmte
Oberflächen zuzumessen.
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Man kann jedoch auch den Energiefluß in der Hohlelektrode, also Strom
und Arbeitsspannung des Lichtbogenringes oder Brennölmenge und Sauerstoffgehalt
der Brennluft der Ringfiamme, verändern und damit die primäre Strahlungstemperatur
variieren. Man beeinflußt dann das Temperaturgefälle zwischen dem Strahlungsring
und der jeweiligen Oberflächenzone des Arbeitsgutes.
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Ferner ist es möglich, die Richtung des Strahlungsringes gegen das
Arbeitsgut zu verändern, z. B. durch entsprechende Formgebung der Basis der Brennfleckzone
an der Hohlelektrode oder der Richtung der ausströmenden Brenngase in bezug auf
das Arbeitsgut einerseits und andererseits, indem man z. B. durch veränderliche
Höhenstellung der Hohlelektrode gegenüber dem Arbeitsgut den Abstand zwischen beiden
variiert. Hierdurch kann man eng begrenzte Stellen des Arbeitsgutes bestimmten Strahlungswirkungen
aussetzen.
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Vorstehende drei Faktoren: Variierte Oberfläche des Arbeitsgutes,
variierte Temperaturdifferenz und variierter Strahlungseffekt, sind die Grundvoraussetzungen
einer gewollt geregelten Energiezufuhr auf das Arbeitsgut. Erst durch diese nach
der Erfindung mögliche, gewollt geregelte Energiezufuhr auf das Arbeitsgut ist man
in der Lage, die gewünschten Reaktionen oder Umwandlungen der Ausgangsstoffe vollständig
zu beherrschen.
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Die Vorteile einer solchen Beherrschung des Prozesses liegen auf
der Hand. Wenn man den Durchgang des Arbeitsgutes durch den Ofen in die drei Zonen
Vorwärmen, Schmelzen, Überhitzen bzw. Verdampfen unterteilt, so kann man jeder dieser
Zonen eine bestimmte Länge geben. Man kann jedoch auch die Zeit, die das Arbeitsgut
in dieser Zone verbleibt, den
Bedürfnissen des Prozesses anpassen,
also ein Arbeitsgut nach Bedarf schnell oder langsam durch bestimmte Zonen des Strahlungsraumes
hindurchführen und die Strahlungseinwirkung entsprechend der Prozeßnotwendigkeit
intensivieren oder mildern. Da nach der Arbeitsweise der Erfindung die Lage derartiger
Zonen im Ofen genau zu berechnen ist, kann man in einer so gebauten Reaktionsvorrichtung
Vorkehrungen treffen, um die durch die genau geregelte Energiezufuhr bewirkten Reaktionsvorgänge
zusätzlich zu beeinflussen.
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So kann man z. B. in die durch die Arbeitsweise nach der Erfindung
bestimmte und im Ofen definierte Zone des beginnenden Schmelzens des Arbeitsgutes
genau dosierte Zusatzstoffe, wie Reduktionsmittel, einbringen und deren chemische
Wirkung genau regeln. Auch kann man aus der reagierenden Schmelze Stoffe in Richtung
auf die Ofenwand zentrifugal nach außen abfließen lassen, z. B. durch Öffnungen
in der Ofenwand, und zwar an gewollt vorherbestimmten Stellen des Ofens unter geregelten
einheitlichen Zustandsbedingungen des Arbeitsgutes an dieser Stelle. In ähnlicher
Weise kann man an solchen Stellen unter genau einstellbaren und reproduzierbaren
Bedingungen Proben nehmen oder Rührwirkungen ausüben durch z. B. eingebaute entsprechende
Einrichtungen.
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Bei gasentwickelnden Prozessen kann man das Reaktionsgas nach der
Erfindung im Gegensatz zu bisher bekannter Arbeitsweise gewollt geregelt und differenziert
aus in ihrer Lage zum Ofenraum festliegenden, einheitlich arbeitenden Ringzonen
des Arbeitsgutes so abziehen, daß z. B. die Abzugsgeschwindigkeit genau auf die
jeweils an der gleichen Stelle der Oberfläche des Arbeitsgutes herrschende Entstehungsgeschwindigkeit
abgestimmt ist, wodurch erreicht wird, daß mit größter und gewollter Genauigkeit
z. B. Reaktionsgas und fest oder flüssig verbleibende Reaktionsteilnehmer voneinander
getrennt werden. Eine derartige Arbeitsweise ist aber von größter Bedeutung für
den Reaktionsablauf sowie die Geschwindigkeit und Art der Einstellung der gewünschten
chemischen Gleichgewichte.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung fließen also die Reaktionsteilnehmer
in einem Energiestrahlungsraum mit genau geregelter Form des Weges und der Oberfläche
unter genau geregelter Energieeinwirkung zusammen und anschließend daran in gewolltem
und geregeltem Sinne auch wieder auseinander. Dadurch ist man in der Lage, auf die
zur Reaktion zusammenfließenden Stoffe oder auf die abfließenden Reaktionsteilnehmer
geregelte Wirkungen auszuüben. So kann man z. B. die Führung eines Kohlekornes als
eines Teilchens des Arbeitsgutes in der Vorwärmzone so ordnen, daß es unter dem
Einfluß der geregelten Energieeinstrahlung in gewolltem Zeit-Wege-Verhältnis verschwelt,
also seine flüchtigen Bestandteile abgibt, aber bis zu einer bestimmten Stelle des
Ofens keine zu hohe Temperatur annimmt, also nicht sintert, sondern seine sehr poröse
und für chemische Reaktionen wichtige große spezifische Oberfläche als Schwelkokskorn
beibehält. Dabei kann aus dieser präzise festliegenden Vorschwelzone das entstehende
Schwelgas unmittelbar aus dem Ofen und damit dem weiteren Kontakt mit den Reaktionsteilnehmern
entfernt werden. Ebenso kann auch das bei der Reaktion entstehende Kohlenoxyd in
derselben Weise aus genau nach Lage, Temperaturhöhe, Entwicklungsdruck usw. definierten
scharf abgegrenzten Ringzonen des Ofens abgeführt werden, ohne daß es Reaktionsteilnehmer
in der Form von Staub mit sich reißt oder durch weitere Berührung mit den Reaktionsteilnehmern
unerwünschte chemische Reaktionen verursacht.
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Nach der Erfindung gelingt es also, diese für Verfahrensabläufe grundlegend
wichtigen Aufgaben bis ins kleinste zu regeln, indem Entwicklungsdruck und Abzugsmöglichkeit
jeweils genau aufeinander abgestimmt werden, da die Bedingungen beider vorher berechnet
und infolgedessen betrieblich auch eingehalten werden können.
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In Fig. I ist eine Reaktionsvorrichtung für hohe Temperaturen nach
der Erfindung schematisch dargestellt. Als Energiequelle wird ein elektrischer Lichtbogenring
g benutzt. Der elektrische Strom fließt, in bekannter Weise durch Ändern des Gesamtwiderstandes
im Stromkreise bzw. der angelegten Spannung regelbar, durch eine achsensymmetrische
Hohlelektrode 8 in die Reaktionsvorrichtung ein. Am unteren Ende der Hohlelektrode
tritt er in Gestalt eines symmetrisch zur Achse liegenden Lichtbogenringes 9 zur
Gegenelektrode über, die durch eine leitende Einlage 17 z. B. aus Kohlenstoß gebildet
wird. Sie leitet den Strom an die Metallhülle des Ofengehäuses 10 über, von wo er
durch einen Schleifkontakt 19 bei I8 zur Stromquelle zurückgeführt wird. Die Ausbildung
des untersten Endes der Hohlelektrode 8 und der als Gegenelektrode dienenden Einlage
I7 erfolgt derart, daß der Lichtbogenring je nach Bedarf in einer gewünschten Richtung,
z. B. etwas nach außen, auseinandergezogen wird. Man erhält damit in Gestalt des
Lichtbogenringes g eine Energiequelle, deren Primärtemperatur sich auf 3000 bis
50000 C und darüber einstellen läßt und bei der sich die Hauptrichtung der Ausstrahlung,
der Neigungswinkel derselben gegen die Achse, verändern läßt. Da sich außerdem die
Höhe der Hohlelektrode 8 im Ofensystem beliebig verstellen läßt, ergibt sich ein
nach Intensität der Energiezufuhr sowie nach Hauptrichtung und Entfernung gegenüber
dem Ofenraum genau einstellbarer Strahlungsraum mit dem Lichtbogenring als symmetrischer
Kernzone. Für jeden Punkt des Ofenraumes sind seine Wirkungen genau zu berechnen,
da sie bekannten Strahlungsgesetzen folgen und hohe Energiekonzentrationen von nicht
unter I0 kW je Liter Reaktionsraum und infolgedessen besonders scharf ausgeprägte
Strahlungsquellen angewandt werden. Das feinkörnige Arbeitsgut befindet sich innerhalb
der Hohlelektrode 8 in dem Auslaufstück 2I und rieselt aus diesem als einstellbarer
dünner axialer Faden abwärts, indem es auf der rotierenden Einlage 17 des Gehäuses
10 einen Mischungskegel A bildet. Infolge der Rotation wird der Mischungsfaden an
den Mantelflächen des Kegels A abwärts und zu einer sich zentripetal immer mehr
vergrößernden Ringfläche spiralig gleichmäßig auseinandergezogen. Unter dem Einfluß
der Strahlung aus dem Lichtbogenring 9 kommt diese durch Energieaufnahme zum Schmelzen,
wobei infolge der ver-
ringerten Viskosität die Vergrößerung der
Oberfläche innerhalb der an den Kegel A anschließenden Schmelzzone B stark zunimmt.
Das ist für den Reaktionsablauf von Bedeutung, weil auf diese Weise das Reaktionsgut
an dieser Stelle der einstrahlenden Energie aus dem Lichtbogenring g die größte
spezifische Oberfläche darbietet und frei werdenden und austretenden Reaktionsgasen
die entsprechend große spezifische Austrittsoberfläche bei immer kleiner werdender
Schichtdicke zur Verfügung stellt. Auf diese Weise wird verhindert, daß Reaktionsteilnehmer
als Staub vom Reaktionsgas fortgerissen werden, und gleichzeitig erreicht, daß die
feinkörnigen Reaktionsteilnehmer schnellstens und in homogener gleichmäßiger Weise
mit Energie beladen-werden. Anschließend an die Reaktionsschmelzzone B durchläuft
das geschmolzene Arbeitsgut die Überhitzungszone C. Infolge des größeren Abstandes
vom Lichtbogenring g und des immer ungünstiger werdenden Neigungswinkels der Hauptstrahlung
wird dabei die Einstrahlungswirkung immer geringer. Sie bleibt aber infolge der
Symmetrie des Gesamtaufbaues in allen gleichliegenden Zonen gleichmäßig. Die bis
zu einer bestimmten Temperatur überhitzte Schmelze C wird bei I6 über den Rand des
rotierenden Ofenraumes 10 abgeschleudert und dann in irgendeiner Weise weiterbehandelt,
z. B. granuliert oder aus einer Auffangrinne laufend abgezogen, wobei die zentrifugale
Wirkung der Gesamtanordnung die Trennung der Schmelze in sich nach ihrem spezifischen
Gewicht unterscheidende Komponenten erleichtert.
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Aus der Reaktionszone B strömt das Reaktionsgas z. B. in der als
Doppelstrang 38 gezeichneten Hauptrichtung ab, ebenso, wenn auch schwächer und in
anderer Zusammensetzung, aus der Nachüberhitzungszone C z. B. als einfacher Strang
35. Aus der genau festliegenden Lage beider an sich verschiedenartiger Austrittszonen
ergibt sich die Möglichkeit, derartige Gasströme unmittelbar und getrennt voneinander
zu erfassen und abzuziehen.
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Durch die Vorrichtung 22 kann (Fig. I) an einer bestimmten Stelle
der Oberfläche des Arbeitsgutes, z. B. am Übergang von der Schmelzzone B zur Überhitzungszone
C, ein Zusatzstoff zugeführt werden.
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Mit einer ähnlichen Einrichtung, die z. B. auf und ab bewegt werden
kann, läßt sich eine bestimmte Rührwirkung bei Berührung mit dem umlaufenden Arbeitsgut
erzielen. Bei 34 kann sich in der Ofenwandung 10 eine Reihe von Öffnungen mit sie
artig gleichmäßiger Verteilung befinden, durch welche unter dem Einfluß der zentrifugalen
Kraft (aus der Überhitzungszone C) Komponenten nach außen entweichen, sofern deren
Eigenschaften den Bedingungen des Ausflußwiderstandes entsprechen. Man kann z. B.
durch Verändern der Umdrehungsgeschwindigkeit sowohl die Fließgeschwindigkeit wie
die Oberfläche des Arbeitsgutes gewollt und einfach verändern. Dasselbe ergibt sich
aus einer Veränderung der Masse des Ofengefäßes 10 bzw. der Einlage I7.
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In der Fig. I wird ferner gezeigt, daß man die Ströme der Reaktionsgase
38 bzw. 35 auf getrennten Wegen durch ein den Ofenraum unmittelbar überdeckendes
Kühl- bzw. Kondensationssystem 36 leiten und dort nachbehandeln kann. Die Hohlelektrode
ist bei 3I gasdicht, aber beweglich eingeführt. Bei 37 ist die Zufuhr eines Fremdgases,
z. B. von Sauerstoff, vorgesehen, das mit dem Reaktionsgas 38 im Kondensationsraum,
ohne also den Hauptraum zu berühren, zusätzliche Reaktionen ergibt. An der Stelle
20 können die wegen der hohen Temperatur stark leuchtenden inneren Ofenvorgänge
optisch verfolgt werden.
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Die Reaktionsvorrichtung nach Fig. I ist z. B. bei II auf einem Kugellager
gelagert und wird über eine Antriebsscheibe 23 angetrieben. Die axiale Hohlwelle
14 saugt aus dem Kühlwasserbehälter 12 automatisch Kühlwasser in den inneren Raum
des doppelwandig ausgeführten Ofengehäuses hoch, läßt dieses an der obersten Kante
bei I6 umkehren und im Außenmantel I8 abwärts strömen und über das axiale Außenrohr
Ig ausströmen. Die die Reaktionsvorrichtung tragende Bodenplatte I3 kann gegen den
festen Boden in der Höhe verstellbar angeordnet sein, so daß der rotierende Teil
und somit auch das Arbeitsgut gegenüber einer feststehenden, wenn auch an sich bewegbaren
Hohlelektrode 8 verschoben werden kann.
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Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Reaktionsvorrichtung nach Fig.
I. Man erkennt daran besonders die absolut symmetrische Anordnung der geregelt aufeinanderfolgenden
Vorwärmzone des Kegels A, der Schmelz- bzw. Reaktionszone B, der anschließenden
Überhitzungszone C mit der Zufuhr eines Zusatzstoffes 22 an der Grenze beider, den
gleichmäßig verteilten Sieböffnungen 34 in der Ofenwandung und dem symmetrischen
Ring I6 des Übertritts der überhitzten Endschmelze über den Ofenrand 10.
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In der Fig. 3 ist eine Reaktionsvorrichtung dargestellt, die anstatt
mit einem Lichtbogenring mit einem Ringbrennersystem 28 arbeitet. Die Hohlelektrode
ist in diesem Falle als ein vertikal verschiebbares Hohlrohr 27 ausgebildet. In
ihrem als Hohlkörper ausgebildeten Mantel fließen der Brennstoff 25 und Sauerstoff
26 nach unten und treten am unteren Ende des Hohlrohres 27 in Gestalt des gleichmäßig
verteilten Flammenkranzes 28 mit gewünschter Intensität und Strahlungsrichtung aus.
Über dem unteren Flammenkranz 28 kann ein oberer Flammenkranz 29 dadurch entstehen,
daß durch die Reaktion in der Zone B freigesetzte brennbare Reaktionsgase 38 mit
sekundär zugeführtem Sauerstoff verbrannt werden, wobei dieser zusätzliche Wärmeeffekt
für das Verfahren geregelt und ausgenutzt wird.
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Das Hohlrohr 27 ist (Fig. 3) als ein achsensymmetrischer Mischungstrichter
ausgebildet, dessen untere Kegelflanken in den eigentlichen Ofenraum hineinragen
und infolgedessen durch die Wärme der Reaktionsgase erhitzt werden. Sie geben die
aufgenommene Abwärme an die innen an den Kegelflanken gleichmäßig niederrutschende
Mischung 21 ab, wodurch aus dieser zunächst Wasser in Form von Dampf und später
Schwelgase entweichen. Der erstere kann für sich aus dem Ringspalt 32, die Schwelgase
aus dem getrennten Innenrohrraum 33 abgezogen werden.
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In Fig. 4 ist eine Draufsicht auf die Anordnung der Fig. 3 dargestellt.
Durch die Fig. 5 wird die Wirkung gezeigt, die man erzielt, wenn man das Hohlrohr
27 (mit der in diesem Falle nur in einfacher Ausführung
gezeichneten
Ringflamme 28') relativ zum rotierenden System des Arbeitsgutes nach oben verschiebt
und dabei zugleich die Rotation und damit die Zentrifugalkraft etwas vermindert
sowie gleichzeitig die durch die Energiequelle erzeugte Primärtemperatur etwas senkt.
Es ergeben sich in diesem Falle ganz andere Beeinflussungen des Reaktionsverfahrens.
Die Eindringtiefe der Energieeinstrahlung geht zurück. Der im Falle der Fig. 3 tiefliegende
Strahlungs- bzw. Ofenraum füllt sich gleichmäßig mit erkaltender Schmelze 30, bis
das thermische Gleichgewicht zwischen Energiezufuhr und -verbrauch wiederhergestellt
ist. Infolge der geringeren zentrifugalen Wirkung wird die Parabel-Oberflächen-Kurve
des wandernden Arbeitsgutes flacher, der Flammenring 28' nimmt eine andere Form
an. Als Wirkung auf das Arbeitsgut ergibt sich eine geringere, aber immer gleichmäßige
Energiezufuhr. Man kann dann das Reaktionsgut bei niedriger Temperatur bereits aus
der Schmelzzone B über den Ringrand I6, also ohne Überhitzung, abziehen. Es ist
auf diese Weise möglich, den Temperaturverlauf im Arbeitsgut, dessen Endtemperaturen,
die Temperatur-Isothermen innerhalb des Ofen- bzw. Strahlungsraumes in gewünschter
Weise symmetrisch zu verschieben und sie auf die Notwendigkeiten des Reaktionsablaufes
abzustimmen.
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Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch eine Reaktionsvorrichtung nach Fig.
5. Im Falle der Fig. 6 geht der Schnitt durch die Schmelzzone B, im Falle der Fig.
4 durch den oberen Teil der Überhitzungszone C, an die anschließend noch eine Verdampfungszone
D angedeutet ist.
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Als Beispiel für die Anwendungsvorteile des Verfahrens nach der Erfindung
sei auf die elektrothermische Reduktion von Zinkoxyd nach der Gleichung ZnO + C
= Zn + CO55,6 kcal hingewiesen. Üblicherweise braucht man zum Erzeugen von 65,4
kg 7;n-Dampf 84 kg ZnO plus 12 kg C.
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Dazu kommt aber die notwendige Behandlung von etwa 20 kg Gangart.
Um den Anteil des in ihr verbleibenden Zn-Gehaltes möglichst niedrig zu halten,
gibt man vorsorglich hohen C-Überschuß in die Reduktion, z. B. zusätzlich etwa 25
kg Überschußkohlenstoff. Nach der Erfindung läßt sich die Reduktion aus großer spezifischer,
präzise mit Energie bestrahlter Oberfläche so genau durchführen, daß bei einem C-Überschuß
über die theoretischen 12 kg nach obenstehender Angabe von nur 3 kg ein Zn-Gehalt
in der Gangart unter I°/o erreicht wird.
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Ein ähnliches Beispiel vorteilhaften Arbeitens zeigt die elektrothermische
Reduktion von Phosphat zu Phosphor nach der Beziehung Ca3(PO4)2 + 5 C + 3 SiO2 =
3 CaO SiO2 $ 2P +5C0.
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In diesem Falle muß bekanntlich SiO2 als Gangart besonders zugefügt
werden mit dem Ergebnis, daß die somit vermehrte Schlackenmenge durch einen durchschnittlichen
Gehalt von etwa o,2°/o in ihr verbleibenden P-Gehaltes ein quantitativ bedeutsamer
Verlustträger bleibt. Nach der Erfindung arbeitend, konnte der P-Gehalt in derartiger
Schlacke auf unter 0,04 0in P abgesenkt werden. Das ist dann besonders wichtig,
wenn man es beispielsweise mit einem Al 203 enthaltenden Aluminiumphosphat zu tun
hat und daran interessiert ist, die Endschlacke mit möglichst niedrigem P-Gehalt
weiterer Verwendung, beispielsweise der Aluminiumerzeugung, zuzuführen.
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Bei derartigen üblichen elektrothermischen P-Reduktionsverfahren
setzt man je Liter Ofenraum und Stunde etwa 0,OI kg P um. Nach der Erfindung arbeitend,
gelang es, Raum-Zeit-Ausbeuten von über 0,5 kg je Liter Ofenraum und Stunde zu erzielen,
infolge des präzise gelenkten, spezifisch stark gesteigerten Energieumsatzes. Da
bei derartigen Verfahren die apparativen Verluste, bei gleichbleibender Arbeitstemperatur,
durch die abstrahlenden Oberflächen gegeben sind, bedeutet eine derartige Steigerung
der Raum-Zeit-Ausbeute eine beachtliche Verbesserung der Energiebilanz des Verfahrens,
neben der Verbesserung der chemischen Stoffbilanz.
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Die Herstellung von Calciumcarbid nach der Beziehung CaO + 3 C =
CaC2 + CO verläuft bekanntlich üblicherweise so, daß in großen Reaktionsgefäßen
Ca 0 reduzierend eingeschmolzen wird und daß sich dann in dieser Schmelze besonders
der Energieeinstrahlung ausgesetzte Teile weiter zu Calciumcarbid umformen. Infolge
des unkontrollierbaren Durcheinanderströmens untermischen sie sich fortwährend wieder
mit der CaO-Grundschmelze, so daß man bei der technischen Carbidherstellung nur
ein mehr oder minder vom theoretischen CaC2-Höchstgehalt abweichendes CaC2-CaO-Gemisch
erhält.
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Nach der Erfindung erhält man unter den genannten thermisch besonders
günstigen Bedingungen hoher Raum-Zeit-Ausbeute eine klare Abgrenzung der Schmelzzone,
in welcher Ca 0 eingeschmolzen, dabei zu Ca-Schmelze anschließend reduziert wird
und weiterhin anschließend bei weiterhin gesteigerter präziser Energiezufuhr in
sich anschließender Reaktionszone die Umformung von Ca-flüssig in CaC2-flüssig.
Es wird aber vermieden, daß sich die Ca C2-Endschmdze wieder mit dem Ausgangszustand
CaO-flüssig untermischen kann. Auf diese Weise werden Calciumcarbide von wo0/, Ca
C1 und darüber nach der Erfindung technisch einwandfrei erhalten.