FI64056B - Foerfarande foer utfoerande av en vid hoeg temperatur skeende kemisk reaktion och reaktor foer utfoerande av foerfarandet - Google Patents

Description

t--- -Γ~—1 Γβ1 .... KUULUTUS] U LK A! SU r λ r\ r. f ^ '11' UTLÄGGNLINGSSKRSFT 6405.6 ^ (si) Kv.ik.3/int.ct.3 B 01 J 19/08 SUOMI—FINLAND <**) Patenttlhakmnui — PKantamAknlnf 7 527 37 Q2) HakemiipiM—AneMinlnpdif 30.09.75 ίΡΠ ' s> (23) AlkupOM—GHtlghetadag 30.09.75 (11) Tullut JulklMkai — Bllvlt offumllg 21.03.77

Patentti-Ja rekisterihallitus (44) Nihtiviksipanor ia ><uuL|ulkai«in pvm.— η(ς on

Patent- och re^isterstyreisen Ansdfcan utlagd och utl.*krlften pubflceratf J ‘ ' 3 (32)(33)(31) Pyydetty etuoikuu* — Begird prlorltet (71) Thagarö Technology Company, 2712 Kelvin Avenue, Irvine, California 92705, USA(US) (72) Edvin M.alovich, Brea, California, USA(UC) (7·+) Bt-'rggren Oy Ab ,(5'4) Menetelmä korkeassa lämpötilassa tapahtuvan kemiallisen reaktion suorittamiseksi ja reaktori menetelmän suorittamiseksi -Förfarande för utförande av en vid hög temperatur skeende kemisk reaktion och reaktor för utförande av förfarandet

Esillä oleva keksintö koskee kaasu- tai nesteseinäreaktoreita korkealämpötilaisia kemiallisia reaktioprosesseja varten sekä eri prosesseja, joita voidaan toteuttaa näissä reaktoreissa, joista prosesseista monet aikaisemmin ovat olleet mahdottomia tai vain teoreettisesti mahdollisia. Sekä kaasu- tai neste-seinäreaktoreissa että näissä reaktoreissa käytetyissä prosesseissa käytetään säteilykytkentää lämmönlähteenä, suunnitellut kemialliset reaktiot ylläpidetään eristettyinä suojaavan kaasu- tai nestepeitteen taikka kuoren sisällä irti kosketuksesta reaktorin pintoihin ja täten aikaansaadaan lämpö-suojavaippa, joka olennaisesti sulkee sisäänsä säteilykuumen-nusvälineet ja reaktiovyöhykkeen määrittäen "mustan kappaleen ontelon". Tässä käytettynä tarkoitetaan termillä "mustan kappaleen ontelo" tilaa, joka on olennaisesti ympäröity pinnalla tai pinnoilla, ja josta, ideaalisesti, mitään säteilyä ei voi poistua. Esillä olevan reaktorin ollessa kysymyksessä lämpösuojauksen muodostaa "mustan kappaleen onteloa" ympäröivä pinta tai pinnat ja aine, josta lämpö3Uojus on valmistettu, toimii eristeenä estäen lämmön siirtoa mustan kappaleen ontelon sisältä ja sen täytyy pystyä kestämään niitä lämpötiloja, joita säteiiykytkentäinen lämmönlähde synnyttää.

2 64056

Korkealämpötilaisia reaktoreita käytetään nykyisin pyrolyysi-, termo-lyysi-, dissosiaatio-, hajottamis- ja palamisreaktioissa sekä orgaanisten että epäorgaanisten yhdisteiden yhteydessä. Olennaisesti kaikki tällaiset reaktorit siirtävät lämmön reagoiviin aineisiin konvektiolla ja/tai konduktiolla, mutta tämä ominaisuus luontaisesti aiheuttaa kaksi suurta probleemaa, jotka rajoittavat toteutettavien reaktioiden luonnetta ja piiriä. Molemmat probleemat johtuvat siitä seikasta, että tavanomaisessa reaktorissa, joka siirtää lämmön reagoiviin aineisiin konvektiolla, järjestelmän korkein lämpötila väistämättömästi on reaktorin sisäpinnan ja reaktanttivirtauksen välisellä rajapinnalla.

Ensimmäisenä probleemana on käytettävissä olevien reaktiolämpötilojen rajoitukset, jotka johtuvat tunnettujen reaktoriseinäaineiden lujuudesta korotetuissa lämpötiloissa. Näiden aineiden aleneva kyky säilyttää koossapysyvyytensä kasvavassa lämpötilassa on luonnollisesti hyvin tunnettu. Kuitenkin koska on tarpeen, että näitä aineita kuumennetaan, jotta lämpöenergiaa voitaisiin siirtää reaktanttivirtauk-seen, on käytettyjä reaktiolämpötiloja rajoittanut se lämpötila, johon reaktorin seinä turvallisesti voidaan kuumentaa. Tämä seikka on erityisen kriitillinen tapauksissa, jolloin suunnitellun reaktion täytyy tapahtua korkeissa paineissa taikka sen täytyy tuottaa korkeita paineita.

Toinen probleema luontaisesti johtuu siitä, että tavanomaisen reaktorin seinä on järjestelmän korkeimmassa lämpötilassa ja että konvek-tioon/konduktioon perustuva lämmönsiirto vaatii kosketuksen seinän ja reaktanttivirtauksen välille. Ollessaan tällaisessa korotetussa lämpötilassa reaktorin seinä on ideaalinen joskaan ei toivottavin reaktio-kohta järjestelmässä ja monissa tapauksissa reaktiotuotteet kasaantuvat seinälle. Tällainen kasaantuminen huonontaa järjestelmän kykyä siirtää lämpöä reaktantteihin ja tämä yhä kasvava terminen impedanssi vaatii lämmönlähteen lämpötilan nostamista progressiivisesti ylläpitämään alkuperäistä lämmönsiirtonopeutta reaktanttivirtaukseen. On ilmeistä, että kun kasaantuminen kasvaa, vaadittu lämmönlähteen lämpötila saattaa ylittää reaktorin seinäaineen kyvyn kestää lämpöä. Lisäksi, kun lisäenergiaa tarvitaan reaktion ylläpitämiseen, prosessi tulee vähemmän tehokkaaksi sekä teknillisesti että taloudellisesti. Täten kohdassa, jossa suunniteltua reaktiota ei enää voida ylläpitää joko lämmönsiirron, aineiden lujuuden taikka taloudellisten seikkojen 3 64056 vuoksi, järjestelmä täytyy pysäyttää ja puhdistaa.

Puhdistaminen suoritetaan tavallisesti kaapimalla reaktorin seinää taikka kemiallisesti polttamalla kerrostumat pois. Joissakin jatkuvissa prosesseissa on yritetty kaapia reaktorin seinää reaktion aikana. Itse kaapimistyökalu tulee kuitenkin kuumaksi, muodostuu reaktion tapahtumako hdak s i ja tämän jälkeen se täytyy puhdistaa. Joka tapauksessa tämä seisonta-aika merkitsee huomattavaa taloudellista menetystä. Monissa tapauksissa asennetaan toinen järjestelmä tarkoituksella minimoida menetetty tuotantoaika. Tällainen lisälaitteisto kuitenkin yleensä merkitsee huomattavaa pääomainvestointia. Joihinkin korkealäm-pötilaisiin kemiallisiin reaktoreihin sisältyy putki, joka kuumennetaan lämpötilaan, jossa sen sisäseinät emittoivat riittävästi säteily-energiaa reaktion aloittamiseksi ja ylläpitämiseksi. Kuitenkin kuten kysymyksen ollessa konduktioon ja konvektioon perustuvista reaktoreista, reaktioissa, joissa saaliina on kiinteitä aineita, yleensä esiintyy tuotteen ei-toivottavaa kasaantumista putken seinille, mikä johtaa alennettuun lämmönsiirtoon ja jopa putken tukkeutumiseen.

US-patentissa 2 926 073 esitetty reaktori on suunniteltu tuottamaan hiilimustaa ja vetyä luonnonkaasun pyrolyysillä. Prosessi selitetään jatkuvaksi, mutta käytännössä konvektioon perustuva lämmönsiirtoperi-aate, jolla reaktori toimii, aiheuttaa vaikeita pulmia sekä reaktion ylläpidossa että valvonnassa. Koska reaktorin kuumennetut putket ovat ideaalisia reaktiokohtia, hiili usein kasaantuu ja silloin tällöin tukkeaa järjestelmän. Vaikeampi pulma on kuitenkin termisen ryöstäy-tymisen pulma, josta voi olla seurauksena räjähdyksiä. Tämän tilan suhteen on todettu, että luonnonkaasun pyrolyysin kuluessa kaasu-faasin terminen johtokyky äkillisesti nousee noin viisikertaiseksi-kolmikymmenkertaiseksi, riippuen kaasun koostumuksesta. Koska lämpötilaa tavanomaisessa konvektioreaktorissa ei voida säätää riittävällä nopeudella ja tarkkuudella tämän ilmiön kompensoimiseksi, joissakin tapauksissa järjestelmä tulee epästabiiliksi ja seurauksena voi olla räjähdyksiä. Tällaiset tilat ovat luontaisia tavanomaisissa reaktoreissa ja tähän asti ei ole löydetty mitään keinoa tämän pulman välttämiseksi .

US-patentti 3 565 766 edustaa viimeaikaista yritystä parantaa kivihiilen laatua pyrolyysillä. Esitettyyn järjestelmään kuuluu joukko onttoja teräsastioita, jotka toimivat monivaiheisina juoksevina kerros- „ 64056 tumina peräkkäisesti nousevin lämpötiloin aina noin 871°C saakka. Juoksevaksi tekeminen alemmissa lämpötiloissa toteutetaan inertillä kaasulla, joka voi sinänsä syöttää lämpöä, vaikkakin ulkopuolinen kuumennus on suunniteltu. Korkeammissa lämpötiloissa juoksevaksi tekeminen toteutetaan yläpuolisella kaasulla, joka saadaan lopullisesta vaiheesta; ja lopullisessa vaiheessa lämpötila ylläpidetään hiilen sisäisellä palamisella ilmassa tai hapessa. Koska järjestelmä perustuu pääasiassa lämmön siirtoon kovektiolla, sillä on monia niitä puutteita ja epäkohtia, joita edellä jo käsiteltiin.

US-patentissa 2 0β2 358 esitettyyn laitteistoon hiilimustan valmistamiseksi sisältyy huokoinen putki, joka on sijoitettu kuumennuskammioon. Kuuma kaasu suunnataan ulkopuolisesta uunista kammioon ja pakotetaan sen jälkeen huokoisen putken seinän lävitse sekoittumaan reaktantteihän. Täten käytetään vain lämmön konvektiosiirtoa juoksevasta aineesta reaktantteihin. Tämä yhdessä sen seikan kanssa, että puuttuu "mustan kappaleen ontelo", tekee tarpeelliseksi juoksevan aineen suuren tilavuusmäärän virtaamisen läpi kuumennuskammion lämpöhäviöiden korvaamiseksi.

US-patentissa 2 769 772 selitetään reaktori juoksevien aineiden kuten hiilivetyjen lämpökäsittelyä varten, johon reaktoriin sisältyy kaksi samankeskistä putkea, jotka on sijoitettu liekkikuumennettuun uuniin. Reaktantit virtaavat aksiaalisesti läpi läpäisevän sisemmän konsentri-sen putken. Lämpöäkuljettava kaasu, joka virtaa reangasmaisessa kammiossa samankeskisten putkien välissä, kuumennetaan kosketuksella ulkoseinään. Juoksevat aineet sisemmässä putkessa kuumennetaan konvek-tiolla, kun lämpöä kuljettava kaasu kulkee läpäisevän seinän lävitse ja sekoittuu niihin. Tosiasiassa on mahdotonta kuumentaa sisempää putkea kuumentamatta samanaikaisesti ulompaa putkea vähintään yhtä korkeaan lämpötilaan.

US-patentin 2 ^36 282 mukaisessa pintapalamis-krakkausuunissa käytetään samanlaista konvektioon perustuvaa lämpöä kuljettavan kaasun periaatetta kuin US-patentissa 2 769 772. Uuni sisältää huokoisen, tulenkestävän putken, joka on ympäröity vaipalla. Palava juokseva aine rengasmaisesta kammiosta pakotetaan huokoisen seinän lävitse putken sisäpuolelle, missä se sytytetään. On kuitenkin ilmeistä, että palava juokseva aine rengasmaisessa kammiossa räjähtää ellei sitä pakoteta huokoisen seinän lävitse suuremmalla nopeudella kuin mitä on 5 64056 liekin kulkunopeus taaksepäin seinän lävitse. Samalla tavoin on lämpötila reangasmaisessa kammiossa pidettävä kaasu/ilmaseoksen syttymislämpötilan alapuolella. Palamistuotteet pintaliekistä sekoittuvat uunin reaktantteihin saastuttaen ne ja mahdollisesti reagoiden niiden kanssa. Lämpö annetaan reaktanteille konven-tiosekoittamalla palamistuotteet ja reaktantit.

us-patentit 2 670 272, 2 670 275, 2 750 260, 2 915 367, 2 957 753 ja 3 ^99 730 esittävät palamiskammioita titaanidioksidipigmentin tuottamiseksi polttamalla titaanitetrakloridia hapessa. Patentissa 2 670 275, joka on edustava tälle ryhmälle, titaanitetrakloridi poltetaan huokoisessa tulenkestävässä putkessa. Inerttiä kaasua diffusoidaan jatkuvasti huokoisen putken lävitse palamiskammioon, missä se muodostaa suojaavan verhon putken sisäpinnalle. Tämä kaasuverho alentaa olennaisesti titaanidioksidiosasten taipumusta tarttua reaktorin seiniin. Koska titaanitetrakloridin palaminen on eksoterminen reaktio, mitään keinoja ei ole varattu lämmön syöttämiseksi reaktioseokseen kun tämä kulkee putken lävitse. Tosiasiassa patentin 2 670 275 mukaan on edullista poistaa lämpöä reaktorikammiosta joko tekemällä huokoinen putkilaitteisto paljaaksi ulkoilmalle tai kierrättämällä juoksevaa jäähdytysainetta läpi kierukan, joka on sijoitettu huokoisen putken ympärille.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä korkeassa lämpötilassa tapahtuvan kemiallisen reaktion suorittamiseksi johdetaan reaktantit keskeisesti reaktioputken läpi, jonka sisäseinämää suojaamaan on muodostettu kaasuverhous johtamalla sen huokoisen seinämän läpi reak-tiokammion puolelle inerttiä, säteilyä olennaisesti läpäisevää kaasua, ja kuumennetaan reaktioputkessa olevaa ainetta tai aineita suurtehosäteilyn avulla reaktion käynnistämiseksi ja ylläpitämiseksi, ja keksintö on tunnettu siitä, että tulenkestävää ainetta olevaa reaktioputkea kuumennetaan ainakin osalla sen pituutta, jolloin säteilyenergiaa heijastetaan yleensä reaktioputkea kohti sitä välimatkan päässä ympäröivästä lämpökilvestä, jolloin reaktioputkessa olevat aineet kuumenevat absorboimalla reaktioputken emittoimaa säteilylämpöä.

Siinä tapauksessa, että itse reaktantit ovat läpäiseviä säteily-energialle, viedään absorboivaa kohtioainetta reaktanttivirtauk-seen. Kohtioaine absorboi riittävästi säteilyenergiaa nostamaan sydämen lämpötilan halutulle tasolle. Kuitenkin joissakin 6 6405 β tapauksissa, vaikka reaktantit ovat läpäiseviä säteilylle, yksi tai useampia reaktiotuotteista voi olla absorboivana aineena. Tällaisesssa tapauksessa sen jälkeen kun reaktio on pantu alkuun, kohtioaine voidaan ottaa pois ja reaktio jatkuu. Esimerkki tällaisesta reaktiosta on metaanin pyrolyysi hiileksi ja vedyksi.

Jotkut reaktiot palautuvat joko osittain tai täydellisesti ellei reaktiotuotteita jäähdytetä välittömästi ja nopeasti. Näissä tapauksissa on edelleen ajateltu, että reaktiotuotteiden ja mahdollisesti jäljellejääneiden kohtioaineiden jäähdyttäminen toteutetaan välittömästi halutun reaktion tultua loppuun viedyksi.

Esillä olevan keksinnön mukainen korkealämpötilainen kaasu- tai nesteseinäreaktori siirtää olennaisesti kaiken tarvittavan lämmön reaktantteihin säteilykytkennällä.

Reaktoriin kuuluu (A) reaktoriputki, jossa on sisääntulopää ja ulostulopää ja jonka sisätila muodostaa reaktorikammion, joka reaktoriputki on valmistettu huokoisesta tulenkestävästä aineesta, joka pystyy emittoimaan säteilyenergiaa, jonka tulenkestävän aineen huokosilla on sellainen halkaisija, joka mahdollistaa riittävän inertin juoksevan aineen tasaisen virtauksen putken seinän lävitse muodostamaan suojaava verho reaktoriputken säteettäisesti sisäänpäin olevalle pinnalle; (B) juoksevaa ainetta pitävä, putkimainen paineastia, joka ympäröi reaktoriputkea ja rajoittaa inertin juoksevan aineen ko-koojakammion reaktoriputken ja paineastian väliin, jolloin reaktoriputken sisääntulo- ja ulostulopäät on tiiviisti suljettu kokoojakammiosta, jolloin paineastiassa on sisääntulo inertin juoksevan väliaineen sisäänpäästämiseksi, (C) reaktiokomponenttien syöttövälineet, jotka on sijoitettu ja sovitettu syöttämään ainakin yhtä reaktiokomponenttia reak-tiokammioon reaktioputken sisääntulopäästä, ja reaktori on tunnettu siitä, että reaktoriin sisältyy (D) sähkölämmitin, joka sijaitsee kokoojakammiossa ja säteen suunnassa välimatkan päässä reaktoriputkesta, ja (E) kehän suuntainen lämpökilpi, joka sijaitsee paineastiassa säteen suunnassa lämmittimen ulkopuolella, joka lämpökilpi on sovitettu heijastamaan säteilyenergiaa reaktoriputkeen.

7 64056

Toisin kuin tavanomaiset konvektiosektorit, esillä oleva keksintö perustuu säteilykytkentään lämmön siirtämiseksi reak-tanttivirtaukseen. Siirretyn lämmön määrä on riippumaton sekä fysikaalisesta kosketuksesta reaktorin seinän ja virtauksen välillä että pyörteisen sekoittumisen määrästä virtauksessa. Päätekijä lämmön siirrossa esillä olevassa järjestelmässä on reaktanttien säteilyn absorptiokerroin (a). Inertin juoksevan aineen muodostama verho, joka suojaa reaktorin seinää, on edullisesti olennaisen läpäisevä säteilylle ja siten sillä on varsin alhainen kertoimen (a) arvo. Tämä mahdollistaa energian siirron verhon lävitse reaktanttivirtaukseen vähäisin tai olemattomin energiahäviöin. Ideaalisesti joko itse reaktantit tai kohtioaine omaavat suuret kertoimen (a) arvot ja absorboivat täten suuria määriä energiaa taikka vaihtoehtoisesti, reaktantit voivat olla hienojakoisia, kuten sumussa, siten, että säteily absorboituu jäämällä loukkuun osasten väliin. Koska aineet, jotka ovat hyviä absorbereita, yleensä ovat hyviä säteilyn emittereitä, kun reaktantit tai kohtioaineet nostetaan riittävän korkeaan lämpötilaan, ne tulevat sekundäärisäteilijöiksi, jotka uudelleensäteilevät energiaa kautta koko reagoivan tilavuuden ja edelleen parantavat järjestelmän lämmönsiirto-ominaisuuksia. Tämä tapahtuu melkein hetkellisesti ja sitä voidaan valvoa nopeasti ja tarkasti. Lisäksi uudelleensäteily-ilmiö, joka varmistaa reaktanttien nopean ja tasaisen kuumentamisen, on täysin riippumaton sen pyörteisen sekoittumisen määrästä, jota voi esiintyä reaktanttivirtauksessa.

Esillä oleva korkealämpötilainen kemiallinen prosessi ja laitteisto muodostavat ratkaisun probleemoihin, jotka ovat vaivanneet alan ämmättiväkeä ja siten ne sallitvat sellaisten reaktioiden toteuttamisen, jotka tähän asti ovat olleet mahdottomia tai vain teoreettisesti mahdollisia. Koska lämpö syötetään säteilykytkennällä eikä konvektiolla ja/tai konduk-tiolla, voi reaktanttivirtauksen lämpötila olla riippumaton sekä reaktorin seinän lämpötilasta että olosuhteista reaktanttivirtauksessa ja vaikea aineiden lujuuspulma vältetään.

Vaikka käytetään kuumennettua seinää säteilyenergian lähteenä, ei käytetä suuria paineita, jotka normaalisti edistävät monenlaisia reaktioita. Tästä syystä voidaan menestyksellisesti käyttää 8 64056 sellaisia tulenkestäviä aineita kuin hiiltä tai toriumoksidia, jotka eivät ole sopivia käytettäviksi seinäaineena tavanomaisessa reaktorissa. Verrattuna eniten lämpötilaa kestäviin seoksiin, jotka sulavat noin 1590°C:n lämpötilassa, esimerkiksi toriumoksidi on käyttökelpoinen yli noin 2930°C lämpötiloissa. Tämä ominaisuus sallii paljon suuremmat reaktiolämpötilat kuin mitä tähän asti on ollut saavutettavissa ja reaktiot, jotka ovat olleet vain teoreettisesti toteutettavissa, voidaan toteuttaa.

Hiilikangas, edullinen tulenkestävä aine yhtä esillä olevan reaktoriputken suoritusmuotoa varten, on suhteellisen huokeaa, helposti saatavissa olevaa ja se voidaan muodostaa olennaisesti suuremmiksi reaktoriputkiksi kuin valetusta huokoisesta hiilestä valmistetut, joita nykyisin on saatavissa. Koska hiilikangas normaalisti on taipuisaa, yritykset pakottaa inert-ti kaasu säteittäisesti sisäänpäin läpi tällaista ainetta olevan reaktoriputken aiheuttaisivat putken kokoonsortumisen. Tämän mukaisesti esillä olevan keksinnön mukaan on ajateltu kerrostaa kerros pyrolyyttistä grafiittia kankaalle sen jäykistämiseksi riittävästi kestämään paine-eroa, joka ylläpidetään inerttiä juoksevaa ainetta sisältävän kokoojakammion ja reaktiovyöhykkeen välillä. Pyrolyyttisen grafiittikerrok-sen sijoittaminen kankaalle myös mahdollistaa kudoksen huokoisuuden säätämisen.

Suojaavan inerttistä juoksevaa ainetta olevan verhon käyttäminen, joka on tehty mahdolliseksi suuresti sillä, että käytetään säteilykytkentää, eristää reaktorin seinän reak-tanttivirtauksesta ja tekee mahdottomaksi normaaleissa toimintaolosuhteissa minkään saostuman tai muun kerrostuman kerääntymisen ja näiden aiheuttaman järjestelmän tukkeutumisen. Siinä tapauksessa, että käytetään syövyttävää juoksevaa ainetta kuten höyryä verhona, reaktioputken, kuumen-nuselementtien ja lämpösuojan pinnat, jotka pidetään korkeissa lämpötiloissa ja kosketuksessa verhokaasuun kun reaktori on toiminnassa, voidaan päällystää ohuella kerroksella tulenkestävää oksidia, kuten toriumoksidia, magnesiumoksidia tai sirkoniumoksidia. Tulenkestävä oksidi voidaan kerrostaa 9 64056 näille pinnoille kuumentamalla reaktori haihtuvan, metallia sisältävän yhdisteen dissosiaatiolämpötilan yläpuolelle, tuomalla tämä yhdiste reaktorikammioon ja antamalla sen dissosioitua, kerrostaen metallikerroksen kuumennetuille pinnoille. Sen jälkeen kaasua tai jotakin muuta sopivaa ainetta kuten esimerkiksi molekulaarista happea voidaan viedä reaktiokammioon hapettamaan metallikerros, niin että muodostuu haluttu tulenkestävä oksidi. Vaihtoehtoisesti tulenkestävä päällyste voidaan saada aikaan yhdessä vaiheessa, jos haihtuvaa metallia sisältävää yhdistettä, joka pyrolysoituu suoraan oksidiksi, käytetään tulenkestävänä kerrostamisaineena.

Säteilykytkennän käyttäminen tekee edelleen mahdolliseksi lämmönsiirtonopeuksien tarkan ja melkein hetkellisen säädön, mikä on mahdotonta saavuttaa tavanomaisessa konvektioreak- torissa. Yhdessä keksinnön suoritusmuodossa, joka on sopiva suurikaavaisiin kaupallisiin tarkoituksiin, on saavutettu 2 tehotiheys noin 180 W/cm . Tämä luku merkitsee suurta pa- 2 rannusta verrattuna 2-3 W/cm , mikä tavallisesti saavutetaan tavanomaisissa reaktoreissa. Ja lämpösuojan käyttäminen muodostamaan pinta tai pinnat mustan kappaleen ontelossa, jonka sisällä reaktiot tapahtuvat, mahdollistaa epätavallisen edullisten termisten tehokkuuksien saavuttamisen.

Reaktiot, joita voidaan toteuttaa esillä olevan keksinnön mukaisella prosessilla ja reaktorilla, ovat monet ja moninaiset. Esimerkiksi orgaanisia yhdisteitä, erityisesti hiilivetyjä voidaan pyrolysoida tuottamaan hiiltä ja vetyä ilman kasaantumis- ja termisiä- ryöstäytymisongel-mia, joita esiintyy tunnetussa tekniikassa. Tyydytettyjä hiilivetyjä voidaan osittain pyrolysoida tyydyttämättömien hiilivetyjen 10 64056 saamiseksi; täten esimerkiksi propaania ja etaania voidaan dehydrata propyleeniksi ja etyleeniksi. Tyydyttämättömät hiilivedyt voidaan osittain pyrolysoida vedyn läsnäollessa muodostamaan tyydytettyjä hiilivetyjä ja erityisesti, maaöljytuotteita voidaan termisesti krakata.

Täten kaasuöljy voidaan helposti muuttaa dieselöljyksi, paloöljyksi (keroseeni), bensiinijakeiksi tai jopa metaaniksi. Halogeenilisäai-neita voidaan lisätä osittain pyrolysoituihin hiilivetyihin tuottamaan suuremman molekyylipainon omaavia yhdisteitä. Hiilivedyt voidaan täydellisesti tai epätäydellisestä pyrolysoida vesihöyryn läsnäollessa muodostamaan hiilimonoksidia ja vetyä; lisää vetyä voidaan sitten lisätä ja jatkaa reaktiota muodostamaan alkaanisarjän hiilivetyjä, jotka ovat suuren polttoarvon omaavia polttoainekaasuja.

Epäorgaanisia yhdisteitä voidaan samoin pyrolysoida. Esimerkiksi muiden muassa raudan, elohopean, volframin ja tantaalin suoloja tai oksideja voidaan dissosioida puhtaiden metallien saamiseksi. Raudan, nikkelin, koboltin, kuparin ja hopean oksidit, muutamia mainitaksemme, voidaan suoraan pelkistää vedyn läsnäollessa samoin tuloksin. Tämä luettelo ei missään nimessä ole tarkoitettu tyhjentäväksi.

Uusia sekatuotteita voidaan myös valmistaa esillä olevalla prosessilla. Voidaan esimerkiksi saada hiili- tai talkkiosasia, jotka on päällystetty piikarbidilla. Tämä tuote toimii erinomaisena hankausaineena, koska, sellaisena kuin sitä käytetään, se jatkuvasti murenee ja muodos- 235 taa uusia teräviä pintoja. Tiettyjen alkuaineiden, kuten esim. U osaset voidaan myös kapseloida kemiallisesti tiiviiseen, toista ainetta kuten hiiltä olevaan kuoreen; erityisesti viimeksimainittu tuote on hyödyllinen ydinreaktorin polttoaine-elementtinä.

Olemme edelleen ajatelleet, että esillä oleva keksintö voi muodostua päätevaiheeksi tavanomaisessa jätteiden ja jätevesien aerobisessa polttamisessa. Suhteellisen alhaiset lämpötilat, joita esiintyy nykyisessä polttamistekniikassa, sallivat typen orgaanisten peroksidien ja oksidien muodostumisen, jotka ovat päätekijöitä valokemiallisen smogin ja muunlaisen ilmansaastumisen aiheuttamisessa. Koska tällaiset yhdisteet eivät ole stabiileja niissä korkeammissa prosessilämpö-tiloissa, joita saadaan aikaan esillä olevalla keksinnöllä, voidaan saada aikaan jätteiden poltosta poistuvia aineita, jotka ovat hyvin vähän saastuttavia.

11 64056

Edelleen, esillä olevaan keksintöön sisältyy korkealämpötilainen anaerobinen jätteiden tislaus ja/tai disassosiaatio, jolloin saaliiksi saadaan hyödyllisiä tuotteita, kuten hiilimustaa, aktiivi-hiiltä, vetyä ja lasimurskaa, muutamia mainitaksemme. Vesihöyryn lisääminen tällaiseen jätteeseen tuottaa hiilimonoksidia ja vetyä, joita sitten voidaan prosessoida tavanomaiseen tapaan polttokaa-sujen tuottamiseksi. Lopuksi, vedyn lisäämisellä tällaiseen jätteeseen tuotetaan maaöljyekvivalentteja raskaita öljyjä ja muita maaöljytuotteita. Täten olennainen väheneminen ilman saastumisessa sekä merkittäviä taloudellisia voittoja voidaan toteuttaa näillä esitetyillä esillä olevan keksinnön sovellutuksilla.

Esillä oleva keksintö merkitsee suurta läpimurtoa alan tekniikassa. Koska se ensimmäisen kerran tekee mahdolliseksi käyttää termisen energian lähdettä, jota ei koskaan aikaisemmin ole valjastettu tällä tavoin, sen mahdolliset sovellutukset ovat lukuisat ja vaih-televat. Lisäksi väistämällä ne materiaalin lujuusongelmat, jotka ovat rajoittaneet tekniikkaa monia vuosia, tämä keksintö tekee mahdolliseksi käytännöllisessä mielessä monia hyödyllisiä kemiallisia reaktioita, jotka ovat kauan olleet tunnettuja mutta joita ei ole voitu toteuttaa johtuen lämpötilarajoituksista, jotka ovat luontaisia reaktoreille, jotka riippuvat konvektioon ja/tai konduk-tioon perustuvasta lämmönsiirrosta.

Seuraavassa selitetään keksintöä oheisiin piirustuksiin liittyen.

Kuvio IA esittää leikkausta esillä olevan keksinnön mukaisen reaktorin sisääntulopäästä.

Kuvio IB esittää leikkausta reaktorin ulostulopäästä; kuviot IA ja IB esittävät puolikkaita yhtenäisestä rakenteesta, joka on jaettu pitkin viivaa A-A tarkoituksella tehdä kuviot riittävän suuriksi tiettyjen rakenteellisten yksityiskohtien selvää kuvaamista varten. Kuvio 1C on osittain leikattu perspektiivikuva reaktorista, kuviosta on poistettu muutamia osia tai joitakin osia on kuvattu kaaviollisesti tarkoituksella selvemmin kuvata reaktorin toimintaa. Kuvio 2 esittää leikkausta olennaisesti pitkin viivaa 3-3 kuviossa IA.

Kuvio 3 esittää leikkausta olennaisesti pitkin viivaa 4-4 kuviossa IB.

i2 64056

Kuvio 4 esittää leikkausta olennaisesti pitkin viivaa 5-5 kuviossa IA.

Kuvio 5 esittää perspektiivikuvana osaa reaktoriputken kuumennus-välineistä esillä olevan keksinnön toisessa suoritusmuodossa.

Kuviot 6A, 6B, 6C ja 6D yhdessä muodostavat osittain leikatun edestä päin katsotun kuvan esillä olevan keksinnön mukaisesta reaktorista; reaktorin yhtenäinen rakenne on jaettu pitkin viivoja A-A, B-B ja C-C tarkoituksella saada mittakaava riittävän suureksi tiettyjen rakenteelisten yksityiskohtien selvää esittämistä varten. Kuvio 7 esittää leikkausta olennaisesti pitkin viivaa 8-8 kuyiossa 6A.

Kuvio 8 esittää leikkausta olennaisesti pitkin viivaa 9-9 kuviossa 6B.

Kuvio 9 esittää leikkausta olennaisesti pitkin viivaa 10-10 kuyiossa 6B.

Kuvio 10 esittää leikkausta olennaisesti pitkin viivaa 11-11 kuyiossa 6C.

Kuvio 11 esittää leikkausta olennaisesti pitkin viivaa 12-12 kuviossa 6C.

Kuvio 12 esittää pystyleikkauksena reaktion jälkikäsittelylaitelkaa esillä olevan keksinnön mukaisen reaktorin vaihtoehtoisessa suoritusmuodossa.

Kuviot 13A ja 13B yhdessä muodostavat osittain leikkauksena esitetyn kuvan keksinnön vaihtoehtoisen suoritusmuodon sisäänmeno-koostumuksesta; sisäänmenokoostumuksen yhtenäinen rakenne on jaettu pitkin viivaa D-D tarkoituksella saada mittakaava riittävän suureksi tiettyjen rakenteellisten yksityiskohtien selvää esittämistä yarten.

Kuvio 14 on kaaviokuva keksinnön mukaisesta reaktorista yhdessä laitteiston kanssa, jolla esikäsitellään ja viedään kiinteät reaktantit keksinnön mukaisen reaktorin sisäänmenokoostumukseen. Kuyio 15 on kaaviollinen esitys, joka kuvaa keksinnön mukaisen reaktorin tulenkestävää päällystys- ja syövytysjärjestelmää.

Kuyio 16 on kaavio keksinnön mukaisen reaktorin lämpötilansäätö-piiristä.

Kuvio 17 on graafinen esitys keksinnön mukaisen reaktorin lämmi-tyselementin sähkövastuksesta lämpötilan funktiona ja siitä riippuen, kuinka monta kerrosta tulenkestävää kudosta muodostaa elementin.

Kuvio 18 esittää kaavallisesti keksinnön mukaisen reaktorin eri ohjausjärjestelmien toimintaa.

i3 64 05 6

Keksinnössä pidetään pääenergianlähteenä, jolle suunnittelun on perustuttava, mustan kappaleen säteilyä tai muuta sähkömagneettista säteilyä, erityisesti aallonpituusalueella noin 100-0,01 mikronia.

Kuvioissa IA-5 ja erityisesti kuvioissa 1A-1C on kuvattu keksinnön mukaista reaktoria 60, johon kuuluu reaktoriputki 61, jossa on tulopää 62 ja lähtöpää 63; putken 61 sisätila määrittää reak-torikammion 65· Reaktoriputki 61 on tehty huokoisesta aineesta, joka pystyy emittoimaan säteilyenergiaa; huokoshalkaisija on edullisesti noin 0,02-0,5 mm, jotta mahdollistettaisiin tasainen virtaus riittävän inerttiä juoksevaa ainetta putken seinän lävitse muodostamaan asianmukainen suojaava verho. Kuita seinäkonstruktioi-ta, kuten verkkoa, sihtiä taikka eri tyyppisiä rei’ityksiä voidaan myös käyttää aikaansaamaan haluttu tulos. Reaktoriputki 61 -yoi olla tehty sellaisista aineista kuin grafiitti, hiili, sintrattu ruostumaton teräs, sintrattu volframi taikka sintrattu molybdeeni ja epäorgaanisista aineista, kuten muun muassa tcriumin, magnesiumin, sinkin, alumiinin taikka sirkoniumin oksideista. Volframi, nikkeli ja molybdeeni ovat myös sopivia käytettäviksi verkkoina tai sihteinä.

Juoksevaa ainetta pitävä paineastia 70, joka edullisesti on tehty ruostumattomasta teräksestä, sulkee sisäänsä reaktoriputken 61. Astian 70 yhtenäisyys on ylläpidetyy joukolla tiivistyslaippoja 71, 72; 73, 74; ja 75, 76, jotka liittävät reaktorin 60 eri osia toisiinsa. Laipat 72, 73 ja 76 on lisäksi urattu vastaanottamaan ruostumatonta terästä olevat 0-renkaat 77* 78 ja 79* jotka toimivat painetiivisteinä. Reaktoriputki 61 on liukuvasti asennettu siten, että toinen pää on grafiittiholkissa 8l, joka sallii putken 6l mahdollisen pitenemisen toiminnan aikana korotetuissa lämpötiloissa.

Paineastiaan 70 kuuluu lisäksi sisääntulo 83 inertin juoksevan aineen sisäänpäästämiseksi, joka aine 6405 6 on olennaisesti läpäisevää säteilyenergialle. Inertti juokseva aine on olennaisesti läpäisevää säteilylle, koska sillä on alhainen (a) arvo. Juokseviin aineisiin, jotka ovat sopivia tähän tarkoitukseen, kuuluvat yksinkertaiset kaasut, kuten helium, neon, argon, krypton ja ksenon; teknilliset kaasut, jotka eivät hajoa muodostaen kiinteää tuotetta, kuten vety, typpi, happi ja ammoniakki; ja nestemäinen tai kaasumainen vesi. Tässä käytettynä sisältyy termiin ’’inertti" kaksi tekijää: juoksevan aineen kyky reagoida kemiallisesti reaktoriputken 11 aineen kanssa ja juoksevan aineen kyky reagoida kemiallisesti niiden aineiden kanssa, jotka ovat mukana prosessissa. Täten inertin verhon juoksevan aineen valinta riippuu kussakin tapauksessa juuri siinä vallitsevasta ympäristöstä. Ellei nimenomaan toisin ole suunniteltu, on toivottavaa, että juokseva aine on inerttiä reaktoriputkeen nähden ja tavallisesti on toivottavaa, että juokseva aine on inerttiä sen reaktion suhteen, jota toteutetaan. Voidaan kuitenkin ajatella, että joissakin tapauksissa suojaavan verhon "inertti” juokseva aine myös ottaa osaa reaktioon, kuten esimerkiksi silloin, kun rauta- tai hiilihiukkaset saatetaan reagoimaan höyryverhon läsnäollessa tuottamaan rautaoksidia ja vettä taikka hiilimonoksidia ja vettä. Inertti juokseva aine suunnataan ensin paineisena kokoojakammioon 85, joka rajoittuu reaktoriputken 6l ja paineastian seinän 70 väliin. Tämän jälkeen tämä juokseva aine suunnataan putken 61 huokoisen seinän lävitse reaktorikammioon 65 muodostamaan suojaava verho reaktoriputken 6l säteettäiselle sisäpuoliselle pinnalle.

Välineisiin paineastian 70 jäähdyttämiseksi kuuluvat jäähdytys-kierukat 87, jotka sijaitsevat paineastian säteettäisesti ulkopuolisen pinnan ympärillä. Kierukat 87 on edullisesti peitetty liekkisuihkutetulla alumiinipäällysteellä, mikä parantaa termistä kosketusta astian 70 ja kierukoiden 87 välillä jäähdytystehok-kuuden lisäämiseksi. Näitä kierukoita 87 on sijoitettu myös tarkastusaukon 88 ympärille, jolla paineastian seinä on varustettu.

Kuten parhaiten nähdään kuvioista IA ja 2, roaktantit viedään reaktorikammioon 65 reaktoriputken 61 tulopään 62 kautta. Välineisiin, joilla reaktantit viedään sisään, kuuluu tulo-osa 90, joka on asennettu juoksevaa ainetta pitävästä laipoilla 71, 72 15 64056 putken 6l tulopään 62 vieressä. Reaktantit kuljetetaan kaasuvir-tauksessa läpi sisääntulon 91» ohi tangentiaalisen ohjauslevyn 92 ja kokoojakammioon 93» joka rajoittuu uLkoseinän 94 ja diffuu-serin 95 väliin. Sopiviin aineisiin diffuuseria 95 varten, jonka tehtävänä on minimoida pyörteily virtauksessa, kuuluvat huokoinen hiili, teräsvilla ja verkkosihti. Reaktantit suunnataan ennaltamäärätylle kulkutielle aksiaalisesti reaktoriputkeen 6l ja suojaava verho olennaisesti rajoittaa ne keskelle reaktori-kammiota 65 ja irti kosketuksesta reaktoriputken sisäseinään.

Itse reaktoriputki 61 synnyttää suurtehoisen säteilyenergian, joka suunnataan sen keskelle olennaisesti osumaan ainakin osaan reaktanttien kulkutietä. Kuumennus saadaan aikaan useilla hiili-elektrodeilla 100a-100f, jotka sijaitsevat säteettäisesti putken 6l ulkopuolella ja välin päässä sen kehästä; elektrodeilla 100 synnytetty lämpö siirretään putkeen 6l säteilyllä. Kuten parhaiten nähdään kuvioista IA, 4 ja 5, esimerkiksi elektrodit 100a ja 100b on yhdestä päästä upotettu kaarevaan poikittaishiilielement-tiin 101a; elektrodit 100c ja lOOd on upotettu poikittaiselement-tiin 101b; ja elektrodit lOOe ja lOOf on samalla tavoin upotettu poikittaiselementtiin 101c. Putkimaisilla alumiinioksidisilla välielimillä 101a-102c on kaksoistehtävä ensiksikin keskeittää huokoinen reaktoriputki 6l ja toiseksi jakaa kolme virtapiiriä. Kuten erityisesti nähdään kuvioista IB ja 3» kukin hiilielektrodi on toisesta päästään asennettu kupariseen kokoojaelektrodiin 104. Vaikka reaktorissa on kuusi tällaista elektrodia 104, on niistä kuviossa 3 selvyyden vuoksi esitetty vain yksi. Kuhunkin kupariseen kokoojaelektrodiin 104 kuuluu fenolilaippa 105 ja keraaminen eristin 106. Elektrodi 104 on jäähdytetty vedellä, joka kiertää sisäpuolisessa kanavassa 107, tullen sisään tuloaukosta 108 ja poistuen lähtöaukon 109 kautta. Suurvirtasähkökytkentää on merkitty viitenumerolla 110. Polytetrafluoroeteenitiiviste 111 auttaa estämään vuotoa paineastiasta 70. Tässä esitetty sähköjärjestelmä on erityisen sopiva käytettäväksi kolmivaiheteholähteestä. Muitakin järjestelmiä voidaan kuitenkin käyttää olosuhteiden niin vaatiessa. Lisäksi on ajateltu, että huokoista putkea 6l itseään voidaan kuumentaa suoraan sähkövastuksella; tässä tapauksessa elektrodit 100 voidaan jättää pois.

16 64056

Putkenkuumennusvälineiden termistä tehokkuutta on edelleen parannettu käyttämällä molybdeenistä lämpösuojakilpeä 120, joka muodostaa rajoittavan pinnan ’’mustan kappaleen ontelolle’’, heijastaen sähkömagneettista säteilyä hiilielektrodeista 100 kohti huokoista putkea 6l. Sen johdosta, että lämpökilpi 120 heijastaa eikä siirrä lämpöä, se toimii eristeenä ja täten voidaan valmistaa mistä tahansa aineesta, jolla on tämä ominaisuus ja joka pystyy kestämään niitä lämpötiloja, joita elektrodit 100 synnyttävät. Lämpökilpi 120 on sijoitettu paineastian 70 sisään säteettäisesti ulospäin elektrodeista ja edullisesti se muodostuu suorakulmaisen poikkileikkauksen omaavasta litteästä kaistaleesta, joka on kierretty paikalleen useina kierukkamaisina kierroksina. Tällainen konstruktio sallii inertin kaasun tulemisen sisääntulon 83 kautta ja sallii kaasun kiertää vapaasti kautta koko kokoojakammion 85.

Kohtioainetta tai muita alkuunpanovälineitä tai -keinoja voidaan käyttää tarvittaessa. Jos itse reaktiokomponenteilla ei ole suhteellisen suurta säteilynabsorptiokomponenttia, kohtioainetta voidaan tuoda reaktorikammioon 65 sisääntulon 121 kautta. Kohtioaineena voi olla hienojakoinen kiinteä aine, kuten esimerkiksi hiilijauhe tai jokin muu sopiva aine, joka tulee reaktori-kammioon 65 yhdessä reaktanttien kanssa sisääntulon 62 kautta ja absorboi riittävästi säteilyenergiaa nostamaan reaktanttien lämpötilan vaaditulle tasolle. Vaihtoehtoisesti kohtioaineena voi olla neste, kuten terva, asfaltti, pellavansiemenöljy taikka dieselöljy ja se voi sisältää liuoksia, dispersioita, geelejä ja suspensioita eri tavoin valmistettuina ja helposti valittuina käytettävissä olevista aineista kulloinkin kysymyksessä oleviin vaatimuksiin sopiviksi. Kohtioaineena voi olla kaasu, jolla edullisesti on absorptio sähkömagneettisen säteilyspektrin alueella noin 100-0,01 mikronia] tällaisia kaasuja ovat esimerkiksi eteeni, propeeni, typen oksidit, bromi, kloori, jodi ja etyylibromidi. Kohtiona voi myös olla kiinteä elementti, joka on tehty sellaisesta aineesta kuin esimerkiksi hiili, joka on sijoitettu reaktorikammioon 65 pitkin ainakin osaa reaktanttien kulkutiestä.

17 64056

Muihin keinoihin reaktion lämpötilan nostamiseksi tarvittavalle tasolle voivat kuulua sähkölämpöelementti, sähkövalokaari taikka liekki, joka on sijoitettu reaktorikammioon 65 osumaan yhteen reaktanttien kulkutien ainakin osan kanssa. Näissä tapauksissa alkulämmönlähde on itseään ylläpitävä, eikä ole johdettu sätei-lyenergiaa synnyttävistä välineistä. Tällaiset välineet ovat erityisen käyttökelpoisia silloin, kun itsereaktantit ovat läpäiseviä säteilylle, mutta ainakin yksi reaktiotuotteista on absor-beri. Täten sen jälkeen kun suunniteltu reaktio on alkanut, lämpötilan nostamisvälineet voidaan deaktivoida, koska reaktio-tuotteet absorboivat riittävästi säteilyenergiaa reaktion ylläpitämiseksi. Samalla tavoin, jos käytetään kohtioainetta, sen käyttö voidaan keskeyttää tai se voidaan vetää pois sen jälkeen kun reaktio on alkanut, katkaisu voi tapahtua esimerkiksi ohjausvälineillä 35. Esimerkkinä reaktiosta, jossa kohtioainetta tai muita alkuunpanovälineitä tarvitaan vain alussa, on metaanin pyrolyysi, joka tuottaa hiiltä ja vetyä. Myös voidaan käyttää reaktiotuotteiden jäähdytysvälineitä 125, joiden konstruktio on sellainen kuin edellä selitettiin tai jokin muu sopiva konstruktio, estämään ei-haluttuja kemiallisia reaktioita, joita saattaisi tapahtua, ellei reaktiotuotteita jäähdytettäisi välittömästi niiden muodostumisen jälkeen.

18 64056

Koska säteittäinen verhon sisääntuonti ei vaadi verhon juoksevan aineen laminaarista virtausta, voidaan saavuttaa suhteellisen suuria reaktiokammion aksiaalisia pituuksia. Kaikki mitä pitää tehdä on pitää inertin juoksevan aineen absoluuttinen painetaso suurempana kuin absoluuttinen painetaso reak-tanttivirtauksessa tarkoituksella estää reaktantteja ja/tai reaktiotuloksia törmäämästä reaktoriputkeen 6l. Tämä piirre auttaa tekemään tämän suoritusmuodon sopivammaksi suurikaa-vaiseen kaupalliseen toimintaan.

Kuvion 1 putkea 6l täytyy kuumentaa ja se voi toimia lämpötiloissa yli 2930°C kuten esimerkiksi tapauksessa, jolloin huokoinen toriumoksidi on perusaineena. Vaikka viileä seinä paremmin pystyy kestämään painetta, koska se ei ole termisen rasituksen alaisena, niin kuuma seinä 61 ei ole painegradien-tin vaikutuksen alaisena paitsi ehkä suhteellisen pienen juoksevan aineen verhon ja reaktanttivirtauksen välisen ero-tuspaineen alaisena. Paineen ottaa vastaan ruostumatonta terästä oleva paineastian 70 seinä, joka luonnollisesti on jäähdytetty kierukoilla 87 eikä täten ole termisten rasitusten alaisena. Tämän mukaisesti tulenkestävää ainetta, kuten hiiltä tai toriumoksidia, jotka pystyvät kestämään lämpötiloja paljon yli niiden joita tavanomaiset reaktoriseinäaineet kestävät, mutta jotka ovat sopimattomia käytettäviksi tavanomaisessa konvektioreaktorissa, voidaan nyt ensimmäisen kerran käyttää aikaansaamaan käytännöllinen, ultrakorkealämpötilainen järjestelmä.

Kuvioissa 6A-14 on esitetty esillä olevan keksinnön mukaisen korkealämpötilaisen kemiallisen reaktorin suoritusmuoto, jossa on parannus edelliseen suoritusmuotoon verrattuna ja johon kuuluu sisääntulokoostumus 200, elektrodikoostumus 300, pää-koostumus 400 ja reaktion jälkikäsittelykoostumus 500. Tämän reaktorin pääelementteihin kuuluvat: 19 64056 (A) Reaktoriputki *101, jossa on tulopää 402 ja lähtöpää 403; ainakin osa putken 401 sisäosasta määrittää reaktiovyöhyk-keen 4o4. Reaktoriputki 401 on valmistettu kuituista tulenkestävää ainetta olevasta kudoksesta, joka pystyy emittoimaan riittävästi säteilyenergiaa nostamaan reaktanttien lämpötilan reaktiovyöhykkeessä 404 tasolle, joka vaaditaan halutun kemiallisen reaktion alkuunpanemiseen ja ylläpitämiseen. Kudoksessa voi olla useita huokosia, joilla on sellainen halkaisija, että kudos sallii lävitseen tasaisen virtauksen riittävän inerttiä juoksevaa ainetta, joka on olennaisesti läpäisevää säteilyenergialle, muodostamaan suojaava verho reaktoriputken 401 säteettäisesti sisäpuoliselle pinnalle.

(B) Juoksevaa ainetta pitävä, putkimainen paineastia (jossa on sisääntulo-osa 201, elektrodiosa 301, pääosa 405 ja reaktion jälkeisen käsittelyn osa 501) sulkee sisäänsä reaktoriputken 4.01 määrittäen inertin juoksevan'aineen kokoojakammion 406 reaktoriputken 401 ja paineastian väliin. Reaktoriputken 401 tulo- ja lähtöpäät 402 ja 403 on tiiviisti suljettu kokoojakammiosta 2o 64 05 6 406. Paineastiassa on ensimmäinen sisääntulo 4o8 ja toinen sisääntulo 409 inertin juoksevan aineen päästämiseksi sisään, joka aine paineisena suunnataan kokoojakammioon 406 ja huokoisen putkiseinän 401 lävitse reaktiovyöhykkeeseen 404.

(C) Välineet reaktanttien, kaasumaisten, nestemäisten tai kiinteiden viemiseksi reaktiovyöhykkeeseen 404 reaktoriputken 401 tulopään 402 kautta. Reaktantit suunnataan ennaltamäärättyä, reaktoriputken 401 aksiaalista kulkutietä pitkin ja ne sulkee sisäänsä suojaava verho, ja ne ovat olennaisesti keskeisesti reaktiovyöhykkeessä 404 ja irti kosketuksesta reaktoriputken 401 sisäseinään.

(D) Sähkövälineet, joihin kuuluu kuumennuselementit 302a, 302b ja 302c, jotka sijaitsevat kokoojakammion 406 sisällä ja ovat säteettäi-sen välin päässä ulospäin reaktoriputkesta 401 reaktoriputken lämmittämiseksi lämpötilatasolle, jolla se emittoi riittävästi säteilyener-giaa halutun kemiallisen reaktion alkuunpanemiseksi ja ylläpitämiseksi. Säteilyenergia suunnataan reaktiovyöhykkeeseen 404 olennaisesti osumaan ainakin osaan reaktanttien kulkutietä.

(5) Lämpökilpi 410, joka sijaitsee paineastian sisällä olennaisesti sulkien sisäänsä kuumennuselementit 302a, 302b ja 302c ja reaktiovyö-hykkeen 404 määrittäen mustan kappaleen ontelon. Lämpökilpi 410 heijastaa säteilyenergian sisäänpäin kohti reaktiovyöhykettä 404.

A. Sisääntulo-osa

Erikoisesti kuvioissa 6A ja 7 on esitetty paineastian sisääntulokoos-tumusosa 201, joka on putkimainen elin, jonka päissä on ensimmäinen ja toinen laippa 202 ja 203. Rengasmainen suutinlohko 204 on kiinnitetty rengasmaiseen tiivistyslaippaan 205, joka vuorostaan on juoksevaa ainetta pitävästi kiinnitetty paineastian sisääntulokoostumusosan 201 ensimmäiseen laippaan 202. Pääsumutuskaasunsisääntuloputki 206 ulottuu rengasmaisen suutinlohkon 204 lävitse ja on tukilaipalla 207 kiinteästi kiinnitetty tähän. Tiivistysrengas 209 tukilaipassa 207 varmistaa juoksevaa ainetta pitävän tiivistyksen pääsumutuskaasunsi-sääntuloputken 206 ja laipan 207 välillä. Sisääntuloliitin 210 on kiinnitetty pääsumutuskaasunsisääntuloputken 206 yhteen päähän, kuten on esitetty kuviossa 6A. Sumutuskaasu tulee kokoojakammioon 211 sisääntulon 212 kautta.

21 64056

Nestemäisen reaktantin pääsisääntuloputki 214 sijaitsee pääsumutus-kaasunsisääntuloputken 206 sisällä ja on olennaisesti koaksiaalinen tämän kanssa. Nestemäinen pääreaktantti tulee putkeen 214 liittimen 210 sisääntulon 215 kautta.

Kuten parhaiten nähdään kuviosta 6b, sumutussuutin 216 on kiinnitetty ulostulopäähän sekä pääsumutuskaasunsisääntuloputkessa 206 että nestemäinen reaktantin pääsisääntuloputkessa 214. Sumutussuuttimeen 216 kuuluu putkimainen kuori 217, joka on kiinnitetty ja sijaitsee säteettäisesti ulospäin suuttimesta kuten kuviossa on esitetty. Kuoren 217 akseli on olennaisesti yhdensuuntainen reaktoriputken 401 akselin kanssa. Toiminnassa nestemäinen reaktantti ja sumuttava kaasu suunnataan paineisena putkien 214 ja 206 lävitse ja paineisena ne sekoitetaan suuttimessa 216. Nestemäinen reaktantti tulee täten dispergoituna suuttimen ulostulosta sumuna, joka absorboi säteilyener-giaa. Putken 217 tehtävänä on auttaa sitä, että nestemäinen reaktantti· sumu pysyy keskeisesti reaktoriputken 401 esireaktiovyöhykkeen 411 sisällä.

Kuten parhaiten on esitetty kuvioissa 6A ja 7, esillä olevan reaktorin edullisen suoritusmuodon sisääntulorosaan voi edelleen kuulua joukko sekundäärisiä sisääntuloputkia 2l8a, 2l8b ja 2l8c, jotka mahdollistavat nestemäisten lisäreaktanttien tuonnin. Välineet sekundääristen nestemäisten reaktanttien tuomiseksi ovat rakenteellisesti ja toiminnallisesti samanlaisia kuin edellä kuvatut välineet primäärisen nestemäisen reaktantin tuomiseksi ja täten käsittävät edelleen sekundääriset sumutuskaasun sisääntuloputket 219a, 219b ja 219c ja sumutussuuttimet kuten 220a (lisäsumutussuuttimia ei ole esitetty). Tyypillinen sisääntulo nestemäiselle sekundääriselle reaktantille ja tyypillinen sisääntulo sekundääriselle sumutuskaasulle on merkitty viitenumeroilla 221 ja 222.

Edellä esitetyssä on oletettu, että itse reaktanteilla joko on suhteellisen suuri säteilyn absorptiokerroin (a) tai ne voidaan muuttaa sumuksi, joka absorboi säteilyenergiaa. Jos kuitenkaan näin ei ole laita, täytyy säteilyenergiaa absorboivaa kohtioainetta, esimerkiksi sellaista kuin edellä aikaisemmin selitettiin, viedä reaktorivyöhykkeeseen 404 yhteensattuvasti ainakin osan reaktanttien kulkutietä kanssa. Erityisesti kuviosta 6a havaitaan, että pyyhkäisykaasu auttaa suuntaamaan nestemäisen reaktanttisumun kohti reaktiovyöhykettä 404.

22 6 4 0 5 6

Pyyhkäisykaasu tulee suutinlohkoon 204 läpi pyyhkäisykaasun tuloliit-timen 225» kulkee läpi kanavan 227 ja suunnataan reaktoriputken 401 akselin suuntaisesti kohti esireaktiovyöhykettä 4ll.

Kuten on esitetty kuvioissa 6A ja 7, reaktion katseluaukko 226 antaa aksiaalisen näkymän reaktiovyöhykkeeseen 404.

B. Elektrodiyhdistelmä

Erityisesti kuvioista 6B, 8, 9 ja 10 havaitaan, että putkimaisessa paineastian elektrodiosassa 301 on ensimmäiset ja toiset laippa-osat 303 ja 304 (kuvio 6A). Paineastian elektrodiosa 301 on ensimmäisellä laipallaan 303 kiinnitetty paineastian sisääntulo-osan 201 toiseen laippaan 203 juoksevaa ainetta pitävästi. Jäähdytys-ainekanava 305 rajoittuu paineastian elektrodiosan 301 ja elektro-diosan jäähdytysvaipan 306 väliin. Jäähdytysaine tulee kanavaan 305 sisääntulon 307 kautta ja poistuu ulosmenon 308 kautta.

Kuten parhaiten nähdään kuvioista 6B ja 8, kupariset kokooja-elektrodit 309a-309f on asennettu paineastian putkimaisen elektrodi-osan 301 laipalle 304 ja ulottuvat tämän lävitse. Vaikka kaikkiaan on kuusi tällaista elektrodia 309, on niistä selvyyden vuoksi vain yksi kuvattu kuviossa 6B. Kuhunkin kupariseen kokoojaelektroditan-koon 309 kuuluu fenolilaippa 310 ja keraaminen eristin 311. Kukin tällainen elektrodi 309 on jäähdytetty juoksevalla aineella, edullisesti etyleeniglykolilla, joka kiertää sisäpuolisessa kanavassa 312, tullen sisään sisääntulon 313 kautta ja poistuen ulostulon 314 kautta. Sähköinen kytkentä on merkitty viitenumerolla 315· Polytetrafluo-roetyleenitiiviste 316 autaa estämään vuodon inertin juoksevan aineen kokoojakammion 406 sisältä. Vaikka, kuten on esitetty kuviossa 16, esillä olevan reaktorin yhteydessä käytetty sähköjärjestelmä on 3-vaihe-Y-kytkentätyyppiä, myös muita järjestelmiä voidaan käyttää olosuhteiden niin vaatiessa.

Erityisesti kuvioista 6B ja 6C nähdään, että kukin kuparielektrodi 309 on kiinnitetty kieli- ja urakytkennällä jäykän hiilielektrodi-jatkeen 317 ensimmäiseen äärimmäiseen päähän. Elektrodiosan 412 jatkeet 317 työntyvät läpi lämpökilven 410 ensimmäisen osan 412 mutta eivät ole kosketuksessa tähän ja ovat kiinnitetyt toisessa äärimmäisessä päässään kaarevaan kuumennuselementin tukeen 318. Kuten parhai- 23 6 4 0 5 6 ten nähdään kuviosta 10, kuumennuselementit 302a-302c on kiinnitetty ensimmäisestä päästä yhteen kaarevista lämmityselementtien tuista 318 ja ne ovat kehän suunnassa välien päässä toisistaan reaktoriputken 401 ympärillä inertin juoksevan aineen kokoojakammion 406 sisällä. Kuu-mennuselementit on toisessa päässä kiinnitetty 3-vaiheiseen tähtipiste-renkaaseen 319, kuten on esitetty kuvioissa 6C ja 10. Kukin sähköinen vastuslämmityselementti 302 on edullisesti valmistettu kuituista tulenkestävää ainetta kuten grafiittia tai hiiltä olevasta kudoksesta. Kuumennuselementtien tuet 318 ja keskeinen kytkinrengas 319 voivat olla valmistetut sähköä johtavasta tulenkestävästä aineesta kuten hiilestä.

C. Reaktorin pääosa

Kuvioista ββ, 6C ja 9 nähdään, että paineastian putkimaisessa pääT osassa 405 on ensimmäinen ja toinen laippaosa 414 ja 415. Osa 405 on ensimmäisellä laipallaan 4l4 juoksevaa ainetta pitävästi kiinnitetty paineastian elektrodiosan 301 toiseen laippaan 304. Pääosan jäähdytyskanava 416 rajoittuu paineastian pääosan 405 ja pääosan jäähdytysvaipan 417 väliin.Kanavaa 4l6 rajoittaa lisäksi spiraali-ohjauslevy 4l8. Jäähdytysaine tulee spiraalikanavaan 4l6 sisääntulon 419 kautta ja poistuu ulostulon 420 kautta.

l

Reaktoriputkeen 401 sisältyy kolme vyöhykettä; esireaktiovyöhyke 411, reaktiovyöhyke 404 ja reaktion jälkeinen vyöhyke 422. Kuten edellä jo mainittiin, reaktoriputki 401 on valmistettu kuituista tulenkestävää ainetta kuten esimerkiksi hiiltä tai grafiittia olevasta kudoksesta. Kudos voi olla neulottu, kudottu tai ei-kudottu. Reaktioputki 401 on ulostulopäässään 403 kiinnitetty reaktoriputken ulostulopään tukirenkaaseen 424, joka vuorostaan on kiinnitetty paikalleen reakto-riputken kiinnityslohkoon 425· Reaktoriputki 401 on sisääntulopääs-tään 402 kiinnitetty reaktoriputken sisääntulon tukirenkaaseen 426, joka vuorostaan on juoksevaa ainetta pitävästi liitetty putkimaisiin palkeisiin 427, jotka sijaitsevat paineastian sisääntulo-osan 201 sisällä. Palkeiden 427 sisääntulöpää on juoksevaa ainetta pitävästi kiinnitetty paineastian1sisääntulo-osan 201 ensimmäisen laipan 202 ja rengasmaisen tiivistyslaipan 2U5 väliin sen varmistamiseksi, että reaktoriputken 401 sisääntulöpää pysyy tiiviisti erotettuna kokoojakammiosta 406. Palkeiden 427 muoto voi muuttua tekemään mahdolliseksi reaktoriputken 401 aksiaalisen pitenemisen ja lyhenemisen.

2Η 64056 Välineisiin aksiaalisen vetovoiman aiheuttamiseksi reaktoriputkeen 401 kuuluu kolme identtistä osaa, jotka ovat tasavälein paine-kammion sisääntulo-osan 201 kehäpinnan ympärillä. Yksinkertaisuuden vuoksi selitetään seuraavassa osa 428, joka on kuvattu kuviossa 6A. Kuhunkin osaan 428 kuuluu siirrettävä työntö-tanko 429, jonka toinen pää on kiinnitetty reaktoriputken sisääntulo-tukirenkaaseen 426 ja vastakkainen pää rengasmaiseen levyyn 430. Kukin työntötanko 429 on tuettu laakeriin 431, joka on juoksevaa ainetta pitävästi tiivistetty O-renkaalla 432. Silmukkarengas 433, joka on kiinnitetty rengasmaiseen levyyn 430, ankkuroi köyden 434, joka kulkee yleisesti yhdensuuntaisena reaktorin pituusakselin kanssa ja köy-sipyörälaitteiston 435 ylitse. Paino 436 on kiinnitetty köyden 434 vastakkaiseen päähän aiheuttamaan voima, joka pitää reaktoriputkea 401 aksiaalisen vetojännityksen alaisena.

Erityisesti kuvioista 6B ja 6C havaitaan, että lämpökilpeen 410 kuuluu ensimmäinen kehäosa 438, joka sijaitsee paineastian pääkoostumusosan 405 sisällä, säteettäisesti ulospäin kuumennuselementeistä 302a, 302b ja 302c ja lämpökilven 410 ensimmäisen päätyosan 412 ja toisen pääte-osan 439 välissä. Kuten kuviosta 6C nähdään, lämpökilven 410 ensimmäinen kehäosa 438 nojaa istuinrenkaaseen 437, joka edullisesti on valmistettu hiilestä. Haluttaessa voidaan lämpökilven 410 ensimmäistä kehäosaa jatkaa kohti elektrodi osaa 300 sisältämään toinen kehä-osa 440, kuten on esitetty kuviossa 6B. Vaikka molybdeeni oli alkuperäinen valinta ja vaikka se on todettu tyydyttäväksi aineeksi sen tyyppiselle lämpökilvelle jota tarvitaan esillä olevassa suurlämpö-tilaisessa kemiallisessa reaktorissa, on edullista, että esillä olevan suoritusmuodon lämpökilpi 410 valmistetaan grafiittiaineesta, kuten esimerkiksi pyrolyyttisestä grafiitista taikka aineesta, jota valmistaa Union Carbide Corporation ja jota myydään kauppanimellä "Grafoil".

Säteilymittariaukot 44l ja 442 on sijoitettu pääosaan 400.

Aukko 442 mahdollistaa reaktoriputken 401 tarkkailun ja reaktiovyöhyk-keen 404 lämpötilan mittaamisen ja aukko 44l mahdollistaa lämmitys-elementtien 302c lämpötilan mittaamisen ja tarkkailun.

D. Reaktion jälkeinen käsittelylaitteisto

Kuten nähdään kuviosta 6C, paineastian reaktion jälkeisen käsittely-yksikköosan 501 ensimmäinen laippaosa 30? ori juoksevaa ainetta pitävästä kiinnitetty juoksevalla aineella jäähdytettyyn välipintalaippaan 25 6 4 0 5 6 503, joka vuorostaan on juoksevaa ainetta pitävästi kiinnitetty astian pääosan toiseen laippaan 415. Jäähdytysainekanava 504 F ajoittuu reaktion jälkeisen käsittelyosan jäähdytys vaipan 505 ja paineastian reaktion jälkeisen osan 501 väliin. Jäähdytysaine virtaa kanavaan 504 sisääntulon 506 kautta ja poistuu ulosmenon 507 kautta. Sä-teilymittausaukon 509 tarkoituksena on mahdollistaa tarkkailu ja lämpötilan mittaus reaktoriputken 401 reaktion jälkeisessä vyöhykkeessä 422.

Reaktiotuotteetj jotka poistuvat kuvion 6 suoritusmuodon reaktoriputken 401 ulostulopäästä 403, menevät kuuma-altaan 511 ensimmäiseen osaan 510. Kuten on esitetty kuvioissa 60 ja 6D, kuuma-altaan 511 ensimmäiseen osaan 510 kuuluu sisempi putkimainen seinä 512 ja ulompi putkimainen seinä 513, joiden väliin rajoittuu jäähdytyskanava 514. Kierukkamainen jäähdytysaineohjauslevy 515 suuntaa jäähdytysaineen, joka tulee sisääntulon 516 kautta ja poistuu ulosmenon 517 kautta. Ensimmäinen lämpöparikoetin 518, joka ulottuu kuuma-altaan 511 ensimmäiseen osaan 510, mahdollistaa saapuvien reaktiotuotteiden lämpötilan mittaamisen. Toinen lämpöparikoetin 519,' joka ulottuu kuumaaltaan 511 ensimmäiseen osaan 510 mittaa reaktiotuotteiden lämpötilan ulostulossa.

Kuten nähdään erityisesti kuviosta 6D, kuuma-altaan 511 ensimmäinen osa 510 on liitetty toiseen osaan 520 laipoilla 521 ja 522. Toiseen osaan 520 kuuluu sisäseinä 524 ja ulkoseinä 525, jotka väliinsä rajoittavat jäähdytysainekanavan 526. Jäähdytysaine tulee kanavaan 526 sisääntulon 527 kautta ja poistuu ulosmenon 528 kautta. Lämpöparikoet-timet 530 ja 531 mahdollistavat lämpötilan mittaamisen reaktiotuotteissa, jotka tulevat toiseen osaan 520 ja poistuvat toisesta osasta 520.

Kuvion 12 esittämässä suoritusmuodossa kuuluu reaktion jälkeisen käsittelyn laitteistoon 50Öa paineastian reaktion jälkeisen käsittelyn osa 501a, jossa on laippaosa 502a, joka on juoksevaa ainetta pitävästä kiinnitetty juoksevalla aineella jäähdytettyyn välipinta-laippaan, kuten esimerkiksi kuviossa 6C esitettyyn laippaan 503. Jäähdytysainekanava 504a rajoittuu reaktion jälkeisen käsittelyn laitteiston jäähdytysvaipan 505a ja paineastian reaktion jälkeisen käsit-telylaitteisto-osan 501a väliin. Jäähdytysaine virtaa kanavaan 504a sisääntulon 506a kautta ja poistuu ulostulon 507a kautta. Säteily-mittariaukko 509a mahdollistaa tarkastelun ja lämpötilan mittauksen reaktoriputken 401 reaktion jälkeisessä vyöhykkeessä 422.

26 64056

Reaktiotuotteet, jotka poistuvat kuvion 12 suoritusmuodon reaktori-putken 401 ulostulopäästä 403 korkeassa lämpötilassa menevät profiililtaan muuttuvaan vastavirtalämmönvaihtimeen 532, jonka sisäänmeno-pää 533 rajoittuu reaktorin ulostuloon 403. Lämmönvaihtimeen 532 kuuluu tulenkestävää ainetta oleva sisäpuolinen putkimainen osa 534, tulenkestävää ainetta oleva ulkopuolinen putkimainen seinä 535, joka on samankeskinen sisäseinän 534 kanssa ja välin päässä tästä ja kie-rukkamainen ohjauslevy tulenkestävää ainetta 536, joka sijaitsee seinien 534 ja 535 välissä määrittäen spiraalimaisen jäähdytysaine-kanavan 537. Sisäpuolinen putkimainen seinä 534, ulkopuolinen putkimainen seinä 535 ja spiraalimainen ohjain 536 yhdessä muodostavat korkealämpötilaisen kierukkamaisen lämmönvaihdinosan 544, joka nojaa hiilihuopapatjaan 545j joka sijaitsee paineastian lämmönvaihdinosan 547 päätelevyllä 546. Jäähdytysaineen sisäänmenot 538, 539 ja 540 ulottuvat läpi ulkopuolisen putkimaisen seinän 535 ja ovat yhteydessä kierukkamaiseen jäähdytysainekanavaan 537*

Kuvion 12 esittämässä suoritusmuodossa, sen jälkeen kun jäähdytysaine on kiertänyt läpi kierukkamaisen jäähdytysainekanavan 537 ennaltavalit-tavalla, muuteltavalla ja ohjattavalla tavalla, jäähdytysaine poistetaan kierukkamaisen rengasmaisen kanavan 537 ulostulosta lämmönvaihtimen 532 sisääntulopään 533 lähellä. Sen jälkeen jäähdytysaine kiertää läpi sisääntuloaukon 542 reaktoriputken kiinnityslohkossa 425a inertin juoksevan aineen kokoojakammioon 4θβ. Tässä tapauksessa on ilmeistä, että käytetyn jäähdytysaineen tulee olla juoksevaa ainetta, joka on samaa taikka ainakin yhteensopivaa sen inertin juoksevan aineen kanssa, jota on kokoojakammiossa 406. Kuitenkin, koska lämmönvaihtimen 532 toiminta ei vaadi sitä, että jäähdytysaine kierräetään kokoojakammioon 406, myös muut kiertomuodot ja keinot ovat mahdollisia. Näissä tapauksissa juoksevan jäähdytysaineen valintaa eivät rajoita edellä asetetut kriteerit. Lämmönvaihtimen kehällä oleva jäähdytysvaippa 548 on säteettäisesti välin päässä paineastian lämmönvaihdinosan 547 ulkopuolella määrittäen tähän väliin rengasmaisen kanavan 549· Jäähdytys-aine viedään kanavaan 549 sisääntulon 550 kautta ja poistuu ulostulon 551 kautta, E. Sisääntulolaitteisto kiinteitä reaktantteja varten Kuvien 13A ja 13B suoritusmuodon sisääntulolaitteisto 200a on olennaisesti identtinen kuvioiden 6A ja 6B mukaisen sisääntulolaitteiston kanssa paitsi että sisääntulolaitteiston 200a välineet ensisijaisen 27 6 4 0 5 6 kiinteän reaktantin tuomiseksi korvaavat sisääntulolaitteiston 200 välineet ensisijaisen nestemäisen reaktantin sisääntuomiseksi. Lyhyyden vuoksi selitetään seuraavassa kuvioiden 13A ja 13B suoritusmuodon vain niitä piirteitä, jotka eroavat vastaavista piirteistä kuvioiden 6A ja 6b mukaisessa suoritusmuodossa.

Kiinteän reaktantin tuloputki 232 ulottuu läpi rengasmaisen suutinloh-kon 204 ja on kiinteästi kiinnitetty tähän tukilaipalla 235· Ensisijainen kiinteä reaktantti, edullisesti hienojakoisena, tulee tuloput-keen 232 läpi tukilaipassa 235 olevan sisääntulon 233 ja poistuu reak-toriputkeen 401 esireaktiovyöhykkeen 4ll vieressä. Ulostuloon 234 on kiinnitetty siitä säteettäisesti ulospäin oleva putkimainen kuori 217, jonka akseli on olennaisesti yhdensuuntainen reaktoriputken 401 akselin kanssa. Kuori 217 auttaa pitämään hienojakoiset kiinteät reak-tantit keskeisesti reaktoriputken 401 esireaktiovyöhykkeen 411 sisällä.

Kuviossa 14 on esitetty kiinteän reaktantin syöttöjärjestelmä 238 yhdistettynä korkealämpötilaiseen reaktoriin, jossa on kuvioissa 13A ja 1.3B esitettyä tyyppiä oleva sisääntulolaitteisto 200a. Syöttöbunk-keri 240 kiinteää reaktanttia varten syöttää rouhinta 24l, joka vuorostaan syöttää sihtiä 242. Karkean tuotteen ulostulo 245 sihdistä 242 kierrätetään takaisin rouhimeen ja hienon tuotteen ulostulo 243 syötetään syöttösuppiloon 244, joka on kiinnitetty pitkänomaiseen putkimaiseen koteloon 246. Kierukkamainen syöttöruuvi 247 on pyöritettävästä asennettu koteloon 246 ja sitä käytetään moottorilla 248. Painetiivistävää juoksevaa ainetta voidaan viedä koteloon 246 tulo-suuttimen 249 kautta, joka sijaitsee kohdassa, joka on alavirtaan syöttösuppilosta 244; reaktoriputken 401 sisätila on täten tiiviisti suljettu ulkoilmasta. Kiinteä reaktantti ja tiivistävä juokseva aine poistetaan kotelosta 246 reaktoriin ulosmenon 250 kautta.

F. Tulenkestävät päällystys- ja syövytysjärjestelmät Alempana annetuista syistä on suunniteltu, että tulenkestävä päällyste voidaan sijoittaa reaktoriputken 401, kuumennuselementtien 302 ja lämpökilven 410 pinnoille, jotka ovat alttiina verhokaasulle ja korkeille lämpötiloille reaktorin toiminnan aikana. Tällaisena tulenkestävänä päällysteenä voi olla esimerkiksi pyrolyyttinen hiili tai tulenkestävä oksidi kuten toriumoksidi, magnesiumoksidi, sinkkioksidi, alumiinioksidi tai sirkoniumoksidi. On edelleen ajateltu, että osat reaktoriputken 401 pinnasta voivat valinnaisesti olla syövytetyt tai syöpyneet.

28 6 4 0 5 6

Kuviossa 15 on kaaviollisesti esitetty tulenkestävä päällystys- ja syövytysjärjestelmä, johon kuuluu ensimmäinen tulenkestävän kerrostus-aineen mittausjärjestelmä 601, jossa on hiilipitoisen kaasun syöttö 602 kytkettynä hiilipitoisen kaasun mittausjohtoon 603. Mittausjohdossa 603 on on/ei-venttiili 604, joka on kytketty neulaventtiiliin 605 ja virtausmittariin 606. Ensimmäinen syöttöjohto 608 kytkee hiilipitoisen kaasun mittausjohdon 603 seoskaasun syöttöjohtoon 607.

Toiseen tulenkestävän kerrostusaineen mittausjärjestelmään 610 kuuluu kuljetuskaasun syöttö 611, joka on kytketty kuljetuskaasun mittaus-johtoon 6l2, jossa on on/ei-venttiili 613, neulaventtiili 6l4 ja virtausmittari 615· Kuljetuskaasun mittausjohto 612 on kytketty kupla-putkeen 6l6, joka sijaitsee tankissa 617, joka sisältää haihtuvan, metallia sisältävän yhdisteen liuosta. Tankin 617 lämpötilaa säädetään lämpötilansäätimellä 6l8, joka tuntee tankin lämpötilan lämpöpa-rilla 619 ja tarvittaessa syöttää lämpöä tankkiin sähköllä kuumennetulla vaipalla 620. Kuplaputken 6l6 ulostulopää 621 on upotettu tankin 6l7 sisältämään liuokseen. Tankin 617 ulosmeno 622 kytkee toisen syöttöjohdon 623 tankkiin liuoksen pinnan yläpuolella olevassa kohdassa. Toinen syöttöjohto 623 on myös kytketty seoskaasun syöttöjohtoon 607.

Syövytysaineen mittausjärjestelmässä 625 syövytysaineen syöttö 626 on kytketty syövytysaineen mittausjohtoon 627, johon sarjassa kuuluvat on/ei-venttiili 628, neulaventtiili 629 ja virtausmittari 630. Syövytysaineen mittausjohtoon 627 on kytketty kolmas syöttöjohto 631, joka on kytketty seoskaasun syöttöjohtoon 607.

Kaikki kolme johtoa 608, 623 ja 631 syöttävät seoskaasun syöttöjohtoa 607, joka haarautuu T-liitoksessa 632. Ensimmäiseen johtohaaraan 633 kuuluu ensimmäisen johtohaaran venttiili 634 ja se on kytketty ensimmäiseen sisäänmenoon inertin juoksevan aineen sekoituskokoojajohdossa 635. Toiseen johtohaaraan 636 kuuluu toisen johtohaaran venttiili 637 ja seon kytketty ensimmäiseen sisäänmenoon pyyhkäisykaasun sekoituskokooj ajohdossa 638.

Inertin juoksevan aineen syöttö 640 on kytketty inertin juoksevan aineen mittausjohtoon 64l, johon kuuluu on/ei-venttiili 642, neula-venttiili 643 ja virtausmittari 644, joka on kytketty toiseen sisäänmenoon inertin juoksevan aineen sekoituskokoojajohdossa 635. Sekoitus- 29 6 4 0 5 6 kokoojajohdon 635 ulostulo on kytketty inertin juoksevan aineen syöttö-johtoon 645, joka vuorostaan on kytketty paineastian sisäänmenoihin 4o8 ja 409 inertin juoksevan aineen suuntaamiseksi inertin juoksevan aineen kokoojakammioon 406. Kokoojakammion paineen tuntoelin 646 on kytketty inertin kaasun syöttöjohtoon 645 ja on yhteydessä kokoojakammioon 4θβ inertin juoksevan aineen paineen mittaamiseksi kammiossa. Kokoojakammion poistoventtiili 647 on myös kytketty inertin juoksevan aineen syöttöjohtoon 645 ja muodostaa ulosmenon juoksevan aineen poistamiseksi kokoojakammiosta.

Pyyhkäisykaasun syöttö 648 on kytketty mittausjohtoon 649, joka sisältää on/ei-syöttöventtiilin 650, neulaventtiilin 651 ja virtausmittarin 652, joka on kytketty toiseen sisäänmenoon pyyhkäisykaasun sekoitus-kokoojajohdossa 638. Sekoituskokoojajohdon 638 ulostulo on kytketty pyyhkäisykaasun syöttöjohtoon 653, joka vuorostaan on kytketty pyyhkäisykaasun sisäänmenoliittimeen 225 pyyhkäisykaasun viemiseksi reaktio-putken 401 sisälle. Reaktiovyöhykkeen paineen tuntoelin 654, joka kytkeytyy pyyhkäisykaasun syöttöjohtoon 653 ja on yhteydessä reaktoriput-ken 401 sisätilaan, mittaa paineen reaktorin reaktiovyöhykkeessä.

Kuten on esitetty kuviossa 6D, reaktoriputken ulostulon sulkuventtiili 655 on kiinnitetty kuuma-altaan 511 toiseen osaan 520 laipoilla 555 ja 656.

Kun reaktori on toiminnassa on paine-ero ylläpidettävä kokoojakammios-sa 406 olevan inertin juoksevan aineen ja reaktoriputkessa 401 olevan kaasun välillä, jotta aikaansaataisiin inertin juoksevan aineen tasainen virtaus säteettäisesti sisäänpäin läpi putken 401 huokoisen seinän. Täten on edullista, että kudosaineinen putki 401 on riittävän jäykkä, niin että paine-ero voidaan ylläpitää ilman putken 401 ko-koonromahtamista sisäänpäin. Tämän mukaisesti on suunniteltu, että tulenkestävä päällyste esimerkiksi pyrolyyttistä hiiltä kerrostetaan osalle reaktoriputken 401 kuituista tulenkestävää ainetta, joka sijaitsee mustan kappaleen ontelon sisällä, kudoksen jäykkyyden tai mittastabiliteetin lisäämiseksi.

Tällaisen päällysteen aikaansaamiseksi reaktoriputken ulostulon sulku-venttiili 655 suljetaan ja reaktoriputki kuumennetaan noin 1900°c lämpötilaan. Sen jälkeen avataan on/ei-venttiili 650 pyyhkäisykaasun mittausjohdossa 649, on/ei-venttiili 642 inertin juoksevan aineen 30 6 4 05 6 mittausjohdossa 64l suljetaan ja kokoojakammion poistoventtiili 647 avataan, jolloin pyyhkäisykaasu pääsee virtaamaan reaktoriputken 401 sisälle, sitten säteettäisesti ulospäin putken 401 huokoisen seinän lävitse kokoojakammioon 406 ja lopuksi läpi paineastian sisäänmenojen 408 ja 409 ja kokoojakammion poistoventtiilin 647. Sen jälkeen avataan on/ei-venttiili 604 hiilipitoisen kaasun mittausjohdossa 603· Neula-venttiilit 605 ja 651 on aseteltu saattamaan hiilipitoisen kaasun ja pyyhkäisykaasun virtausnopeudet sopiviin arvoihin, jotka on rekisteröity virtausmittareihin (-annostelijoihin) 606 ja 652. Ensimmäisen johtohaaran venttiili 634 suljetaan ja toisen haarajohdon venttiili 637 avataan, niin että hiilipitoinen kaasu virtaa läpi ensimmäisen syöttöjohdon 608, seoskaasun syöttöjohdon 607, T-liitoksen 632, toisen johtohaaran 636 ja pyyhkäisykaasun sekoituskokoojajohtoon 638, jossa se sekoittuu pyyhkäisykaasuun ja virtaa reaktoriputken 401 sisälle pyyhkäisykaasun syöttöjohdon 653 ja pyykäisykaasun sisääntulo-liittimen 225 kautta.

Hiilipitoinen kaasu dissosioituu niillä kuumennetuilla pinnoilla, joita se koskettaa, kerrostaen näille pinnoille pyrolyyttisen grafiit-tipäällysteen. Täten pyrolyyttinen grafiitti kerrostuu yleensä niille osille reaktoriputkea 401, kuumennuselementtejä 302 ja lämpökilpeä 410, jotka ovat mustan kappaleen ontelon sisällä.

Koska se osa reaktoriputkea 401, joka on esireaktiovyöhykkeessä 411, on ulkopuolella mustan kappaleen ontelon eikä sitä täten voida mukavasti lämmittää lämpötiloihin, jotka ovat hiilipitoisen kaasun hajoamis-lämpötilan yläpuolella, on suunniteltu, että ruostumatonta terästä oleva verkko 450, joka nähdään kuvioissa 6a ja 6B, sijoitetaan estämään taipuisaa reaktoriputkea 401 romahtamasta kokoon sisäänpäin iner-tin juoksevan aineen paine-eron vaikutuksesta, vaikkakin on huomattu, että lisääntynyt jännitys huokoisessa kudoksessa aikaansaa olennaisesti saman tuloksen.

Inertin juoksevan aineen virtausnopeuden säätelemiseksi läpi reaktori-putken 401 seinien voidaan putken seinän huokosia pienentää tai suurentaa reaktorin ollessa toiminnassa sekoittamalla tulenkestävää kerros-tumisainetta taikka syövyttämisainetta inerttiin juoksevaan aineeseen. Paine-eroa kokoojakammion ja reaktiovyöhykkeen välillä voidaan tarkkailla paineen tuntoelimillä 646 ja 654 ja inertin juoksevan aineen virtausnopeutta seinän lävitse voidaan tarkkailla virtausmittarilla 644.

31 64056

Kun paine-ero tulee liian alhaiseksi inertin verhokaasun halutulle virtausnopeudelle, voidaan reaktoriputken seinän huokosten halkaisijaa pienentää avaamalla on/ei-venttiili 604 ja asettelemalla neulaventtii-li 605 päästämään hiilipitoista kaasua hiilipitoisen kaasun syötöstä 602 virtaamaan hiilipitoisen kaasun mittausjohdon 603 kautta. Toisen johtohaaran venttiili 637 suljetaan ja ensimmäisen johtohaaran venttiili 634 avataan hiilipitoisen kaasun suuntaamiseksi inertin juoksevan aineen sekoituskokoojajohtoon 635 ja täältä kokoojakammioon 406 läpi inertin juoksevan kaasun syöttöjohdon 645 ja paineastian sisäänmenojen 408 ja 409- Kokoojakammion poistoventtiili 647 pysyy suljettuna ja reaktoriputken ulostulon sulkuventtiili pysyy avoinna reaktorin normaalin toiminnan aikana. Hiilipitoinen kaasu dissosioituu niillä kuumennetuilla pinnoilla reaktorissa, joita se koskettaa. Tämän mukaisesti hiilipitoinen kaasu, joka virtaa reaktoriputken 401 seinäkudok-sen huokosiin, dissosioituu kerrostaen pyrolyyttisen grafiittipäällys-teen, joka pienentää huokoshalkaisijaa. Koska paine-ero reaktoriputken seinän poikki kasvaa kiinteällä inertin juoksevan aineen virtauksella, putken huokoisuuden pienentymistä voidaan tarkkailla paineen tuntoelimillä 654 ja 646 ja virtausmittarilla 644, kun grafiittia kerrostuu. Kun paine-ero ylittää ennaltamäärätyn arvon, voidaan gra-fiittipäällysteen kasvu pysäyttää sulkemalla on/ei-venttiili 604 hiilipitoisen kaasun mittausjohdossa 603- Koko prosessi reaktoriputken seinän huokosten pienentämiseksi voidaan toteuttaa keskeyttämättä reaktorin toimintaa.

Päinvastoin, voi olla tarpeen suurentaa huokosten halkaisijaa reaktori-putkessa 401. Tässä tapauksessa syövyttävää ainetta, kuten esimerkiksi höyryä taikka molekulaarista happea syövyttävän aineen varastosta 626 sekoitetaan inerttiin juoksevaan aineeseen avaamalla venttiili 628, asettelemalla neulaventtiili 629 syövyttävän aineen mittaus-johdossa 627, sulkemalla toisen johtohaaran venttiili 637 ja avaamalla ensimmäisen johtohaaran venttiili 634. Syövyttävä aine sekoittuu inerttiin juoksevaan aineeseen inertin juoksevan aineen sekoituskokoo-jajohdossa 635 ja virtaa kokoojakammioon 406 läpi paineastian sisääntulojen 408 ja 409· Syövyttävä aine syövyttää niitä kuumennettuja pintoja, joita se koskettaa, siten lisäten reaktoriputken 401 kuumennetun osan huokosten halkaisijaa. Syövyttävän aineen virtausta voidaan jatkaa kunnes paineen tuntoelimet 654 ja 646 osoittavat riittävän alhaista paine-eroa reaktoriputken 401 seinän poikki halutulle inertin juoksevan aineen virtausnopeudelle, jota tarkkaillaan virtausmittarilla 644. Kuten huokoshalkaisijoiden pienentäminen hiilipitoisella kaa- 32 64056 sulia myös tämä prosessi voidaan toteuttaa reaktorin ollessa toiminnassa.

Joissakin sovellutuksissa voi olla edullista käyttää inerttinä juoksevana aineena höyryä tai jotakin muuta ainetta, jotka reagoivat kemiallisesti käsiteltävien aineiden kanssa. Jotta estettäisiin tai ainakin hidastettaisiin niiden aineiden korroosiota, joista reaktori on rakennettu, on suunniteltu, että päällyste tulenkestävää oksidia, kuten toriumoksidia, magnesiumoksidia, sinkkioksidia, alumiinioksidia tai sirkoniumoksidia kerrostetaan reaktoriputken 401, kuumennusele-menttien 302 ja lämpökilven 410 niille osille, jotka tulevat kosketukseen inert in juoksevan aineen kanssa ja toimivat korkeissa lämpötiloissa. Tulenkestävän oksidipäällysteen kerrostamiseksi voidaan käyttää tulenkestävää kerrostusainetta, joka on haihtuvaa metalliasisältävää yhdistettä, kuten metyylimagnesiumkloridia, magnesiumetoksidia tai sirkonium-n-amyylioksidia. Esimerkiksi metyylimagnesiumkloridi hajoaa pinnalla, joka on kuumnennettu noin 590°C lämpötilaan, kerrostaen magnesiummetallipäällysteen. Kuuma magnesiummetalli oksidoi-daan sen jälkeen viemällä höyryä tai molekulaarista happea kokooja-kammioon 406. Sirkonium-n-amyylioksidi ja magnesiumetoksidi molemmat yleensä hajoavat kuumennetuilla pinnoilla muodostaen sirkoniumoksidia ja vastaavasti magnesiumoksidia.

Kuvion 15 esittämässä tapauksessa haihtuva metalliasisältävä yhdiste voidaan viedä kokoojakammioon 406 saattamalla kuljetuskaasu syöttöva-rastosta 611 virtaamaan mittausjohdon 612 kautta avaamalla on/ei-venttiili 6l3· Neulaventtiili 6l4 säätää kuljetuskaasun virtausnopeuden sopivaan arvoon mitattuna virtausmittarilla 615· Tankki 617 sisältää esimerkiksi liuoksena haihtuvaa metalliasisältävää yhdistettä kuten metyylimagnesiumkloridia liuotettuna dietyylieetteriin taikka sirkonium-n-amyylioksidia liuotettuna tetrahydrofuraaniin. Kuljetus-kaasu virtaa kuplaputken 616 kautta ja tankissa 617 olevaan liuokseen. Toisen johtohaaran venttiili 637 pysyy suljettuna ja ensimmäisen joh-tohaaran venttiili 634 pysyy avoimena siinä tarkoituksessa, että kul-jetuskaasu, liuotinhöyry ja metalliasisältävän yhdisteen höyry suunnataan peräkkäisesti läpi tankin 617 ulostulon 622, toisen syöttöjohdon 623, seoskaasun syöttöjohdon 607 ja ensimmäisen johtohaaran 633 ja inertin juoksevan aineen kokoojajohtoon 635» missä ne sekoittuvat inerttiin juoksevaan aineeseen ja sitten tulevat siirretyiksi kokooja-kammioon 406 läpi inertin juoksevan aineen syöttöjohdon 645 ja paine- 33 64056 astian sisääntulojen 408 ja 409· Haihtuva, metalliasisältävä yhdiste hajoaa kuumilla pinnoilla, joita se koskettaa reaktorin sisällä. Jos se hajoaa puhtaaksi metalliksi, viedään sen jälkeen happea tai vesihöyryä kokoojakammioon 406 oksidin muodostumisen aikaansaamiseksi.

G. Prosessimuuttujien ohjausjärjestelmä

Kuvio 16 kuvaa reaktorin lämpötilansäätöjärjestelmää 700. Kuviossa on kuumennuselementit 302a, 302b ja 302c kuvattu kaaviollisesti kytkettynä tähdenmuotoiseen piiriin, jolloin kunkin kuumennuselementin toinen pää on kytketty tähtipisteeseen 701 ja toinen pää on kytketty kolmivaiheisen voimajohdon 702 yhteen johtimeen 702a, 702b tai 702c. Tähtipiste 701 vastaa kuvion 6C kolmivaiheyhdistämisrengasta 319· Voimajohto 702 yhdistää kuumentimen tehoulostulon 703 tehonsäätimeen 704, joka vuorostaan kytkeytyy pääkolmivaihetehojohtoon 705 ja liipai-supiiriin 706. Kolmivaiheinen päävoimajohto 705 syöttää tehoa, edullisesti 440 V jännitteisenä, reaktorin kuumentamiseen. Säteilymittari 708, joka sijaitsee kuvion 6B katseluaukossa 441, on fokusoitu kuu-mennuselementtiin 302c ja tuottaa signaalin, yleensä millivolttialueel-la, joka vastaa kuumennuselementin lämpötilaa. MV/I-muuttaja 709 vahvistaa säteilysignaalin ja muuttaa sen sähkövirraksi. Asettelupis-teen ohjain 707, ulostulosignaalijohto 712 tietokoneeseen tai laskimeen yhdistämistä varten ja rekisteröintilaite 710, joka tekee pysyvän login säteilymittarilla 708 mitatusta lämpötilasta, on kaikki yhdistetty muuttajaan 709. Tulosignaalijohto 713 yhdistää asettelupisteen ohjaimen 707 ohjaussignaali-sisääntulon tietokoneeseen (ei esitetty). Virtamittarit 750a, 750b ja 750c on sijoitettu kolmeen haaraan 702a, 702b ja 702c mittaamaan kuumennuselementteihin 302a-c syötettyä virtaa; ja volttimittarit 751a, 751b ja 751c on liitetty haaroihin 702a-c mittaamaan kuumennuselementteihin vaikuttavia jännitteitä. Kuumennus-elementtien kuluttama teho ja niiden sähkövastus voidaan laskea näistä virta- ja jännitemittauksista. Tieto kuumennuselementin sähkövastuksesta antaa tietoa sen fysikaalisesta eheydestä, koska kuumennuselementin syöpyessä sen sähkövastus kasvaa.

Kuvio 17 on graafinen esitys grafiittikangasnäytteen myydään kauppanimellä "WCA Graphite Cloth", myyjä Union Carbide Corporation, sähköisestä levyvastuksesta kankaan lämpötilan funktiona. Kangas on jäykistetty pyrolyyttisellä grafiitilla kuumentamalla ja saattamalla se hiilipitoisen atmosfäärin vaikutuksen alaiseksi olennaisesti siten kuin edellä on selitetty. Kuvion 17 graafisen esityksen pystyakseli ^ 64056 antaa levyvastuksen yksiköissä "ohmia/neliö", koska tunnetusti vastus mitattuna tietyn paksuisen vastusaineen neliön vastakkaisten reunojen välillä on riippumaton neliön mitoista. Täten lämmityselementin, joka on muodostettu yhdestä suorakulmaisesta kaistasta "WCA Graphite Cloth": ia, vastus tietyssä lämpötilassa voidaan saada ajattelemalla kaistale tehdyksi kangasneliöistä, jotka on kytketty sarjaan. Esimerkiksi kaistaleen, jonka koko on 15,3 cm kertaa 128 cm, vastus 1500 K lämpötilassa mitattuna kahden 15 cm:n reunan väliltä saadaan kertomalla (128/15,3) kertaa 0,135 ohmia, kuviossa 17 annettu levyresistanssi lämpötilassa 1500 K. Lämmityselementin, joka on tehty useammasta kuin yhdestä kerroksesta kudosta, jolloin jokaisella kerroksella on samat mitat ja sen vuoksi sama vastus, kokonaisvastus saadaan jakamalla yhden kerroksen vastus kerrosten lukumäärällä. Mukavuuden vuoksi on kuvion 17 graafiseen esitykseen laskettu levyvastukset yksiköissä "ohmia/neliö" myös jäykistetyn "WCA Graphite Cloth" näytteille, jotka on valmistettu 2, 3 ja 4 kerroksesta.

Toiminnassa, sen jälkeen kun asettelupisteen ohjain 707 on aseteltu tiettyyn lämpötilaan joko manuaalisesti tai tietokoneella, se vertaa tätä lämpötilaa elektrodin 302c mitattuun lämpötilaan ja tuottaa ero-tussignaalin (virhesignaalin), joka riippuu algebrallisesta erotuksesta mitatun lämpötilan ja asetellun lämpötilan välillä. Asettelu-pisteen ohjain 707 ohjaa liipaisupiiriä 706, joka erosignaalista riippuvaisesti aiheuttaa sen, että tehonsäädin 704 lisää tai vähentää tehoa, joka syötetään lämmityselementteihin pienentääkseen tarvittaessa erosignaalin suuruutta, mikä saa lämmityselementin 302c lämpötilan lähenemään aseteltua lämpötilaa. Koska lämmityselementti 302c on mustan kappaleen ontelon sisällä, jota 'ympäröi lämpökilpi 410, sen lämpötila yleensä edustaa pintojen lämpötilaa kautta koko ontelon. Lämpötilan säätöön voidaan kuitenkin myös käyttää säteilymittareita, jotka on fokusoitu muihin pintoihin mustan kappaleen sisällä.

Kuten on esitetty kuviossa 18, lämpötilan lisäksi voidaan prosessi-muuttujia säätää takaisinkytkentäohjausjärjestelmillä, kuten esimerkiksi nestemäisen pääreaktantin syöttönopeuden säätöjärjestelmä 714, johon sisältyy syöttövarasto 715> joka on yhteydessä mittausjärjestelmän 716 kanssa syöttöjohdon 717 kautta. Mittausjärjestelmä 716 ohjaa pääreaktantin virtausnopeutta ja siihen voi kuulua esimerkiksi muutettavanopeuksinen pumppu ja pumpun ohjain taikka muutettava-aukkoinen venttiili ja venttiilin ohjain. Pääreaktantin mittausjärjes- 35 64056 telmän 716 ulostulo 718 on kytketty virtausnopeustransduktoriin 719, joka tuottaa sähkösignaaliulostulon 720, joka vastaa pääreaktantin virtausnopeutta. Pääreaktantin virtausnopeustransduktorin 719 ulostulo 721 on kytketty nestemäisen pääreaktantin tulojohtoon 215. Signaaliulostulo 722 reaktiovyöhykkeen paineen tuntoelimestä 654 ja signaaliulostulo 720 virtausnopeustransduktorista 719 on vastaavasti kytketty pääreaktantin mittausjärjestelmän 716 ensimmäiseen ja toiseen signaalisisäänmenoon. Tietokonejärjestelmän 723 ulostulo on kytketty mittausjärjestelmän 716 kolmanteen sisäänmenoon.

Nestemäisen pääreaktantin syöttönopeuden säätöjärjestelmän 714 eräässä toimintatavassa tietokonejärjestelmä 723 antaa sekä pääreaktantin virtausnopeuden ennalta-asetellun arvon että reaktiovyöhykkeen paineen ylärajan pääreaktantin mittausjärjestelmälle 716, joka vertaa ennalta-valittua virtausnopeutta transduktorilla 719 mitattuun ja asettelee virtausnopeuden lähenemään valittua arvoa kuitenkin edellyttäen, että reaktiovyöhykkeen paine on määrätyn ylärajan alapuolella. Jos reak-tiovyöhykkeen paine ylittää tämän ylärajan, mittausjärjestelmä 716 alentaa painetta pienentämällä pääreaktantin virtausnopeutta.

Nestemäinen sekundäärisen reaktantin virtausnopeuden säätöjärjestelmä 724 on toinen takaisinkytkentäsäätöjärjestelmä, johon sisältyy syöttö-varasto 725, joka on syöttöjohdon 727 kautta yhteydessä mittausjärjestelmään 726. Sekundäärisen reaktantin mittausjärjestelmä 726 voi olla samaa tyyppiä kuin pääreaktantin mittausjärjestelmä 716. Sekundäärisen reaktantin mittausjärjestelmän 726 ulostulo 728 on kytketty virtausnopeustransduktoriin 729, joka tuottaa signaalin, joka vastaa sekundäärisen reaktantin virtausnopeutta. Transduktorin 729 ulostulo 731 on kytketty sekundäärisen reaktantin sisääntuloon 221. Signaaliulostulo 722 reaktiovyöhykkeen paineen tuntoelimestä 654 ja signaaliulostulo 730 sekundäärisen reaktantin virtausnopeustranduktorista 729 on kytketty erillisiin signaalisisäänmenoihin sekundäärisen reaktanssin mittausjärjestelmässä 726 ja tietokonejärjestelmän 723 ulostulo on kytketty kolmanteen sisäänmenoon. Nestemäisen sekundäärisen reaktantin virtausnopeuden säätöjärjestelmää 724 voidaan käyttää samalla tavoin kuin edellä selitettiin nestemäisen pääreaktantin säätöjärjestelmään 714 liittyen.

Inertin juoksevan aineen virtausnopeuden säätöjärjestelmässä 73^ on inertin juoksevan aineen syöttö 640 kytketty neulaventtiiliin 643, 36 64056 joka vuorostaan on kytketty on/ei-venttiiliin 642. Venttiili 642 on kytketty inertin juoksevan aineen virtausnopeustransduktoriin 735· Transduktorin 735 signaaliulostulo 736 on kytketty ensimmäiseen sisäänmenoon inertin juoksevan aineen neulaventtiilin ohjaimessa 737-Neulaventtiilin ohjaimen 737 toinen sisäänmeno on kytketty tietokonejärjestelmään 723 ja kolmas sisäänmeno on kytketty kokoojakammion paineen tuntoelimeen 646. Inertin juoksevan aineen ulostulo transduk-torista 735 on kytketty reaktorin paineastian sisäänmenoihin 408 ja 409· Mukavuuden vuoksi ei kokoojakammion poistoventtiiliä 647, virtaus-mittaria 644 ja inertin juoksevan aineen sekoituskokoojajohtoa kuviosta l6 ole esitetty kuviossa 18 ja kuvion 18 inertin juoksevan aineen virtausnopeustransduktoria 735 ei ole esitetty kuviossa 15·

Toiminnassa avataan on/ei-venttiili 642, mikä päästää inerttiä juoksevaa ainetta virtaamaan transduktorin 735 kautta ja sisäänmenoihin 408 ja 409· Neulaventtiilin ohjain 737 vertaa transduktorin 735 virtausnopeussignaalia tietokonejärjestelmällä 723 määrättyyn virtausnopeuteen ja säätää neulaventtiiliä 643 vastaavasti, edellyttäen kuitenkin, että paineen tuntoelimellä 646 tunnettu kokoojakammion paine ei ylitä ylärajaa, joka myös on määrätty tietokonejärjestelmällä 723·

Jos paine on liian suuri, neulaventtiilin ohjain 737 alentaa virtausnopeutta paineen alentamiseksi.

Reaktorin lämpötilan ohjausjärjestelmään 700, joka yksityiskohtaisesti on esitetty kuviossa 16 ja osoitettu kaaviollisesti kuviossa 18, kuuluu reaktorin lämpötilan säädin 738, johon kuuluu tehon säädin 704, liipaisupiiri 706, asettelupisteen ohjain 707, muuttaja 709, rekisteri 710 ja mittarit 750 ja 751, jotka on esitetty kuviossa 17· Säteilymittari 708 (ei esitetty kuviossa 18) on sijoitettu katseluaukkoon 44l ja kytketty säätimeen 738. Kolmivaiheinen voimajohto 702 yhdistää reaktorin lämpötilansäätimen 738 kuumennustehoulostulon 703 lämmitys-elementteihin 302 (ei esitetty kuviossa 18) elektrodien 309 kautta. Täten sen sähkötehon taso, joka syötetään kuumennustehoulostulosta 703, määrää reaktoriputken 401 lämpötilan. Ohjaussignaalisisäänmeno 711 ja yksi ulostulo reaktorin lämpötilan säätimestä 738 on yhdistetty tietokonejärjestelmään 723 sisäänmenosignaalijohdolla 713 ja vastaavasti ulostulosignaalijohdolla 712.

Reaktorin tuotteen näytteenotin 740, joka on kytketty ulostuloon 741, joka sijaitsee lähellä reaktorin ulostulon sulkuventtiiliä 655, siir- 37 640 5 6 tää ennaltavalituin aikavälein näytteitä reaktiotuotteesta kaasukro-matograafin 743 näytesisäänmenoon 742. Sähkösignaali kromatograafin 743 ulostulossa 744 reagoi muutoksiin näytteiden kemiallisessa koostumuksessa. Esimerkiksi kaasukromatograaf! 743 yhdessä reaktiotuotteen näytteenottimen 740 kanssa voi tuottaa signaalin, joka vastaa eteenin konsentraatiota prosessissa hiilivedyn osittaisessa pyrolyysissä.

Kaasukromatograafin 743 ulostulot on kytketty tallentimeen 749 ja tietokonejärjestelmään 723· Tietokonejärjestelmän 723 sisäänmeno 745 on kytketty prosessimuuttujien transduktoreihin databussilla 746, johon sisältyy signaalijohdot, jotka on kytketty virtausnopeustransduktorei-hin 719, 729 ja 735, paineen tuntoelimiin 646 ja 654, lämpötilan sääti-meen 738 ja kaasukromatograafiin 743· Muita transduktoreita voi haluttaessa on liitetty databussiin 746. Tietokonejärjestelmän 723 ulostulo 747 on kytetty käs.kybussiin 748, joka sisältää signaalijohdot, jotka on liitetty pääreaktantin mittausjärjestelmään 716, sekundäärisen reaktantin mittausjärjestelmään 726, reaktorin lämpötilan säätimeen 738 ja inertin juoksevan aineen neulaventtiilin ohjaimeen 737· Tietokonejärjestelmään 723 voi sisältyä digitaalitietokone, analogia-digitaali-muutin transduktorin analogiasignaalien muuttamiseksi digi-taalidataksi laskinta varten, digitaali-analogia-muutin laskimen digi-taalisignaalien muuttamiseksi analogia-säätösignaaleiksi ja multiplek-sori databussin 746 ja käskybussin 748 signaalijohtojen kytkemiseksi.

Olemme suunnitelleet, että prosessin kulun aikana tietokonejärjestelmä 723 voi määrittää ja tarkkailla prosessimuuttujia signaaleilla, joita siirretään käskybussin 748 ja databussin 746 kautta. Täten tietokonejärjestelmä 723 voi valvoa reaktorin toimintaa sen varmistamiseksi, että prosessimuuttujat pysyvät määritetyissä rajoissa. Lisäksi tietokone voi olla ohjelmoitu hakemaan optimaaliset toimintaolosuhteet tietylle prosessille tekemällä systemaattisia muutoksia prosessimuuttu-jissa samalla tarkkaillen reaktorin ulostuloa kromatograafi11a 743· Esimerkiksi voi tietokone olla ohjelmoitu hakemaan reaktorin lämpötilat ja syöttöaineiden virtausnopeudet, jotka maksimoivat eteenikonsentraa-tion ulostulossa tietyllä hiilivetysyöttöaineella. Tietokonejärjestelmä 723 voi sisältyä myös takaisinkytkentäohjausjärjestelmiin; kuten esimerkiksi reaktiotuotteen valvontajärjestelmään, johon tietokonejärjestelmän lisäksi sisältyy reaktiotuotteiden näytteenotin 740, kaasukromatograafi 743, reaktorin lämpötilan säädin 738 ja kolmivaiheinen voimajohto 702, joka on kytketty lämmityselementteihin 302.

38 64056 Tässä reaktiotuotteen valvontajärjestelmässä tietokonejärjestelmä vertaa reaktorista otettujen reaktiotuotenäytteiden kemiallista koostumusta ennaltavalittuun koostumukseen ja tuottaa ulostuloonsa 7^7 sähkösignaalin, joka vastaa näytteiden kemiallisen koostumuksen poikkeamia. Tietokonejärjestelmän 723 ulostulo 7^7 on kytketty reaktorin lämpötilan säätimen sisäänmenoon 711 tarkoituksella mahdollistaa muutokset reaktoriputken lämpötilassa riippuvaisina muutoksista tietokonejärjestelmän signaalista, täten vähentäen poikkeamisia reaktiotuotteiden kemiallisessa kooostumukses-sa. Muita prosessimuuttujia, kuten valittujen reaktanttien syöttönopeuksia ja painetta reaktiovyöhykkeessä voidaan myös valvoa samanlaisilla takaisinkytkentävalvontajärjes-telmillä.

Prosessiparametrit

Korkealämpötilaisissa kemiallisissa reaktioprosesseissa, joita johdetaan esillä olevan keksinnön mukaisesti, on tarpeen käyttää rengasmaista kuorta tai verhoa inertistä juoksevasta aineesta, joka on olennaisesti läpäisevä säteilylle. Verholla on olennainen aksiaalinen pituus. Rengasmainen verho voi olla synnytetty suunnassa, joka on yleensä samansuuntainen sen akselin kanssa, taikka suunnassa, joka on yleensä kohtisuora sen akseliin nähden ja säteettäisesti sisäänpäin sen ulkokehäpinnalta.

Juoksevan aineen muodostaman verhon eheys on riippumaton virtausrajoituksista ja se voidaan ylläpitää aksiaalisesti paljon pitemmälti kuin mitä on saavutettavissa tapauksessa, jolloin käytetään aksiaalisesti suihkutettua laminaarista verhoa. Primäärisenä vaatimuksena on pitää inertin juoksevan aineen virtaus suuremmassa paineessa kuin reaktantti-virtaus, jotta estettäisiin reaktantteja puhkaisemasta 39 6405 6 verhoa tai muulla tavoin murtautumasta ulos verhon sisäänsä sulkemasta tilasta.

Sen jälkeen kun verho on synnytetty, ainakin yhtä reaktanttia johdetaan sen sydämen lävitse pitkin ennaltamäärättyä kulkutietä, joka olennaisesti osuu yhteen verhon akselin kanssa.

Verho rajoittaa reaktantit sisäänsä ja pitää ne irti kosketuksesta reaktiokammiota rajoittaviin pintoihin.

Lopuksi suunnataan hyvin voimakasta säteilyenergiaa verhon sydämeen osumaan yhteen reaktanttien ennaltamäärätyn kulkutien ainakin osan kanssa. Tämä säteilyenergia voidaan suunnata pitkin kulkutien äärellistä pituutta. Riittävästi säteilyenergiaa tulee absorboiduksi sydämeen nostamaan reak-tanttien lämpätila tasolle, joka vaaditaan halutun kemiallisen reaktion alkuunpanemiseksi.

Siinä tapauksessa, että itse reaktantit eivät absorboi säteilyenergiaa, voidaan absorboivaa kohtioainetta viedä pitkin reaktanttien kulkutietä, edullisesti ennen kuin säteilyenergiaa suunnataan sydämeen. Kohtioaine absorboi silloin riittävästi säteilyenergiaa nostamaan sydämen lämpötila tasolle, joka vaaditaan halutun kemiallisen reaktion alkuunpanemiseksi. Kuten edellä jo mainittiin, jos suunniteltu reaktio on sellainen, että läpäisevät reaktantit tuottavat ainakin yhtä tuotetta, joka absorboi säteilyenergiaa, kohtioaineen syöttö voidaan lopettaa sen jälkeen kun reaktio on pantu alkuun.

Suunniteltuun prosessiin voi lisäksi sisältyä reaktiotuotteiden ja mahdollisesti jäljellä olevien reaktanttien ja/tai kohdeai-neiden jäähdyttämisvaihe välittömästi sen jälkeen kun haluttu reaktio on tullut loppuun suoritetuksi. Tämän menettelyn tarkoituksena on päättää haluttu reaktio ja estää muiden ei-halut-tujen reaktioiden esiintyminen. Tuotteet, kohdeaineet ja jäljellä olevat reaktantit voidaan mukavasti ja tehokkaasti jäähdyttää säteilyyn perustuvalla lämmön siirrolla viileään, säteily-energiaa absorboivaan pintaan.

6 4 0 5 6

Neste- tai kaasuseinäisten reaktoreiden käyttö

Keksinnön mukaisia neste- tai kaasuseinäisiä reaktoreita voidaan käyttää periaatteessa missä tahansa korkealämpötilaisessa kemiallisessa reaktiossaj joista monia reaktioita on aikaisemmin pidetty joko mahdottomina tai vain teoreettisesti mahdollisina. Tärkein kriteeri näiden neste- tai kaasuseinäisten reaktoreiden käytölle tietyssä kor-kealämpötilaisessa kemiallisessa reaktiossa on se, onko tällainen reaktio termodynaamisesti mahdollinen reaktio-olosuhteissa. Käyttäen näitä neste- tai kaasuseinäisiä reaktoreita tällaisia korkealämpö-tilaisia kemiallisia reaktioprosesseja voidaan toteuttaa lämpötiloissa aina 330O°C lämpötilaan saakka (1) synnyttämällä huokoisen reak-toriputken sisälle rengasmainen verho tai kuori, joka muodostuu iner-tistä juoksevasta aineesta, joka on olennaisesti läpäisevää säteily-energialle ja muodostaa suojaavan verhon reaktoriputken säteettäisel-le sisäpinnalle ja jolla verholla on olennainen aksiaalinen pituus ja verhon sisätila muodostaa reaktiokammion; (2) johtamalla ainakin yhtä reaktanttia (joka voi olla kiinteässä, nestemäisessä tai kaasumaisessa tilassa) läpi reaktiokammion pitkin ennaltamäärättyä kulkutietä, joka olennaisesti osuu yhteen verhon pituusakselin kanssa, jolloin reaktantit ovat reaktiokammion sisällä; ja (3) suuntaamalla suurtehoista säteilyenergiaa reaktiokammioon osumaan yhteen reaktant-tien ennaltamäärätyn kulkutien ainakin osan kanssa, jolloin riittävästi säteilyenergiaa tulee absorboiduksi reaktiokammioon nostamaan reak-tanttien lämpötila tasolle, joka tarvitaan halutun kemiallisen reaktion aloittamiseen.

Niiden reaktioiden joukossa, jotka voidaan toteuttaa tämän keksinnön mukaisilla neste- tai kaasuseinäisillä reaktoreilla, ovat hiilivetyjen ja hiilivetypitoisten aineiden, kuten kivihiilen ja maaöljyn eri fraktioiden dissosiaatio vedyksi ja hiilimustaksi; kivihiilen, maa-öljyfraktioiden, liuskeöljyn, tervasantojen ja muiden hiilipitoisten tai hiilivetypitoisten syöttöaineiden vesihöyry-reforming synteesi-kaasuseoksiksi, joihin prosesseihin voi sisältyä yhden tai useamman epäorgaanisen karbonaatin (kuten esimerkiksi kalkkikiven tai dolomiitin) taikka epäorgaanisen oksidin valinnainen käyttäminen kemiallisesti reagoimaan rikkiä sisältävien saasteiden kanssa siten, että nämä voidaan poistaa tuloksena olevista synteesikaasuseoksista; hiilivetyjen ja hiilivetypitoisten aineiden osittainen dissosiaatio pienemmän molekyylipainon omaaviksi yhdisteiksi; tyydytettyjen hiilivetyjen osittainen pyrolyysi tyydyttämättömiksi hiilivedyiksi, kuten eteenik- 4i 64 0 5 6 si, propeeniksi ja asetyleeniksi; orgaanisten jäteaineiden kuten vie-märilietteen tai ligniiniä sisältävien sivutuotteiden muuttaminen polttokaasuksi; rikkiä sisältävien hiilivetypitoisten syöttöaineiden täydellinen tai osittainen rikittömäksi tekeminen; mineraalimalmien tai epäorgaanisten yhdisteiden reduktio alempaan valenssitilaan vedyllä, hiilellä, synteesikaasulla tai muulla pelkistävällä aineella; •ja epäorgaanisen alkuaineen tai yhdisteen osittainen tai täydellinen reaktio hiilipitoisen aineen kanssa muodostamaan vastaava epäorgaaninen karbidi.

Haluttaessa voidaan yhtä tai useampaa katalysaattoria käyttää tällaisissa korkealämpötilaisissa kemiallisissa reaktioprosesseissa kiihdyttämään reaktiota taikka muuttamaan sen kulku halutuksi reaktio-järjestykseksi. Kun tällaiset prosessit käsittävät hiilipitoisia tai hiilivetypitoisia reaktantteja, sopivan katalysaattorin lisäämistä järjestelmään voidaan käyttää edistämään vapaiden radikaalien, kar-boniumionien tai karbanionien muodostumista reaktion kulkuun vaikuttamiseksi.

Tietenkään mikään sarja toimintaolosuhteita ei ole optimaalinen tai sopiva kaikille reaktioille, joita voidaan toteuttaa neste- tai kaasu-seinäisessä reaktorissa. Toimintaolosuhteita, kuten lämpötiloja, paineita, syöttönopeuksia, viipymisaikaa reaktoriputkessa ja jäähdy-tysnopeuksia voidaan vaihdella sopiviksi juuri siihen reaktioon, jota kulloinkin toteutetaan. Asian kuvaamiseksi mainittakoon, että niihin tekijöihin, jotka vaikuttavat hiilivedyn pyrolyysin tuotteisiin, kuuluvat lämpötila, johon hiilivety lämmitetään ja sen ajan pituus, jona hiilivetyä kuumennetaan ja ajan pituus, jona se pidetään tässä lämpötilassa. Tiedetään esimerkiksi, että metaani täytyy kuumentaa noin 1230°C lämpötilaan asetyleenin tuottamiseksi. Eteenin muodostuminen etaanista alkaa alemmassa lämpötilassa, noin 830°C lämpötilassa. Tyypillisessä prosessissa hiilivetyjen pyrolysoimi-seksi tuotetaan asetyleeniä, eteeniä, vetyä, hiilimustaa ja hiilivety-öljyjä. Millisekunnin suuruusluokkaa olevat reaktioajat yleensä maksimoivat asetyleenin saannin, koska suuremmat kuin millisekunnin reaktioajat yleensä suosivat eteenin ja muiden tuotteiden tuottamista asetyleenin kustannuksella, kun taas alle millisekunnin olevat reaktio-ajat yleensä vähentävät sekä eteenin että asetyleenin saantia. Hyvin korkeat lämpötilat, esimerkiksi yli l650°C yleensä suosivat hiili-mustan ja vedyn tuottamista asetyleenin ja eteenin kustannuksella.

1)2 64056

Reaktioaikoja esillä olevan keksinnön mukaisissa neste- tai kaasu-seinäisissä reaktoreissa voidaan lyhentää lyhentämällä reaktoriputkea ja lisäämällä reaktoriputkeen vietyjen reaktanttien virtausnopeutta. Hyvin lyhyitä reaktioaikoja varten voi olla edullista sekoittaa reaktanttien kanssa säteilyä absorboivaa kohtioainetta tarkoituksella edistää tehokasta kytkentää reaktanttivirtauksen ja putken seinän termisen säteilyn välillä ja siten auttaa reaktanttien lämmittämistä nopeasti.

Esimerkit

Seuraavat esimerkit kuvaavat helppoutta, jolla erilaisia korkealämpö-tilaisia kemiallisia reaktioprosesseja voidaan toteuttaa esillä olevan keksinnön mukaisesti neste- tai kaasuseinäisissä reaktoreissa. Jokaisessa näistä esimerkeistä käytettiin kuvioissa 1A-5 esitettyä korkealämpötilaista, neste- tai kaasuseinäistä reaktoria toteutettaessa tiettyä korkealämpötilaista reaktiota. Reaktoriputki 61 oli huokoinen grafiittiputki, jonka pituus oli 90 cm, sisähalkaisija 7,5 cm ja ulkohalkaisija 10 cm, keskimääräisen huokoshalkaisijan ollessa 20 mikronia. Huokoinen putki oli suljettu teräksiseen paineastiaan 70, jonka halkaisija oli 25 cm. Reaktoriputkea 6l kuumennettiin hiili-elektrodeilla 100a-100f, jotka oli sijoitettu kokoojakammioon 85. Lämpökilpi 120, joka myös sijaitsi kokoojakammiossa 85, oli valmistettu molybdeenista. Vesijäähdytteinen kaulus 125 oli sijoitettu reaktoriputken 6l ulostulopään läheisyyteen jäähdyttämään reaktiotuotteita, joita oli muodostunut säteilykytkennällä. Sen jälkeen kun kutakin koetta oli ajettu eri pituisia aikoja, reaktoriputki 61 tarkastettiin hiilimustan ja muiden aineiden kasaantumisen toteamiseksi. Mitään ei havaittu.

Esimerkki 1

Metaanin terminen dissosiaatio

Sarja kokeita suoritettiin tarkoituksella määrätä neste- tai kaasusei-näinen reaktorin tehokkuus luonnonkaasun termisessä dissosiaatiossa eri syöttönopeuksilla ja reaktiolämpötiloilla. Jokaisessa näistä kokeista vetyä vietiin kokoojakammioon 85 sisääntulon 83 kautta ja pakotettiin huokoisen reaktoriputken 61 kautta reaktorikammioon vakinaisella nopeudella 140 1/min. Virta hiilielektrodien 100a-100f kautta säädettiin saattamaan reaktoriputken lämpötila välille 1260-l870°C mitattuna optisella pyrometrillä. Luonnonkaasua, joka sisälsi yli 95 % metaania ja loput etaania ja propaania, vietiin reaktoriin sisään- „5 64056 tulon 91 kautta eri virtausnopeuksilla vaihdellen 28-140 1/min. Pieni määrä hiilimustaa vietiin reaktoriin samanaikaisesti sisäänmenon 121 kautta toimimaan absorboivana kohtioaineena tarkoituksella panna alkuun pyrolyyttinen dissosiaatio. Sen jälkeen kun dissosiaatio oli alkanut, ei ollut tarpeen lisätä enää hiilimustaa reaktion ylläpitämiseksi. Tiivis musta savu virtasi reaktoriputken ulostulopäästä ja sen todettiin koostuvan hiilimustasta ja vedystä. Hiilimusta-hiukkaset olivat äärimmäisen hienoja ja vaikeita suodattaa. Suihkuttamalla vettä poistovirtaukseen juuri reaktoriputken 6l ulostulopään alapuolella oli mahdollista iskostaa hiilimustahiukkaset ja koota ne kankaiselle pölysuodattimelle. Taulukossa I on annettu dissosiaatio-prosentti eri virtausnopeuksilla 28-140 1/min. ja dissosiaatiolämpötiloil-la 1260-l870°C, dissosioidun metaanin osuus määrättiin mittaamalla poistokaasun terminen johtavuus sen jälkeen kun hiilimustahiukkaset oli suodatettu näytteestä.

Taulukko I

Dissosiaatioprosentti eri virtausnopeuksilla ja lämpötiloilla

Dissosiaatio- Virtausnopeus lämpötila °C 1/min.

28 56 84 112 140 1260 86 74 66 60 54 1370 89 79 72 68 63 1480 91,5 83 78 74,5 70,5 1590 94 88 84,5 82,0 79 1650 95,5 91 88,5 86 83,5 1700 97 94 92,5 91,0 89,5 1760 98,5 98,5 98,5 98,5 98,5 1815 100 100 100 100 100 1870 100 100 100 100 100

Esimerkki II

Nestemäisten hiilivetyjen terminen dissosiaatio

Sarja kokeita suoritettiin tarkoituksella määrätä kaasuseinäisen reaktorin tehokkuus nestemäisten hiilivetyjen dissosiaatiossa. Vetyä käytettiin verhokaasuna vakinaisella virtausnopeudella l4o 1/min. Koesarjaan valitut nestemäiset hiilivedyt olivat tyypillisiä tisleitä, joita saadaan maaöljystä ja niihin kuuluivat nafta (kiehumispiste 37~93°C); keroseeni-diesel (kiehumispiste 104-177°C); kaasuöljy (kiehumispiste 177-315°C); ja jäännösöljy ja asfaltti (kiehumispiste yli 315°C). Näiden kokeiden tulokset olivat seuraavat: ^ 64056 A. Nafta. Naftavirtaus likimain 27°C lämpötilassa syötettiin reakto-riputkeen 6l sisäänmenon 121 kautta nopeudella 0,19 litraa minuutissa. Reaktoriputken lämpötila pidettiin l870°C:ssa. Puhdas nafta kulki reaktorin lävitse vaikuttamattomana, ilmeisesti se oli läpäisevää sille termiselle säteilylle, joka lähti hehkuvasta reaktoriput-kesta. Sitten nafta tehtiin läpinäkymättömäksi sekoittamalla siihen 0,1 painoprosenttia hienojakoista hiilimustaa. Kun tämä läpinäkymätön seos vietiin reaktoriin kuten edellä, oli olemassa erinomainen kytkentä lämpösäteilyyn. Hiilimusta ja vety virtasivat reaktoriputken ulostulosta. Tuotekaasun analyysi lämpöjohtavuuskennolla osoittautui olevan suurempi kuin 98 mooli-% vetyä, mikä osoittaa, että dissosiaa-tio oli lähes täydellinen.

B. Keroseeni-diesel. Keroseeni-dieseliin sekoitettiin 0,1 painoprosenttia hiilimustaa ja syötettiin sitten kaasuseinäiseen reaktoriin nopeudella 0,19 litraa minuutissa. Reaktoriputki pidettiin 1870°C lämpötilassa. Keroseeni-diesel dissosioitui hiilimustaksi ja vedyksi. Lämpöjohtavuusmittaukset osoittivat, että poistuva kaasu käsitti enemmän kuin 98 mooli-$ vetyä.

C. Kaasuöljy. Kaasuöljyä sekoitettuna hiilimustan kanssa vietiin kaasuseinäiseen reaktoriin virtausnopeudella 0,19 litraa minuutissa.

Kun reaktoriputki pidettiin l870°C lämpötilassa, kaasuöljy dissosioitui hiilimustaksi ja vedyksi, jonka, erotettuna hiilimustasta todettiin muodostuvan 98 mooliprosentista puhdasta vetyä perustuen lämpöjoh-tavuusmittauksiin. Kun reaktoriputken lämpötila laskettiin 1537°C:een, poistokaasu reaktorista muuttui tiheän mustasta savusta vaalean harmaaksi sumuksi, joka osoitti, että alemmassa reaktiolämpötilassa kaasuöljy dissosioitui vain osaksi, todennäköisesti keveämmiksi hiili-vetyjakeiksi ja vähäiseksi määräksi hiiltä.

D. Jäännösöljy ja asfaltti. Jäännösöljyä joka sisälsi asfalttia, vietiin kaasuseinäiseen reaktoriin nopeudella 0,19 litraa minuutissa, ja se dissosioitui täydellisesti hiilimustaksi ja vedyksi, kun reaktoriputki pidettiin l870°C lämpötilassa. Poistokaasun kaasumaiaen komponentin lämpöjohtavuusanalyysi osoitti, että se oli enemmän kuin 98 mooliprosenttisesti vetyä.

45 64056

Esimerkki III

Kivihiilen terminen dissosiaatio Näyte Utahin pehmeätä kivihiiltä analysoitiin ja sen todettiin sisältävän 0,58 paino-? rikkiä ja 8,55 paino-? tuhkaa. Hiili jauhen-nettiin -50 mesh ja syötettiin reaktoriin nopeudella noin 16 kg tunnissa. Reaktoriputki 6l pidettiin lämpötilassa l650°C ja suojattiin typpiverholla, joka pakotettiin huokoisen seinän lävitse nopeudella 140 1/min. Hiili dissosioitui. hiilimustaksi, kaasumaisiksi tuotteiksi ja kevyeksi koksiksi.

Hiilimusta erosi esimerkissä I tuotetusta hiilimustasta siinä, että hiukkaset olivat riittävän suuria suodatettaviksi ilman veden lisäystä. Hiilimustan todettiin sisältävän 8,63 paino-? tuhkaa ja 0,54 paino-? rikkiä. Kaasumainen tuote oli vedyn ja typen seos (viimeksimainittu kaasuverhosta) sisältäen vain 0,02 mooli-? rikkiä, jota oli läsnä rikkivetynä.

Noin 62 paino-? lähtöaineesta tuli muutetuksi koksiksi. Tämä koksi oli erittäin kevyttä ja avointa; sen tiheys oli vain 35 ? sen hiilen tiheydestä, josta se oli valmistettu. Juuri valmistettuna koksi spontaanisti hapettui ilmassa tuhkaksi vähemmässä ajassa kuin 12 tunnissa, mikä osoittaa, että sillä oli suuri pinta-aktiviteetti. Kun koksin annettiin jäädä huoneen lämpötilassa typpiatmosfääriin yli yön, se ei osoittanut pinta-aktiviteettia eikä spontaanisti hapettunut, kun se sen jälkeen saatettiin ilman vaikutuksen alaiseksi. Koksin mikroskooppinen tutkiminen osoitti, että se sisälsi pieniä, onttoja, pallomaisia rakeita lasinkaltaisesta aineesta. Kemiallinen analyysi osoitti, että koksi sisälsi 8,27 paino-? tuhkaa ja 0,70 paino-? rikkiä.

Esimerkki IV

Hiilen höyryreforming ja kaasuttaminen Näyte hiiltä Carbon Countystä, Utahista, joka sisälsi kalkkikivipi-toista tuhkaa, analysoitiin ja sen todettiin sisältävän 0,60 paino-? rikkiä. Hiili jauhennettiin -50 mesh ja syötettiin reaktoriin nopeudella noin 4,74 kg tunnissa. 120°C lämpötilaista höyryä vietiin samanaikaisesti reaktoriin nopeudella 9 kg tunnissa. Reaktoriputki 6l pidettiin 1870°C lämpötilassa ja suojattiin vetyverholla, joka pakotettiin huokoisen seinän lävitse nopeudella 140 1/min. Tiheän valkoisen höyryn todettiin poistuvan reaktorin ulostulosta. Ei ollut mitään osoi- 46 64 05 6 tusta siitä, että olisi tuotettu hiilimustaa tai raskasta jäännöstä. Tuhkaa tai muuta kiinteätä ainetta ei löydetty suppilosta, joka sijaitsee suoraan reaktoriputken ulostulon alapuolella, mikä osoitti, että hiilen kaikki kiinteä jäännös sisältyi kaasumaiseen tuotteeseen.

Kiinteät aineet suodatettiin poistokaasusta ja jäljelle jäänyt kaasu kuivatettiin ennen analyysiä massaspektrometrillä. Analyysin tulokset jättäen huomioonottamatta ilman ovat seuraavat (konsentraatiot on annettu mooliprosentteina) : typpi 0,051 %>, hiilimonoksidi 7,563 %·, rikkivetyä ei havaittu; hiilidisulfidia ei havaittu; hiilidioksidi 0,277 %i vety 89,320 %; metaani 1,538 %; muita hiilivetyjä kuten ben-seeniä, asetyleeniä jne. 1,253 %· Tästä prosessista saatu kaasumainen tuote on sopivaa polttoaineeksi. Lisäksi mitään rikkiä sisältäviä komponentteja ei havaittu analyysissä, vaikka massaspektrometri pystyi toteamaan rikkiyhdisteet niinkin pieninä konsentraatioina kuin 10 osaa miljoonasta. Tämä osoitti, että olennaisesti kaikki rikki, jota alunperin oli hiilessä, on sisältynyt kiinteisiin hiukkasiin, jotka suodatettiin ulostulokaasuvirtauksesta.

Esimerkki V

öljyliuskeen höyryreforming ja kaasuttaminen Näyte Green River öljyliusketta, joka saatiin Riflen takaisesta lähteestä Coloradossa, jauhennettiin kokoon -100 mesh. Näyte analysoitiin öljyliuskeessa olevien erilaisten hiilipitoisten aineiden määräämiseksi. Metyleenikloridi huoneen lämpötilassa uutti 0,93 paino-% liuskeesta. Näyte analysoitiin edelleen kuumentamalla osa siitä ilmassa ja havaitsemalla painonmenetys lämpötilan funktiona. Tulokset tästä lisäanalyysistä olivat seuraavat: Lämpötila-alue Painonmenetys % Huomautuksia 20-500°C 11,60 haihtuvien tislautuminen 500-780°C 2,50 hiilen hapettuminen 780-1200°C 12,00 CaCO^rn dekarboksilaatio Näistä mittauksista estimoitiin, että öljyliuske koostui 15 painoprosentista orgaanista ainetta ja 26,3 painoprosentista kalkkikiveä CaCOj. Lopun 57,5 painoprosenttia oletettiin olevan kvartsipitoista ainetta.

„ 64056

Jauhennettu näyte vietiin reaktoriin nopeudella 17,25 kg tunnissa. Samanaikaisesti syötettiin höyryä reaktoriin nopeudella noin 9 kg tunnissa. Höyryn lämpötila oli 120°C reaktorin sisäänmenossa. Reak-toriputki pidettiin lämpötilassa 1700°C ja vety, jota suihkutettiin huokoisen seinän lävitse nopeudella 140 Ι/min., toimi verhokaasuna. Väritön höyry virtasi putken ulostulosta. Tämän höyryn lämpötilaksi mitattiin 520°C juuri reaktorin ulostulon alapuolella.

Tuotetuksi tuli myös kiinteää tuhka-ainetta, joka putosi suppiloon reaktoriputken alapuolelle. Tuhka koostui vallitsevasti eri värisistä sulaneista lasihelmistä. Tämä aine analysoitiin hiilipitoisen jään-nösaineen toteamiseksi jauhentamalla se ja toteuttamalla samat lämmitys/ painonputousanalyysit, jotka suoritettiin alkuperäisellä öljyliuskeel-la. Mitään painonmenetystä ei havaittu kuumennettaessa lämpötilasta 500°C lämpötilaan 780°C, mikä osoitti, että mitään alkuperäisessä liuskeessa läsnäollutta orgaanista ainetta ei ollut jäljellä tuhka-aineessa. 14 % painonmenetys havaittiin kuumennettaessa kiinteää tuhkaa lämpötilasta 7ÖO°C lämpötilaan 1200°C, mikä osoitti, että suurin osa alkuperäisessä näytteessä olleesta kalsiumkarbonaatista jäi tuhkaan ja että osa tästä kalsiumkarbonaatista oli tullut dekarboksiloiduksi reaktion aikana. Tuhkan käsittelystä 0,1 N HClrllä seurasi rikkivedyn ja hiilidioksidin kehittyminen, mikä osoitti, että rikki, joka oli ollut alkuperäisessä näytteessä, oli ainakin osaksi löydettävissä myös tuhkasta.

Reaktion poistokaasun kaasumainen komponentti kuivatettiin ja sitten analysoitiin massaspektrometrillä. Tulokset mooliprosentteina ilmaistuina ovat seuraavat: vety 87,86 %i metaani 0,74 %\ asetyleeni 0,07 %\ eteeni 0,39 %'» typpi 1,24 hiilimonoksidi 8,70 I; sekalaiset hiilivedyt 0,04 %'a hiilidioksidi 0,016 %\ benseeni 0,016 %\ tolueeni 0,002 %\ ja rikkivety alle 0,005 %· Tämä kaasu on sopiva käytettäväksi vähärikkisenä polttoaineena.

Esimerkki VI

Viemärilietteen höyryreforming ja kaasuttaminen Näyte aktivoitua viemärilietettä, joka käsitti kuivattua ihmisen jätettä sekoitettuna kvartsipitoiseen savisideaineeseen ja muodostettuna hiukkaskokoon likimain 2 mm, analysoitiin ja sen todettiin omaavan seuraavan koostumuksen (konsentraatiot on ilmaistu painoprosentteina): orgaanista hiiltä 33,21 %\ orgaanista vetyä 4,38 %\ orgaanista typpeä 48 640 5 6 6,04 %\ orgaanista rikkiä 0,23 vettä 6,14 % ja epäorgaanista jäännöstä 50 %.

Liete vietiin reaktoriin nopeudella 24,4 kg tunnissa. Yhteensä 11,3 kg lisättiin. Höyryä lämpötilassa 120°C syötettiin samanaikaisesti reaktoriin nopeudella 24,87 kg tunnissa, joka oli noin kaksinkertainen stökiometrinen nopeus vesi-kaasu-reaktiolle. Vetyä suihkutettiin huokoisen seinän lävitse nopeudella 140 Ι/min.. Reaktorin lämpötila pidettiin 2070°C:ssa.

Reaktiotuotteet olivat tiheä valkea sumu ja kiinteä jäännös. Jäännös, joka koottiin kaivoon reaktoriputken alapuolella, painoi 6,8 kg ja vastasi 60 % aktivoidun lietteen painosta. Jäännöksellä oli seuraava koostumus (konsentraatiot on ilmaistu painoprosentteina): orgaanista hiiltä 12,88 %; orgaanista vetyä 1,69 orgaanista typpeä 2,34 %\ orgaanista rikkiä 0,37 %\ vettä (pieni määrä); ja epäorgaanista jäännöstä 83 %·

Osa reaktorin poistohöyrystä kondensoitiin nestemäisen typen muodostamassa loukussa. Loukkuun koottu näyte saatettiin huoneenlämpötilaan ja sen todettiin omaavan nestemäisiä ja kaasumaisia komponentteja. Nesteen kiehumispiste oli 100°C, mikä osoittaa sen olevan vettä. Kaasumainen komponentti, joka oli sopivaa käytettäväksi vähärikkisenä polttoaineena, analysoitiin massaspektrometrillä ja kaasukromatograa-filla ja sen todettiin omaavan seuraavan koostumuksen (konsentraatiot on ilmaistu mooliprosentteina) : vetyä 60,93 %'» ammoniakkia 0,0005 %\ metaania 1,320 %; vettä 0,083 %\ asetyleeniä 0,463 eteeniä 0,304 %\ etaania 0,102 syaanivetyä 0,28l %\ typpeä 0,990 hiilimonoksidia 34,122 %; happea 0,0005 buteenia 0,173 %’, butaania 0,026 %; hiilidioksidia 0,996 %\ benseeniä 0,100 %\ tolueenia 0,019 %; rikkivetyä 0,0005 %; ja disyaania 0,008 %.

Esimerkki VII

Kaasuöljyn osittainen pyrolyysi

Tarkoituksella esitellä neste- tai kaasuseinäisen reaktorin käyttöä maaöljytisleiden osittaisessa pyrolyysissä pyrolysoitiin kevyttä voiteluöljyä (lube stock) eli "kaasuöljyä" osittain. Tälle maaöljy-tisleelle oli ominaista seuraava tislausanalyysi: 49 64056 Lämpötila °C Tislautui %

79 O

200 10 220 20 230 30 250 ^0 270 50 278 60 278 70 280 80 280 90

Kaasuöljy vietiin reaktoriputkeen sumun muodossa sumuttamalla se sumu-tussuuttimen kautta. Vetyä käytettiin sumutuskaasuna sekä muodostamaan kaasuseinää. Lisäksi vetyä vietiin reaktoriputken sisääntulo-päähän pyyhkäisykaasu-sisääntulon kautta kaasuöljysumun pyyhkäisemi-seksi läpi putken.

Reaktoriputki kuumennettiin aluksi lämpötilaan l870OC, jolloin vetyä vietiin kokoojakammioon nopeudella 140 1/min. kaasuseinän muodostamiseksi ja vetyä nopeudella noin 140 1/min. vietiin pyyhkäisy-kaasu-sisäänmenoon. Sitten vietiin kaasuöljyä reaktoriputkeen nopeudella noin 0,95 litraa minuutissa käyttäen noin 140 1/min. vetyä .sumutuskaasuna.Poistokaasuvir-tauksen lämpötila juuri reaktoriputken ulostulon alapuolella aseteltiin noin 438°C:ksi alentamalla reaktoriputken lämpötila l425°C:ksi. Ennen näytteiden ottamista reaktorille annettiin aikaa päästä tasapain tilaan näissä toimintaolosuhteissa.

Näytteitä ulostulovirtauksesta koottiin kolmella menetelmällä, nimittäin (1) johtamalla osa poistovirtauksesta läpi nestemäisen typpi-loukun ja kokoamalla näyte jäähdyttämällä se; (2) kokoamalla kaasumaisia näytteitä virtauksesta kohdassa, joka sijaitsee alavirtaan nestemäisestä typpiloukusta^ ja (3) johtamalla osa virtauksesta läpi vesi jäähdytteisen kondensorin ja kokoamalla nestemäinen jae. Aineen, joka koottiin nestemäisellä typpiloukulla, annettiin lämmittää lämpötilaan noin 10°C ja näytteitä tämän aineen nestemäisestä ja höyryfaasista koottiin sitten tässä lämpötilassa.

Nesteelle, joka koottiin vesijäähdytteisen kondensorin alle, oli ominaista seuraava tislausanalyysi: 50 64056 Lämpötila °C Tislautui %

125 O

255 10 284 19 310 29 325 38 326 48 342 58 352 67 366 77 372 87 390 95

Nestemäinen näyte, joka koottiin nestemäisen typen muodostamasta loukusta, kuivatettiin veden poistamiseksi ja sitten se analysoitiin ja sen havaittiin sisältävän ksyleeniä, styreeniä, tolueenia, bensee-niä, pentaania, pentadieeniä, syklopentadieeniä, buteenia, butadieeniä, propyleeniä metyyliasetyleeniä, metyylinaftaleenia ja suuremman mole-kyylipainon omaavia hiilivetyjä. Nestemäisen typen muodostamaan loukkuun kootun aineen kaasumainen komponentti kuivatettiin ja analysoitiin massaspektrometrillä ja kaasukromatograafilla. Sen jälkeen kun oli suoritettu korjaus ilman läsnäolosta, kahden näytteen tätä kaasumaista komponenttia todettiin omaavan seuraavan keskimääräisen koostumuksen (konsentraatiot on ilmaistu mooliprosentteina): vetyä 88,23 %\ metaania 4,62 %\ eteeniä 3,09 %\ propeenia 1,22 %\ aetyleeniä 0,55 %\ •etaania 0,41 buteenia 0,36 %\ benseeniä 0,35 %'» butadieenia 0,31 %', hiilidioksidia 0,14 %\ pentadieeniä 0,13 %\ penteeniä 0,13 %\ propaania 0,12 %; hiilimonoksidia 0,12 %\ syklopentadieeniä 0,10 %\ metyyli-pentadieeniä 0,06 %·, sykloheksaania 0,03 %\ butaania 0,03 %\ metyyliasetyleeniä 0,02 %i ja tolueenia 0,02 %.

Esimerkki VIII

Kaasuöljyn osittainen höyryreforming

Kaasuöljyä, joka oli identtistä sen kaasuöljyn kanssa, jota käytettiin esimerkissä VII, muodostettiin osittain uudelleen (reforming-menetel-mällä) höyryllä kaasuseinäisessä reaktorissa kahdessa olennaisesti identtisessä kokessa. Molemmissa näistä kokeista kaasuöljy vietiin reaktoriin sumun muodossa sumuttamalla se sumutussuuttimen kautta.

Vetyä käytettiin juoksevana verhona, pyyhkäisykaasuna ja sumutuskaasu-na nopeudella noin 140 1/min. kutakin tarkoitusta varten.

64056

Molemmissa kokeissa reaktoriputki kuumennettiin aluksi lämpötilaan 1815°C, vetyä vietiin sisään pyyhkäisykaasusisäänmenoon ja kokooja-kammioon likimain niillä nopeuksilla, joita käytettiin kokeen kestäessä. Sitten vietiin kaasuöljyä reaktoriin nopeudella noin 0,95 litraa minuutissa yhdessä höyryn kanssa, jota vietiin nopeudella noin 1,8 kg minuutissa, mikä vastaa hiili/höyry molaarisuhdetta noin 1,0:1,6. Kaasuöljyn ja höyryn lämpökuormituksen alaisena putosi reaktorin lämpötila 1593°C:een. Poistokaasun lämpötila juuri ulostulon alapuolella oli noin A55°C. Näytteitä koottiin ja käsiteltiin samalla tavoin kuin esimerkissä VII.

Nesteelle, joka koottiin vesijäähdytteisen kondensorin alapuolelta ensimmäisessä ajossa, oli ominaista seuraava tislausanalyysi: Lämpötila °C Tislautui % 250 0 305 10 325 20 335 30

335 AO

3AA 50 356 60 362 70 362 80 380 90

Toisessa ajossa näyte nestemäisestä komponentista, joka koottiin nestemäisen typen muodostamasta loukusta, lämmitettiin lämpötilassa 10°C, kuivattiin veden poistamiseksi ja sitten analysoitiin kvalitatiivisesti. Tulosnäytteen todettiin sisältävän tolueeni, benseeniä, penteeniä, pentadieeniä, syklopentadieeniä, buteenia, butadieeniä, nafteenia, ksylee.niä, styreeniä ja suuremman molekyylipainon omaavia hiilivetyjä. Se osa alkuperäisestä näytteestä, nestemäisen typen muodostamasta loukusta, joka oli haihtuva lämpötilassa 10°C, kuivatettiin ja analysoitiin kaasukromtograafilla ja massaspektrometrillä ja sen havaittiin omaavan seuraavan koostumuksen sen jälkeen kun oli tehty ilman läsnäolosta johtuva korjaus (konsentraatiot on ilmaistu mooli-prosentteina): eteeniä 36,85 %; propeenia 23,22 %; asetyleeniä 8,56 %\ etaania 7,99 %’» vetyä A,Ai %; buteenia A,Ai %\ butadieenia 3,50 %; propaania 2,A7 %; metaania 2,10 %, metyyliasetyleeniä 1,98 %; bensee- 52 6 4 0 5 6 niä 1,56 %i pentadieeniä 0,62 %3 penteeniä 0,62 syklopentadieeniä 0,49 %l hiilidioksidia 0,37 %\ butaania 0,25 %3 metyylipentadieeniä 0,25 %\ sykloheksaania 0,13 %\ ja tolueenia 0,04 %.

Esimerkki IX

Sahajauhon terminen dissosiaatio

Sahajauho, tyypillinen ligniiniä sisältävä sivutuote, dissosioitiin termisesti reaktoriputkessa 6l lämpötilassa l870°C, samalla kun vetyä pakotettiin putken huokoisen seinän lävitse nopeudella 140 1/min. Sahajauhoa syötettiin reaktoriin nopeudella noin 22,7 kg tunnissa. Pyrolyy-situotteet käsittivät hienojakoista hiilimustaa, joka oli samanlaista kuin tuotettiin dissosioitaessa metaania, kaasumaisia tuotteita haihtuvien yhdisteiden dissosiaatiosta ja karkeakudoksista hiiltymää, jossa alkuperäisen puun kuiturakenne oli olennaisesti koskemattomana.

Esimerkki X

Piikarbidihankausaineet kvartsista

Kvartsihiekkaa, jossa hiukkaskokojakautuma oli alueella -50 mesh -+100 mesh, vietiin reaktoriputkeen 6l sisääntulon 121 kautta nopeudella 4,5 kg tunnissa. Metaania lisättiin samanaikaisesti reaktoriput-keen sisääntulon 91 kautta nopeudella 28 1/min. Reaktoriputken lämpötila pidettiin l870°C:na. Typpeä suihkutettiin reaktoriputkeen huokoisen seinän lävitse nopeudella l4o 1/min. muodostamaan kaasuseinä. Jau-heinen aine pudotettiin reaktoriputkesta ja koottiin allaolevaan suppiloon.

Jauheinen tuote oli riittävän hankaavaa naarmuttamaan lasia helposti, mikä osoitti, että se sisälsi piikarbidia. Mikroskooppinen jauheen tutkimus osoitti, että se muodostui piidioksidiosasista, jotka oli peitetty kuorella, joka muodostui amorfisesta hiilestä ja ohuista levyistä kiteistä piikarbidia.

Esimerkki XI

Alumiinikarbidin tuottaminen

Stökiometrinen seos alumiinijauhetta ja alkuainehiiltä valmistettiin seuraavaa suunniteltua reaktiota varten: 4 AI + 3 C -^Al^Cj (1) Tätä seosta vietiin reaktoriin nopeudella noin 4,5 kg tunnissa. Reak-toriputki 6l pidettiin l870°C lämpötilassa ja vetyä pakotettiin läpi 53 6 4 0 5 6 reaktoriputken huokoisen seinän nopeudella 140 Ι/min.. Reaktio antoi amorfista, harmaanruskeaa ainetta, joka koottiin loukkuun reaktori-putken alapuolella. Näyte harmaanruskeaa tuotetta sekoitettiin 0,1 N HC1 kanssa. Kehittyi kaasua, joka paloi metaanin luonteenomaisella keltaisella liekillä, mikä osoitti, että seuraava reaktio oli tapahtunut tuotteen ja kloorivetyhapon välillä:

AljjCs) + 12 HCl(aq) -» 3CH4(g) + ^AlCl^aq) (2) Näyte liukeni täydellisesti kloorivetyhappoon antaen kirkkaan liuoksen. Koska alkuainehiiltä käytettiin lähtöaineena ja se on liukenematonta 0,1 N HCl:ään, tämä osoitti, että alumiini ja hiili reagoivat kvantitatiivisesti kaasuseinäisessä reaktorissa muodostaen alumiinikarbidia.

Alumiinikarbidin tuottamisen toteuttamismahdollisuuden tutkimiseksi kaasuseinäisessä reaktorissa alumiinikloridista ja hiilestä, sijoitettiin vedetöntä AlCl^ hiiliupokkaaseen ja kuumennettiin kunnes se sublimoitui. Alumiinikloridihöyry sekoitettiin vetyvirtaukseen ja tuloksena oleva virtaus johdettiin sitten yli hiilimustakerroksen. Kaarilamppu fokusoitiin hiilikerroksen pintaan ja tämä kuumensi kerroksen alueen lämpötilaan 999°C mitattuna optisella pyrometrillä. Pieniä oranssinvärisiä kiteitä muodostui juuri alavirtaan kuumennetusta vyöhykkeestä, mikä osoitti, että alumiinikloridi oli reagoinut hiilen ja vedyn kanssa muodostaen alumiinikarbidia ja kloorivetyä seuraavan reaktiokaavan mukaan: 4 AlClj + 3C + 6 H2 -» AIjjCj + 12 HC1 (3)

Kun oranssinväriset kiteet lisättiin 0,1 N HCl:yyn, kiteet liukenivat ja kehittyi kaasua, joka paloi metaanille luonteenomaisella keltaisella liekillä.

Koska tämä proseduuri simuloi reaktiota, mikä voidaan toteuttaa kaasuseinäisessä reaktorissa saattamalla alumiinikloridi reagoimaan hiilen ja vedyn kanssa (tuotettu kaasumaisen tai nestemäisen hiilivedyn termisellä dissosiaatiolla), tämä tuo mieleen uuden keinon metaanin valmistamiseksi (1) saattamalla alumiinikloridi reagoimaan huokean hiilivetypitoi-sen aineen kanssa muodostamaan alumiinikarbidia ja kloorivetyä ja (2) sammuttamalla reaktiotuote vedessä siten, että tuloksena oleva kloorivetyhappo hydrolysoi alumiinikarbidin tuottaakseen metaania ja alumiinikloridia, joka vuorostaan voidaan uudelleenkierrättää prosessin lävitse.

54 64056

Esimerkki XII

Ferrioksidin pelkistäminen vedyllä

Tarkoituksella esitellä kaasuseinäisen reaktorin käyttökelpoisuutta metallimalmien pelkistämisessä puhdasta ferrioksidia (-100 mesh) syötettiin reaktoriin nopeudella 15,9 kg tunnissa samanaikaisesti kun vetyä pakotettiin huokoisen seinän lävitse nopeudella 140 1/min. Vety toimi tässä sekä kaasuseinän muodostajana että pelkistämisaineena rautaoksidille. Reaktoriputki pidettiin 1870°C lämpötilassa mitattuna fokusoimalla optinen pyrometri putken hehkuvalle sisäseinälle. Reak-tanttien lämpötilan reaktoriputkessa todettiin olevan 1510°C mitattuna optisella pyrometrillä. Muodostui harmaa jauhe, joka koottiin suppiloon reaktoriputken alle. Poistovirtauksen lämpötila juuri reaktori-putken ulostulon alla mitattiin 315°C:ksi.

Tuote oli puhdasta rautajauhetta, joka pyrki olemaan itsestään syttyvää noin 149°C lämpötilassa juuri valmistettuna. Jauheen tarkastelu mikroskoopilla osoitti, että se muodostui pienistä pallomaisista hiukkasista, joka osoitti, että rauta oli ollut sulassa tilassa reaktoriputken läpikulkunsa aikana.

Esimerkki XIII

Rikkivedyn ja metaanin terminen dissosiaatio Käyttäen kaasuseinäistä reaktoria rikkivety saatettiin reagoimaan in situ hiilen kanssa, joka oli muodostettu metaanin termisellä dissosiaatiolla, jolloin muodostui rikkihiiltä ja vetyä. Kokeita suoritettiin kahdessa eri lämpötilassa, nimittäin l635°C ja 1760UC. Molemmissa tapauksissa lämpötilat mitattiin fokusoimalla optinen pyrometri hehkuviin reaktantteihin reaktoriputkessa, jolloin hiilihiukka-set metaanin dissosiaatiosta olivat reaktioseoksen pääasialliset hehkuvat ainekset. Vetyä pakotettiin läpi reaktoriputken huokoisen seinän nopeudella 140 1/min. toimimaan verhokaasuna. Rikkivetyä nopeudella 9,1/min. ja metaania nopeudella 28 1/min sekoitettiin yhteen ja vietiin reaktoriputkeen. Kaasuseos oli huoneenlämpötilassa reaktoriputken sisäänmenossa. Hiilimustaa kohtioaineena lisättiin reaktion alkuunpanemiseksi, vaikka sen jälkeen kun reaktio oli alkanut, se oli itse itseään ylläpitävä eikä enää tarvittu hiilimustaa.

Näytteitä kahden kokeen tuotteiden kaasumaisista komponenteista analysoitiin massaspektrometrillä. Analyysitulokset on annettu seu-raavassa taulukossa, konsentraatiot on ilmaistu mooliprosentteina: 55 64056

Yhdiste Reaktiolämpötila

1635°C 1760°C

Vetyä 83,974 88,560

Metaania 11,379 6,230

Asetyleeniä l,68l 2,281

Eteeniä 1,397 1,519

Rikkivetyä 1,021 0,813

Hiilidioksidia 0,296 0,160

Rikkihiiltä 0,216 0,403

Benseeniä 0,036 0,034

Vaikka kaikki edellä esitetyt esimerkit toteutettiin kuvioissa 1A-1B esitetyssä kaasuseinäisessä reaktorissa, vielä parempia tuloksia voidaan saavuttaa käyttämällä kuvioiden 6A-6D mukaista kaasu- tai nesteseinäistä reaktoria sopivin modifikaatioin (tarvittaessa) käsittelemään kiinteitä syöttöaineita. Prosessimuuttujien ohjausjärjestelmien käyttäminen mahdollistaa optimaalisten toimintaolosuhteiden tarkan toteamisen ja ylläpitämisen. Jos tällaiseen ohjausjärjestelmään sisältyy digitaalilaskin, voidaan optimikäyttöolosuhteiden etsintä toteuttaa automaattisesti.

>

‘I

l

Claims (20)

56 6405 6

1. Menetelmä korkeassa lämpötilassa tapahtuvan kemiallisen reaktion suorittamiseksi johtamalla reaktantit keskeisesti reaktioputken läpi, jonka sisäseinämää suojaamaan on muodostettu kaasuverhous johtamalla sen huokoisen seinämän läpi reaktioputken sisälle inerttiä, säteilyä olennaisesti läpäisevää kaasua, ja kuumentamalla reaktioputkessa olevaa ainetta tai aineita suurtehosäteilyn avulla reaktion käynnistämiseksi ja ylläpitämiseksi, tunnettu siitä, että tulenkestävää ainetta olevaa reaktioputkea kuumennetaan ainakin osalla sen pituutta, jolloin säteilyenergiaa heijastetaan reaktioputkea kohti sitä välimatkan päässä ympäröivästä lämpökilvestä, jolloin reaktioputkessa olevat aineet kuumenevat absorboimalla reaktioputken emittoimaa säteily-lämpöä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reaktanttien ollessa säteilyä läpäisevää ainetta reaktioputkessa on ainakin aluksi läsnä säteilyä absorboivaa kohtioainetta lämpötilan nostamiseksi putken keskellä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säteilyenergiaa absorboivaa kohtio-ainetta viedään pitkin reaktanttien kulkutietä ennen reaktanttien vientiä reaktoriputkeen, jolloin kohtioaine absorboi riittävästi säteilyenergiaa nostamaan reaktanttien lämpötilan tarvittavalle tasolle halutun kemiallisen reaktion alkuunpane-miseksi.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säteilyenergiaa absorboiva kohtioaine deaktivoidaan sen jälkeen kun haluttu reaktio on tullut käynnistetyksi.

5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säteilyenergiaa suunnataan rajatulle pituudelle reaktanttien ennalta määrättyä kulkutietä. 57 6 4 0 5 6

6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reaktiotuotteita ja mahdollisesti jäljellä olevia reaktiokomponentteja jäähdytetään välittömästi sen jälkeen kun reaktiokomponentit ovat poistuneet reaktio-kammiosta, tarkoituksen lopettaa haluttu kemiallinen reaktio ja estää muut ei-halutut kemialliset reaktiot.

7. Korkealämpötilainen kaasu- tai nesteseinäinen reaktori jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukaisen menetelmän soveltamiseksi, johon reaktoriin kuuluu (A) reaktoriputki (6l; 401), jossa on sisääntulopää (62; 402) ja ulostulopää (63; 403) ja jonka sisätila muodostaa reaktori-kammion (65; 411, 404, 422), joka reaktoriputki (6l; 401) on valmistettu huokoisesta tulenkestävästä aineesta, joka pystyy emittoimaan säteilyenergiaa, jonka tulenkestävän aineen huokosilla on sellainen halkaisija, joka mahdollistaa inertin' juoksevan aineen tasaisen riittävän virtauksen putken seinän lävitse muodostamaan suojaava verho reaktoriputken (6l; 401) säteittäisesti sisäänpäin olevalle pinnalle; (B) juoksevaa ainetta pitävä, putkimainen paineastia (70; 201, 301, 405, 501), joka ympäröi reaktoriputkea (6l; 401) ja rajoittaa inertin juoksevan aineen kokoojakammion (85; 406) reaktoriputken (6l; 401) ja paineastian (70; 201, 301, 405, 501) väliin, jolloin reaktoriputken (6l; 401) sisääntulo- ja ulostulopäät (62, 63; 402, 403) on tiiviisti suljettu kokoojakammiosta (85; 406), jolloin paineastiassa (70; 201, 301, 405, 501) on sisääntulo (83; 408) inertin juoksevan väliaineen sisäänpäästämiseksi, (C) reaktiokomponenttien syöttövälineet (90; 214, 232), jotka on sijoitettu ja sovitettu syöttämään ainakin yhtä reaktiokom-ponenttia reaktorikammioon(65; 4ll, 404, 422) reaktoriputken (61; 401) sisääntulopäästä (62; 402), tunnettu siitä, että reaktoriin sisältyy (D) sähkölämmitin (100a-100f; 317, 318, 302a-302c, 319), joka sijaitsee kokoojakammiossa (85; 406) ja säteen suunnassa välimatkan päässä reaktoriputkesta (61; 401), ja (E) kehän suuntainen lämpökilpi (120; 410), joka sijaitsee paineastiassa (70; 201, 301, 405, 501) säteen suunnassa lämmit-timen (100a-100f; 317, 318, 302a-302c, 319) ulkopuolella, joka 58 6 4 0 5 6 lämpökilpi (120; 410) on sovitettu heijastamaan säteilyener-giaa reaktoriputkeen (61; 401).

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että reaktoriputken (401) tulenkestävä aine on kuitumainen kudos, jossa on suuri lukumäärä huokosia, joiden läpimitta on sellainen, että se sallii inertin juoksevan väliaineen riittävän virtauksen putken seinän läpi muodostamaan suojaverho reaktioputken (401) säteettäisesti sisäpuoliselle pinnalle.

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että siihen kuuluu välineet säteilyener-giaa absorboivan kohtioaineen viemiseksi reaktorikammioon (65; 4ll, 404, 422) osumaan yhteen reaktiokomponenttien kulkutien ainakin yhden kohdan kanssa.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että kohtioaine on nestemäistä.

11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että kohtioaineena on kaasu, joka absorboi sähkömagneettisen spektrin aallonpituuksia noin 100 mikronista noin 0,01 mikroniin.

12. Patenttivaatimuksen 9 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että kohtioaineena on hienojakoinen hiilijauhe.

13. Patenttivaatimuksen 9 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että kohtiona on kiinteä elementti, joka on sijoitettu reaktorikammioon pitkin ainakin osaa reaktanttien kulkutietä.

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että mainittu kiinteä elementti on valmistettu hiilestä.

15. Patenttivaatimuksen 7 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että huokoinen aine on grafiittia, hiiltä, sintrattua ruostumatonta terästä, sintrattua volframia, sintrattua molybdeenia, toriumoksidia, magnesiumoksidia, sinkkioksidia, 59 640 5 6 alumiinioksidia, tai sirkoniumoksidia.

16. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että sähkölämmittimeen (100a-100f; 317, 318, 302a-302c, 319) reaktoriputken lämmittämiseksi kuuluu joukko sähkövastuslämmityselementtejä (I00a-100f; 302a-302c), jotka sijaitsevat säteettäisesti reaktoriputken (6l; koi) ulkopuolella ja välien päässä toisistaan reaktoriputken kehäpinnan ympärillä.

17· Patenttivaatimuksen 8 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että kuitumaisena tulenkestävänä aineena on grafiitti tai hiili.

18. Patenttivaatimuksen 8 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että sähkölämmittimeen (302a-302c, 319) kuuluu useita sähkövastuslämmityselementtejä (302a-302c), jotka on tehty kuitumaista tulenkestävää ainetta olevasta kudoksesta, joka on välin päässä putkesta sen kehän ympärillä.

19. Patenttivaatimuksen 18 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että kuitumaisena tulenkestävänä aineena on grafiitti tai hiili.

20. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen reaktori, tunnet -t u siitä, että lämpösuojakilpi on valmistettu molybdeenistä tai grafiittiaineesta. 60 64056