DE1061300B - Verfahren und Vorrichtung zur Durchfuehrung chemischer Reaktionen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen Es ist bekannt, daß man chemische Reaktionen in einem von einer elektrischen Entladung, insbesondere einer elektrischen Bogenentladung, gefüllten Raum durchführen kann, wobei man als Reaktionsprodukte energiereiche Verbindungen gewinnen kann. Beispielsweise kann man auf diese Weise Kohlenwasserstoffe sehr verschiedener Kettenlänge spalten und mit guter Ausbeute zu Acetylen dehydrieren. Der Vorteil dieser Arbeitsweise besteht vor allen Dingen darin, daß man die Ausgangsstoffe sehr rasch in die eigentliche Reaktionszone einbringen, ferner in der Reaktionszone sehr hohe Energiezustände erreichen und schließlich mit verhältnismäßig einfachen Mitteln eine sehr rasche Abkühlung der Reaktionsprodukte erzielen kann. Dadurch lassen sich Gleichgewichtseinstellungen erhalten, die man mit Hilfe thermischer Energie nicht erreichen kann.
• So offenkundig vorteilhaft die Durchführung chemischer Reaktionen in von elektrischen Entladungen erfüllten Räumen ist, so stehen einer breiteren Anwendung dieser Methode die verhältnismäßig hohen Kosten für die Aufrechterhaltung der elektrischen Entladung während der Reaktionsabläufe entgegen.
• Dies liegt darin begründet, daß ein großer Teil der elektrischen Energie, die man derartigen Entladungen zuführt, nicht in Form energiereicher Reaktionsprodukte zurückerhalten werden kann, sondern lediglich zum Stabilisieren der elektrischen Entladung verbraucht wird. Das gilt vor allem für Entladungen erheblicher Längenausdehnung, z. B. solche von einer Länge von 1 m und mehr, die man bei Verwendung von einphasigem oder mehrphasigem Wechselstrom im allgemeinen nur unter erheblichen technischen Schwierigkeiten aufrechterhalten kann. Man muß in solchen Fällen mit Gleichspannung arbeiten und zu diesem Zweck kostspielige Gleichrichtereinrichtungen verwenden.
• Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, diese Schwierigkeiten zu beseitigen, insbesondere die der elektrischen Entladung zugeführte Energie praktisch vollständig für die eigentlichen chemischen Umsetzungen zur Verfügung zu stellen und außerdem die Verwendung von ein- oder mehrphasigem Wechselstrom, insbesondere bei großen Elektrodenabständen, zu ermöglichen.
• Dieses Ziel der Erfindung wird in der Weise verwirklicht, daß wenigstens eine der Elektroden, zwischen denen die elektrische Entladung erfolgt, in unmittelbarem Bereich einer Ladungsträgerquelle gelegen ist, die durch eine fortdauernde Flammenreaktion gebildet wird, wobei die Flammenreaktion sich über mindestens 10°/o des Abstandes zwischen den beiden Elektroden in Richtung auf die Gegenelektrode erstreckt.
• Die für die Aufrechterhaltung der Entladung, insbesondere bei Wechselspannung und großen Längen, benötigten Ladungsträger werden also gemäß der Erfindung von einer Flamme geliefert, die durch Verbrennen irgendeines Brennstoffes mit Luft oder Sauerstoff eine ununterbrochen fließende Quelle solcher Ladungsträger darstellt. Vorzugsweise verwendet man für diese Flammenreaktion einen gas- oder dampfförmigen Brennstoff. Die Verbrennung kann mit gewöhnlicher Luft, mit sauerstoffreicher Luft oder auch mit reinem Sauerstoff unterhalten werden, je nach den speziellen Bedingungen, die bei der durchzuführenden chemischen Umsetzung beachtet werden müssen. Die Auswahl des gasförmigen Brennstoffes richtet sich dabei ebenfalls danach, welche Verbrennungsprodukte entstehen dürfen und welche man tunlichst vermeiden möchte. Will man beispielsweise bei der beabsichtigten chemischen Reaktion einen gegen Wasserdampf empfindlichen Stoff erzeugen, so wird man für die Flammenreaktion ein Gas wählen, das möglichst wenig Wasserstoff enthält, so daß bei der Verbrennung dieses Brennstoffes auch entsprechend wenig Wasserdampf gebildet wird. Man wird ferner den Brennstoff für die Flammenreaktion so auswählen, daß er eine an Ladungsträgern möglichst reiche Flamme liefert. Sollte die in der Flammenreaktion gebildete Ladungsträgermenge für die Aufrechterhaltung der Entladung nicht ausreichen, so ist es zweck- mäßig, dem Brennstoff gewisse Substanzen in feinverteilter Form zuzumischen, die beim Erhitzen in besonders starkem Maße Ionen bilden. Dazu gehören vor allem die Halogenverbindungen 4er Alkali- und ErdalkalimetaIle.
• Die Flammenlänge der Verbrennungsreaktion hängt von dem für die Flammenbildung verwendeten Brennstoff ab, ferner von der Durchsatzmenge des umzusetzenden Ausgangsgutes und schließlich auch von den Abmessungen der Vorrichtungsteile sowie insbesondere auch von der Elektrodenform. Man kann sagen, daß die Länge der Flamme nicht kürzer als etwa 10s/o des Abstandes zwischen den Elektroden sein soll. Es hat sich gezeigt, daß die Verbrennungswärme, die durch diese Flammenreaktion frei wird, genügend Ladungsträger hervorbringt, um die elektrische Entladung vollkommen zu stabilisieren, so daß die in der Entladung umgesetzte elektrische Energie nahezu vollständig für die beabsichtigten chemischen Umsetzungen zur Verfügung steht.
• Wenn der im Bereich der elektrischen Entladung umzusetzende Ausgangsstoff selbst ein brennbares Gas ist, so kann man auf die Zufuhr eines besonderen Brenngases zwecks Erzeugung der Flammenreaktion verzichten und lediglich den für die Ausbildung der Flammenreaktion für einen Teil des brennbaren Ausgangsgases notwendigen Sauerstoff zuführen, d. h. mit sogenannter umgekehrter Flamme arbeiten.
• Schließlich ist es auch möglich, falls der umzusetzende Stoff brennbar ist, einen Teil desselben zusammen mit Sauerstoff oder Luft für die Ausbildung der Flammenreaktion zu verwenden, wobei diese so eingestellt wird, daß eine Dehydrierung des Brennstoffes, falls es sich um Kohlenwasserstoffe handelt, erfolgt. Einer derartigen Dehydrierung wird dann die elektrische Entladung in einstellbarer Stärke überlagert, in der dann außerdem der Rest des Ausgangsgutes umgesetzt wird. Durch diese Maßnahme kann man die Flammentemperatur erhöhen und die Ausbeute an gewiinschten Produkten steigern, insbesondere ein Endprodukt mit einer erhöhtenKonzentration an Dehydrierungsprodukten erhalten.
• Die Ausbildung der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in sehr verschiedener Weise erfolgen. Im folgenden sei eine Vorrichtung beschrieben, die in schematischer Form in der Zeichnung dargestellt ist und an der die Erfindung näher erläutert werden soll. Es zeigt Abb. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung und Abb. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung in der Ebene 11-11 der Abb. 1.
• Der Umsetzungsraum, in dem die elektrische Entladung aufrechterhalten wird und die chemischen Reaktionen durchgeführt werden, besteht aus dem Gehäuse 1, das normalerweise geerdet ist. In dieses Gehäuse münden die Elektroden 2 und 3. Die Elektrode 2 besteht aus einem Isolator 4, an dessen einem Ende sich der metallische Elektrodenkopf 5 befindet.
• Der Isolator 4 hat eine zentrale Bohrung 6, durch die das umzusetzende Ausgangsgut, das durch Leitung 7 zugeführt wird, bis zu dem Kopf 5 gelangt. Dort wird -das Ausgangsgut durch Kanäle 8 seitlich geführt und so umgelenkt, daß es aus dem Elektrodenkopf 5 in annähernd tangentialer Richtung durch Öffnungen 9 austritt. Das Ausgangsgut - ein Gas oder Dampf -folgt dann der allgemeinen Strömung in Richtung auf die (wie das Gehäuse 1 geerdete) Gegenelektrode 3, wobei das Gut eine um die Achse der Entladung umlaufende Schraubenlinienbewegung ausführt.
• Durch die Bohrung 6 in dem Isolator 4 ist zentrisch ein Rohr 10 geführt, das den für die Flammenreaktion benötigten Brennstoff sowie den Sauerstoff zu dem Elektrodenkopf 5 leitet. Es ist vorteilhaft, wenn das Ende des Rohres 10 bzw. die darin befindliche Bohrung 11 unterhalb der vorderen Begrenzungsfläche 12 der Elektrode 5 zu liegen kommt, damit die Flamme 13 bereits in der Ebene 12 einsetzt. Die elektrische Entladung hat etwa den bei 14 angedeuteten Verlauf und endet an der gekühlten Gegenelektrode 3. Diese besteht aus einem mit Wassermantel 15 umgebenen Rohr 16, in das das Reaktionsgemisch gesogen und durch Berührung mit den kalten Wänden schnellstens abgekühlt wird. 17 bedeutet die Spannungsquelle, beispielsweise die Hochspannungsseite eines Transformators.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann für die Erzeugung sehr verschiedenartiger Endprodukte verwendet werden. Man kann beispielsweise das Verfahren benutzen, um aus einem Gemisch von paraffinischen Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf ein stadtgasähnliches Brenngas zu erzeugen. Ferner ist es möglich, das Verfahren in der Weise zu führen, daß aus niedrigmolekularen Kohlenwasserstoffen durch eine dehydrierende Spaltung hauptsächlich Acetylen entsteht.
• Das Verfahren wird bei normalen oder nur unwesentlich von normalem Druck abweichenden Drücken durchgeführt.
• PATENTANSPRtJCHE 1. Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen, wobei das gas- oder dampfförmige Ausgangsgut durch eine elektrische Entladung geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden, zwischen denen die elektrische Entladung erfolgt, in unmittelbarem Bereich einer Ladungsqueile gelegen ist, die durch eine fortdauernde Flammenreaktion gebildet wird, wobei die Flammenreaktion sich über mindestens 10 °/o des Abstandes zwischen den beiden Elektroden in Richtung auf die Gegenelektrode erstreckt.

Claims (1)

1. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenreaktion aus dem Verbrennen eines gas- oder dampfförmigen Brennstoffes mit Luft bzw. Sauerstoff besteht.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brennstoff solche festen, flüssigen oder gas- bzw. dampfförmigen Stoffe beigemischt werden, die beim Erhitzen Ladungsträger in besonders hohem Ausmaß bilden.

   4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeicbnet, daß das umzusetzende Ausgangsgut nahe- der im Bereich der Flammenreaktion liegenden Elektrode in die durch die elektrische Entladung gebildete Reaktionszone eingefiihrt wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangs gut durch in der Elektrode liegende Kanäle in die Reaktionszone eingeführt wird und gegebenenfalls gleichzeitig zur Kiihlung der Elektrode dient.

   6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsgut unter Ausführen einer schraubenlinienförmigen Bewegung um die Achse der elektrischen Entladung in die Reaktionszone eingeleitet wird.

   7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung brennbaren Ausgangsgutes ein Teil desselben zum Aufrechterhalten der Ladungsträger bildenden Flammenreaktion verwendet wird.

   8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennen wenigstens eines Teiles des Ausgangsgutes unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, daß dabei teilweise eine thermische Spaltung und Dehydrierung erfolgt.

   9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus paraffinischien Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf unter Bildung eines stadtgasähnlichen Brenngases der Einwirkung der elektrischen Entladung unterworfen wird.

   10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß niedrigmolekulare Kohlenwasserstoffe einer dehydri erenden Spaltung unter Bildung von vorzugsweise Acety-Jen unterworfen werden.

   11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung bei normalen oder nur unwesentlich von normalem Druck abweichenden Drücken durchgeführt wird.

   12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Entladung mit ein- oder mehrphasiger Wechselspannung betrieben wird.

   13. Vorrichtung zur Durchführung des Verf ahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen massive, spannungsführende Elektrode, die eine zentrale Bohrung für die Zufuhr des die Flammenreaktion bildenden Brennstoff-Sauerstoff- (Luft) Gemisches und ferner Kanäle für die vorzugsweise tangentiale Einführung des umzusetzenden Ausgangsgutes auf weist, und durch eine geerdete, rohrförmige, mit einem Kühlmantel versehene Gegenelektrode.