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Verfahren und Vorrichtung zur Erhitzung gasförmiger oder im Wirbelzustand
befindlicher Feststoffe zur Durchführung chemischer Reaktionen Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Erhitzung gasförmiger
Stoffe oder im Wirbelzustand befindlicher Feststoffe auf Temperaturen oberhalb 1000°
C zur Ausführung von Reaktionen bei hohen Temperaturen.
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Es ist bekannt, daß viele chemische Reaktionen technisch ausgenutzt
werden könnten, wenn genügende Wärmemengen zur Verfügung stünden, um die Verhindungen
durch Erhitzung auf Temperaturen von 1000 bis 4000° C und höher zu aktivieren. Solche
Temperaturen können jedoch nur mit Schwierigkeiten durch die bekannte Ofenheizung
erzielt werden, da nur sehr wenige Stoffe bei Temperaturen oberhalb 2000° C beständig
sind. Eine Methode zur Aufheizung von Gasen auf die-notwendigen hohen Reaktionstemperaturen
besteht in der elektrischen Entladung von Strömen hoher Dichte in dem Gas, wobei
elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Diese Erhitzungsmethode ist sehr
wirksam, da über 90°/o der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt werden können.
Eine solche elektrische Entladung in einem Gas, im allgemeinen als Lichtbogen bezeichnet,
hat jedoch viele Nachteile und wurde aus diesem Grunde in der chemischen Industrie
nur in sehr begrenztem Umfang verwendet. Man schätzt die Temperatur eines durch
einen starken elektrischen Strom erzeugten Lichtbogens im Kern des Bogens auf über
4000° C. aber die Temperatur fällt vom Kern aus nach außen sehr rasch ab. Es ist
deshall) schwierig, ein Gas unter Verwendung eines Lichtbogens gleichmäßig zu erhitzen,
da hierzu im wesentlichen alle Gasmoleküle mit dem schmalen Kern des Bogens in Kontakt
kommen müßten. Es ist möglich, Gase mittels eines Lichtbogens in sehr kleinem Maßstab
auf Temperaturen über 2000° C zu erhitzen ; die Durchführung einer solchen Erhitzung
in einem größeren Maßstab ist jedoch sehr schwierig, da nur ein kleiner Prozentsatz
des Gases mit dem Lichtbogen in Kontakt gebracht werden kann.
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Eine Methode zur Vergrößerung der räumlichen Ausdehnung des Lichtbogenkernes
besteht darin, den Bogen in die Länge zu ziehen. Diese Methode ist für einen stetigen
Betrieb nicht zufriedenstellend, da für einen sehr langen Bogen hohe Spannungen
erforderlich sind, der Bogen schwer zu lenken und unstabil ist. Für bestimmte Verbindungen,
wie Edelgase und Luft, können Lichtbögen großer Länge gebildet und aufrechterhalten
werden, wenn man geniigend Energie zuführt. Bei anderen Verbindungen jedoch, wie
organischen und anorganischen Chloriden und Dampf, lassen sich selbst kurze Bögen
nicht ständig so aufrechterhalten, daß eine wesentliche Erhitzung erzielt wird.
Die Stabilität des Bogens ändert sich auch mit dem Druck, mit dem das gasförmige
Material durch
den Bogen geleitet wird, wobei die Instabilität des Bogens im allgemeinen
mit dem Druck ansteigt. Trotz all dieser Schwierigkeiten stellt der Lichtbogen jedoch
ein höchst erwünschtes Mittel zur Erhitzung von Stoffen auf derart hohe Temperaturen
wie 4000° C dar, da er eine sehr wirtschaftliche Umwandlung von elektrischer Energie
in Wärme und chemische Energie gestattet.
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Gemäß der Erfindung werden die zu erhitzenden gasförmigen oder im
Wirbelzustand befindlichen Feststoffe durch einen symmetrischen ringförmigen Spalt
geleitet, der von einer im wesentlichen zylindrischen Vollelektrode und einer im
wesentlichen zylindrischen Hohlelektrode gebildet wird. Eine zwischen den Elektroden
erfolgende elektrische Entladung wird durch Einwirkung eines magnetischen Feldes
rotiert, dessen Kraftlinien zur Rotationsachse des ringförmigen
Lichtbogenspaltes
im wesentlichen parallel verlaufen.
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Da der Gasstrom dem Bogen im wesentlichen transversal anstatt wie
früher tangential zugeführt wird und der Bogen außerordentlich schnell rotiert,
erhält man eine besonders gleichmäßige Erhitzung des gasförmigen Materials auf Temperaturen
von 4000° C bei sehr kurzen Kontaktzeiten. Es wurde ferner festgestellt, daß ein
rotierender Lichtbogen eine überraschend größere Stabilität als ein linearer Lichtbogen
besitzt, wodurch die Erhitzung von gasförmigen Stoffen möglich wird, bei der ein
linearer Bogen nicht unterhalten werden könnte.
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Die für den magnetisch rotierenden Lichtbogen gemäß der Erfindung
verwendeten Elektroden bestehen vorzugsweise aus einem Material, das elektrisch
leitend ist und sich bei den von dem rotierenden Lichtbogen erzeugten Temperaturen
nicht schnell zersetzt. So verwendet man z. B. zweckmäßig Kohle-oder Graphitelektroden.
Da der Bogen von der Anodentemperatur unabhängig ist, ist es leicht möglich, wassergekühlte
Metallanoden zu verwenden. Die Kathode besteht im allgemeinen aus Kohle oder Graphit,
da kein anderes leitendes Material bei den hohen Temperaturen, die zur Bildung eines
stetigen Lichtbogens an der Kathode erforderlich sind. Iängere Zeit beständig ist.
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Die Elektroden werden vorzugsweise kreisförmig ausgebildet, wobei
die eine Elektrode hohl ist und die andere unter Bildung eines kreisförmigen Spaltes
in die Hohlelektrode paßt. Es ist nicht erforderlich, daß die Elektroden fluchtgerecht
zueinander angeordnet sind ; sie können auch teilweise oder vollständig konzentrisch
zueinander liegen. Der Bogen jedoch wird vorzugsweise an der Spitze der Kathode
gezündet.
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Um eine gleichmäßige Erhitzung zu erreichen, muß das gesamte gasförmige
Material durch den Spalt gepreßt werden, in dem der Bogen rotiert. Dies erfolgt
im allgemeinen, indem man das Gas durch die Hohlelektrode zuführt oder abzieht,
wie in der Zeichnung gezeigt. Die Elektrodengröße kann erheblich erhöht werden,
ohne daß die Wirksamkeit der Erhitzung oder die Stabilität des Bogens beeinfltlßt
wird, und wird lediglich durch die verfiigbare Energie begrenzt.
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Da bei dem Verfahren gemäß der Erfindung an Stelle eines einzelnen
linienförmigen Lichtbogens eine l, ichtbogenfläche erhalten wird, führt eine kleine
Vergrößerung des Elektrodenspaltes zu einer starken Vergrößerung der Erhitzungskapazität,
so daß man zur Erhitzung größerer Materialmengen nicht zu breiten Spalten von z.
B. 0, 6 m und mehr greifen muß, bei denen die Aufrechterhaltung des Lichtbogens
schwieriger ist. Aber selbst wenn breite Spalte notwendig oder erwünscht sind, ist
die Stabilität eines in solchen Spalten rotierenden Bogens größer als die eines
linearen Bogens.
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Man nimmt an, da8 die elektrischen Eigenschaften des rotierenden
Bogens im wesentlichen denjenigen eines linearen Bogens entsprechen. So können die
Betriebsbedingungen des Bogens in einem weiten Bereich von einer Mindestspannung,
die zur Aufrechterhaltung des Bogens erforderlich ist, bis zu sehr hohen Spannungen
verändert werden. Die Mindestspannung hängt von dem lonisierungspotential des Gases
und des Elektrodenmaterials ab. Im allgemeinen wird bei einer gegebenen Stromstärke
die erforderliche Bogenspannung durch den Druck des Gases, die Breite des Spaltes
und die Natur des Gases bestimmt. Die zugeführte Energie muB zur Aufrechterhaltung
eines rotierenden Bogens zumindest groß genug sein, daß die Kathode genügend erhitzt
wird, um einen stabilen
Bogen zu erhalten. Sie hängt aber natiirlich auch von der
Menge des durch den Bogen geführten Gases und der Temperatur ab, auf welche die
Gase aufgeheizt werden sollen. Die dem rotierenden Bogen zugeführte elektrische
Energie soll groß genug sein, um eine solche Wärmeenergie zu gewinnnen. daß die
durch den Bogen geführten gasförmigen Stoffe auf die gewünschte Temperatur erhitzt
werden. Der rotierende Bogen ergibt eine außerordentlich wirksame Umwandlung von
elektrischer Energie in Wärmeenergie, schätzungsweise über 90°/o, da zur Erhitzung
der Kathode nur ein kleiner Teil der Energie notwendig ist und nur ein kleiner Teil
durch Strahlung verlorengeht.
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Der Lichtbogen wird erhalten, indem man an die Elektroden einen genügend
starken Gleichstrom anlegt. Im allgemeinen ist Gleichstrom erforderlich, da die
Erzielung eines stabilen Bogens mit Gleichstrom technisch einfacher als mit Wechselstrom
ist. Die Rotation des linearen Bogens erfolgt durch Einwirkung eines magnetischen
Feldes, dessen Kraftlinien unter einem rechten Winkel zur Drehungsehene des Bogens
verlaufen. Bekanntlich erzeugt ein solches Magnetfeld eine Kraft, die den Bogen
quer zur Feldrichtung zu bewegen versucht. Hierdurch wird die Rotation des Bogens
bewirkt. Es wurde gefunden, daß der Bogen langsam zu rotieren beginnt, ähnlich wie
die Speichen eines sich bewegenden Rades bei beginnender Beschleunigung. Nach wenigen
Sekunden rotiert der Bogen so schnell, daß er dem Auge als leuchtender Ring von
der Breite des Spaltes erscheint.
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Es ist nicht bekannt, ob der Bogen im Gleichgewichtszustand noch rotiert
oder ob der Bogenkern zu einer leuchtenden Scheibe auseinandergezogen wird. Man
schätzt, daß die Rotation des Bogens im Gleichgewichtszustand mit einer Geschwindigkeit
von 1000 bis 10 000 U/sec erfolgt. Hierdurch ist-angesichts dieser hohen Geschwindigkeiten-die
Länge des kreisförmigen Weges des Bogens hinsichtlich der gleichförmigen Erhitzung
des Gases von untergeordneter Bedeutung. Die Mindeststärke des magnetischen Feldes,
die zur Rotation des Bogens erforderlich ist, ist noch umstritten. Wahrscheinlich
muß man die Feldstärke erhöhen, wenn der Spalt vergröBert wird. Es wurde gefunden,
daß Feldstärken von 100 Gauß im allgemeinen ausreichen, um einen Lichtbogen in einem
Spalt von Vg cm Breite zu rotieren.
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Das magnetische Feld wird vorzugsweise mittels einer Drahtspule aufgebaut,
die koaxial zu den Elektroden die Lichtkammer umgibt und mit Gleichstrom gespeist
wird. An Stelle der Spule kann auch ein Dauermagnet verwendet werden.
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Die Temperaturen, auf welche Gase durch den rotierenden Bogen erhitzt
werden können, sind außerordentlich hoch. So war es möglich, in einem durch den
rotierenden Bogen geleiteten Stickstoffstrom einen Wolframdraht von einem Schmelzpunkt
von 3382° C zu schmelzen. Die Temperatur des Lichtbogens wird auf über 4000° C geschätzt.
Die Temperatur, auf welche das Gas erhitzt wird, kann in einem gewissen Umfang durch
die Menge des in der Zeiteinheit zugeführten Gases und durch die dem Bogen zugeführte
Energie gelenkt werden. So erhält man bei höheren Drücken und größeren Durchsätzen
eine geringere Gastemperatur, und auch bei verringerter Energiezufuhr sinkt die
Temperatur des Gases. Durch Veränderung dieser Variablen können geeignete Reaktionsbedingungen
erzielt werden. Der rotierende Bogen kann in einem breiten Druckbereich betrieben
werden. Bestimmte Reaktionen ergeben jedoch bessere
Ergebnisse bei
niederen Driicken, während andere bei hohen Drücken höhere Umwandlungsgrade ergeben.
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Der Bogen selbst ist jedoch nicht auf bestimmte Drücke beschränkt.
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Das Verfahren der Erfindung eignet sich zur Ausführung vieler Reaktionen,
insbesondere solcher, bei denen eine Dissoziation der Ausgangsstoffe erfolgt, z.
B. für die Pyrolyse anorganischer oder organischer Fluorverbindungen zwecks Erzeugung
von Fluorkohlenstoffverbindungen. Bei dieser Reaktion dissoziieren die Fluoride
oder Fluorverbindungen in Fluor und in einigen Fällen in Fluorkohlenstoffradikale,
die mit Kohlenstoff unter Bildung der erwünschten Fluorkohlenstoffverbindungen und
insbesondere des Tetrafluoräthylens reagieren. Eines der besonderen Merkmale des
rotierenden Lichtbogens besteht darin, daß die Gase trotz Aufheizung auf außerordentlich
hohe Temperaturen nach Passieren des Bogens rasch auf sehr viel tiefere Temperaturen
abgeschreckt werden können. Auf Grund der geringen Wärmeleitfähigkeit des rotierenden
Bogens selbst ist es möglich, die Temperatur der Gase auf verschiedenste Weise rasch
zu senken, z. B. durch Verdünnung mit einem kalten inerten Gas, das die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases in Richtung von der heißen Zone weg vergrößert und einen rascheren Kontakt
mit kalten Oberflächen ermöglicht, oder den Kontakt von kalten, im Wirbelzustand
befindlichen Teilchen mit dem heißen Gasstrom. Es ist auf diese Weise auch möglich,
in der Abkühlungsstufe Reaktionen durchzuführen, indem man in den Gasstrom nach
Passieren des Lichtbogens die entsprechenden Reaktionsteilnehmer einspritzt.
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Auf diese Weise kann man Reaktionen im Bogen durch verschiedene Abkühlung
so lenken, daß völlig unterschiedliche Produkte erhalten werden. Ein Beispiel hierfür
ist die Synthese von Tetrafluorathylen unter Verwendung des rotierenden Lichtbogens
und eines anorganischen Fluorides. Wenn die Reaktionsgase langsam abgekühlt werden,
erhält man bei der Umsetzung des anorganischen Fluorides mit Kohlenstoff in der
heißen Zone als Reaktionsprodukt in der Hauptsache Kohlenstofftetrafluorid. Wenn
man jedoch rasch abschreckt, wird die Menge an Tetrafluoräthylen vergrößert, und
wenn man das heiße Reaktionsgas mit im Wirbelzustand befindlichem Kohlenstoff in
Kontakt bringt, erhält man eine sehr hohe Umwandlung des aus dem anorganischen Fluorid
freigesetzten Fluors in Tetrafluoräthylen.
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Ein Beispiel für die verbesserte Stabilität des rotierenden Lichtbogens
ist die Erhitzung von Dampf oder Tetrachlorkohlenstoff. Wenn einer dieser beiden
Stoffe in einen linearen Bogen eingeleitet wird, kann der Bogen nicht stetig aufrechterhalten
werden und wird selbst bei kleinen Spalten ausgelöscht, so daß eine gleichmäßige
Erhitzung nicht möglich ist. Mit einem rotierenden Lichtbogen jedoch kann man diese
Stoffe auf derart hohe Temperaturen erhitzen, daß ein in das abströhmende Gas eingebrachter
Wolframdraht schmilzt.
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Die Zeichnung zeigt im Querschnitt eine beispielsweise Ausführungsform
einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung,
mit welcher das gasförmige Behandlungsgut rasch und gleichmäßig im Lichtbogen erhitzt
und zwecks Verbesserung der Ausbeute rasch abgeschreckt oder umgesetzt werden kann.
An den Rotationslichtbogenofen ist hierzu ein Reaktionsgefäß für Reaktionen in fester
Phase angeschlossen.
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Der Lichtbogenofen ist mit zwei Elektroden ausgerüstet, nämlich einer
kreisrunden vollen Graphit-
kathode 1 und einer kreisrunden hohlen Graphitanode 2,
die in der von einem bei 3 wassergekühlten Kupfermantel 4 umgebenen Lichtbogenkammer
5 angeordnet sind. Die Elektroden sind konzentrisch so zueinander angeordnet, daß
zwischen ihnen ein kreisförmiger Spalt 6 gebildet wird. Die Elektroden werden mit
Gleichstrom gespeist. Konzentrisch zu den Elektroden ist eine gleichstrombetriebene
Spule 7 angeordnet, die das die Rotation des Lichtbogens bewirkende Magnetfeld erzeugt.
Für Spalte 6 von einer Breite von nicht mehr als etwa 11/4 cl und einem Innendurchmesser
von etwa 2Vs bis 7Vs cm reichen Magnetfelder von 100 Gauß Stärke aus. Für größere
Spaltbreiten und-durchmesser kann eine leichte Erhöhung der Feldstärke notwendig
sein.
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Mit dem Lichtbogenofen ist ein Reaktions-und Abschreckrohr 8 aus
Stahl mit einem es umgebenden Vorratsbehälter verbunden, in welchem die von dem
rotierenden Lichtbogen abströmenden heißen Gase rasch abgeschreckt und/oder mit
im Wirbelzustand befindlichen Feststorfen umgesetzt werden.
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Das zu erhitzende gasförmige Behandlungsgut wird bei 9 in die Lichtbogenkammer
5 eingeleitet und durch den Spalt 6 gepreßt, in welchem der Bogen rotiert.
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Die Gase treten aus dem Bogen mit hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit
in die Hohlelektrode 2 aus und strömen in das Reaktions-und Abschreckrobr 8.
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Auf Grund der hohen Strömungsgeschwindigkeit reißen sie durch Öffnungen
im Rohr aus dem Vorratsbehälter große Mengen des feinzerteilten Feststoffes 10 mit.
Die vom Gasstrom mitgenommene Feststoffmenge kann durch die Größe der Offnungen
und der Feststoffteilchen geregelt werden. Der Feststoff kann dann mit dem Gas reagieren
bzw. das Gas rasch abschrecken, was von Art und Menge des Gases und des Feststoffes
abhängt.
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Beispiel 1 Die Umwandlung von Kohlenstofftetrafluorid in Tetrafluoräthylen
erfolgt, wenn in einer Vorrichtung, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, Kohlenstofftetrafluorid
auf eine Temperatur über 1700° C erhitzt und danach rasch auf eine Temperatur unterhalb
500° C abgeschreckt wird. Es wird dabei eine Graphithohlelektrode von einem Innendurchmesser
von 23, 88 mm und eine Graphitvollelektrode von 17, 53 mm Durchmesser verwendet.
Das gesamte aus dem rotierenden Lichtbogen erhaltene Produkt wird mit im Wirbelzustand
befindlichen Kohlenstoffteilchen von einer Teilchengröße von 0, 147 mm abgeschreckt
und umgesetzt. Das Kohlenstofftetrafluorid wird dem rotierenden Lichtbogenofen mit
der in der Tabelle angegebenen Geschwindigkeit zugefiihrt. Die Rotation des Lichtbogens
wird durch ein Magnetfeld von 200 Gauß bewirkt. Die an die Elektrode angelegte Spannung
ist gleichfalls in der Tabelle angegeben.
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Die Reaktionsgase werden mit dem feinzerteilten Kohlenstoff, der auf
einer Temperatur unterhalb 500° C gehalten wird, in einem Gewichtsverhältnis von
l Teil zu 30 Teilen Kohlenstoff in Kontakt gebracht. Die Gase werden vom Kohlenstoff
abgetrennt, in mit flüssiger Luft gekühlten Vorlagen isoliert und massenspektroskopisch
untersucht. Der Druck im Inneren der Anlage wird auf 75 mm Hg abs. gehalten.
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Zum Vergleich wird unter identischen Bedingungen mit einem linearen
Bogen gearbeitet. Der lineare Bogen wurde unter identischen Bedingungen erhalten,
indem man die das Magnetfeld erzeugende Spule abschaltete.
| Linearer Bogen Rotierender Bogen |
| Strömungs- |
| geschwindig- |
| geschwindig- |
| keit, cm3/min 500 5000 500 5000 |
| Druck, mm .... 75 75 75 75 |
| Bogenstrom- |
| stärke. A...... 200 500 200 500 |
| Bogenspannung, |
| V............ 26,1 38,3 34,2 57 |
| Zusammen- |
| setzung des Pro- |
| duktes in Mol- |
| prozent |
| Tetrafluor- |
| äthylen .... 5,8 2,2 51,1 74,6 |
| Kohlenstoff- |
| tetrafluorid 92,5 97 34,2 16,7 |
| Hexafluro- |
| äthan ..... 1,1 0,5 10,1 4,5 |
| Siliciumtetra- |
| fluorid *).. 0, 5 0, 2 0, 4 1, 3 |
| Hexafluor- |
| propylen .. 0,2 0,1 4,2 2,9 |
*) Die Bildung von Siliciumtetrafluorid beruht auf Si 02-Verunreinigungen.
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Nicht nur die Erhitzung erfolgt in rotierenden Lichtbogen in viel
wirksamerer Weise, sondern man erhält auch hohe Umwandlungen in Tetrafluorathylen
bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Der lineare Bogen erzeugt nicht genügend
Wärme, um das Kohlenstofftetrafluorid gleichmäßig auf Temperaturen oberhalb 1700°
C zu erhitzen.
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Beispiel 2 Wenn die Synthese von Tetrafluoräthylen aus Phosphorpentafluorid
bei Temperaturen oberhalb 1000° C durchgeführt wird, wird Phosphorpentafluorid in
Gegenwart von Kohlenstoff vollständig zu Phosphortrifluorid und Fluorkohlenstoffverbindungen
pyrolysiert. Zur Erzielung einer hohen Umwandlung in Tetranuoräthylen ist es notwendig,
das Phosphorpentafluorid auf Temperaturen oberhalb 1700° C zu erhitzen, anschließend
rasch abzuschrecken und die aus der heißen Zone abströmenden Reaktionsgase mit im
Wirbelzustand befindlichem Kohlenstoff umzusetzen. Der rotierende Lichtbogen und
die Abschreckzone werden bei dieser Reaktion in der gleichen Weise wie im Beispiel
1 benutzt. Phosphorpentafluorid urde dem rotierenden Lichtbogen mit der in der nachstehenden
Tabelle angegebenen Geschwindigkeit zugeführt. Die Rotation des Bogens erfolgt durch
ein vlagnetfeld von 200 Gauß. Die an die Elektroden angelegte Gleichspannung ist
gleichfalls in der Tabelle angegeben. Die aus der Hohlanode abströmenden Reaktionsgase
werden mit feinzerteiltem Kohlenstoff von einer Teilchengröße von 0, 147 mm in Kontakt
gebracht. Der mit dem Reaktionsgas in Kontakt kommende Kohlmstoff hat eine Temperatur
unterhalb 500° C und wird vom Reaktionsgasstrom in einem Gewichtsverhältnis von
I Teil Gas zu 30 Teilen Rohlenstoff mitgenommen. Die umgesetzten und abgekühlten
Gase werden vom Kohlenstoff abgetrennt, in flüssiger Luft isoliert und massenspektroskopisch
untersucht. Der Druck im Inneren der Anlage wird auf 75 mm Hg abs. gehalten.
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Zum Vergleich mit dem rotierenden Bogen wurde der Versuch bei sonst
identischen Bedingungen unter Verwendung eines linearen Bogens wiederholt.
| Linearer Rotierender |
| Bogen Bogen |
| Strömungsgeschwindigkeit. |
| cm3/min................ 500 |
| Bogenspannung, V........ 28 35. 5 |
| Bogenstromstärke, A...... 100 100 |
| Druck, mm 60 60 |
| Zusammensetzung der erhal- |
| tenen Fluorkohlenstoff- |
| verbindungen |
| Tetrafluoräthylen 6, 3 81, 0 |
| Kohlenstofftetrafluorid 89, 6 8, 3 |
| Hexafluoräthan 1, 1 3, 8 |
| Siliciumtetrafluorid... 2, 7 4, 5 |
| Hexafluorpropylen 0, 3 2, 4 |
| Umwandlung von PF5 |
| in Fluorkohlenstoff- |
| verbindungen und |
| P F3, 14, 2 100 |
Beispiel 3 Man erhitzt Tetrachlorkohlenstoff im rotierenden Lichtbogen. Bei diesem
Versuch wurde keine Abschreckzone verwendet. Durch den rotierenden I, ichtbogen
leitet man mit einer Geschwindigkeit von 5 g/min Tetrachlorkohlenstoff in Dampfform.
Der rotierende Lichtbogen wird in einem symmetrischen ringförmigen Spalt unterhalten,
der zwischen einer vollen Innenelektrode (Kathode) von 38, 1 mm Durchmesser und
einer hohlen Außenelektrode von 50, 8 mm Innendurchmesser in der I. ichtbogenkammer
gebildet wird. Der 12, 7 mm lange Bogen wird durch ein Magnetfeld von 500 Gauß in
Rotation versetzt, das von der Spule an der Außenseite der Lichtbogenkammer erzeugt
wird. Man arbeitet mit einer Stromstärke von 200 A. Die zur Aufrechterhaltung des
Bogens notwendige Spannung erhöht sich von 54 auf 70 V, wenn der Druck des Beschickungsgases
von 180 mm Hg abs. auf Atmosphärendruck erhöht wird.
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Der Tetrachlorkohlenstoff wird bei allen Drücken auf Temperaturen
oberhalb 1800° C erhitzt, wie das Schmelzen eines Platindrahtes anzeigt, der in
das abströmende Gas in der Hohlelektrode gehalten wird.
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Der rotierende Bogen kann bei allen Drücken ständig aufrechterhalten
werden. Der ohne das magnetische Feld erhaltene lineare Bogen kann nicht ständig
aufrechterhalten werden, sondern wird nach 2 bis 5 Sekunden ausgelöscht. Bei Verwendung
des linearen Bogens kann der Tetrachlorkohlenstoff unter identischen Bedingungen
nicht auf Temperaturen über 800° C erhitzt werden.
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Die Anwendung des rotierenden Lichtbogens kann vorteilhaft bei allen
chemischen Reaktionen erfolgen, die in Gasphase durchgefiihrt werden können und
hohe Temperaturen erfordern, wie z. B. die Bildung von Cyanwasserstoff aus Methan
und Stickstoff.
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Der Hauptvorteil des rotierenden Lichtbogenofens liegt in der hohen
Temperatur, auf welche gasförmige Verbindungen aufgeheizt werden können. Andere
Vorteile sind die Stabilität des rotierenden Lichtbogens und sein Vermögen, Gase
gleichmäßig auf
hohe Temperatur zu erhitzen. Weitere Vorteile liegen
in dem hohen Umwandlungsgrad elektrischer Energie in Wärme und der Möglichkeit,
die Reaktionsprodukte nach Erhitzung der Ausgangsstoffe im rotierenden Lichtbogen
rasch abzukühlen und auf diese Weise zu modifizieren.
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PATENTANSPROCHE : 1. Verfahren zur Erhitzung gasförmiger oder im
Wirbelzustand befindlicher Feststoffe zur Durchführung chemischer Reaktionen in
einem der Einwirkung eines Magnetfeldes unterliegenden elektrischen Lichtbogen auf
Temperaturen oberhalb 1000° C, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stoffe durch
einen stetig rotierenden Lichtbogen leitet, der durch stetige Entladung elektrischen
Gleichstromes zwischen zwei kreisrunden oder zylindrischen Elektroden, z. B. aus
Kohle, erzeugt wird, die so zueinander angeordnet sind, daß sie einen symmetrischen
Ringspalt bilden, wobei die innenliegende Elektrode die Kathode und die außenliegende
Elektrode die Anode bildet und die Rotation durch ein magnetisches Feld bewirkt
wird, dessen Kraftlinien zur Drehachse des Lichtbogens im wesentlichen parallel
verlaufen.