DE2512719A1

DE2512719A1 - Verfahren zur gaserwaermung und plasmachemischer lichtbogen-reaktor zu dessen durchfuehrung

Info

Publication number: DE2512719A1
Application number: DE19752512719
Authority: DE
Inventors: Walentin Wasiliewits Dementiew; Genrich Wladimirowitsc Gulyaew; Alexandr Nikolaewi Laktjuschin; Rafail Israilewitsch Lewenson; Alfred Lwowitsch Mosse; Lew Solomonowitsch Polak; Anatoly Iosifowit Schidowitsch; Nikolai Lwowitsch Wolodin; Filipp Borisowitsch Wurzel; Oleg Iosifowitsch Yasko
Original assignee: Institut Neftekhimicheskogo Sinteza Imeni A V Topchieva; INST TEPLO I MASSOOBMENA AKADE; SEWERODONEZKY GI ASOTNOI PROMY
Current assignee: Institut Neftekhimicheskogo Sinteza Imeni A V Topchieva; INST TEPLO I MASSOOBMENA AKADE; SEWERODONEZKY GI ASOTNOI PROMY
Priority date: 1975-03-14
Filing date: 1975-03-22
Publication date: 1976-10-07
Also published as: JPS51117977A; FR2304243B1; FR2304243A1

Description

Dipl.-Ing. Dr. Jur.

Frank Arnold Nix ^.

Patente Λ 2 5 I

6 Frankfurt am Miin 70

alv- Π3

YEKi¹AHEaN ZUH GASEEWÄIffllUHG UND PLASMACHEMISCHER LICHIBOGEN-REAKTOE ZU DESSEN DURCHFÜHRUNG

Die Erfindung; bezieht sich auf das Gebiet der Erwärmung von Gasen mittels elektrischer Entladung auf den Ionisierungszustand, insbesondere von chemisch reagierenden ionisierten Gasen, und betrifft im besonderen Verfahren zur Gaserwärmung. Sie kann zur Gewinnung von niederen Olefinen und technischem Wasserstoff aus Kohlenwasserstoff-Rohmaterial angewendet werden.

Bekannt sind verschiedene Verfahren zur Lichtbogenerhitzung von chemisch reagierenden Gasen zwecks Gewinnung von Produkten, die sich bei hohen Temperaturen bilden. Am meisten verbreitet ist die Erwärmung des Gases mittels eines Hochspannungsbogens, der in einem längsverwirbelten Strom des zu erwärmenden Gases brennt. Als Beispiel kann man den Prozeß der Pyrolyse von Erdgas in einem Lichtbogen zum Zwecke der Azetylengewinnung an-

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führen. Der Vorzug des mit dem längsverwirbelten Gasstrom angeblasenen Lichtbogens ist dessen hohe Spannung (einige tausend Volt), wodurch leistungsstarke Anlagen bei ausreichend geringen Strömen (Hunderte von Amperen) geschaffen werden können. Solche Anlagen sind hinreichend einfach aufgebaut und besitzen eine große Betriebsdauer (Hunderte von Stunden) der Elektroden. Deshalb sind sie betriebssicher und bequem zur industriellen Anwendung.

Jedoch ist bei dem längsverwirbelten Anblasen des Bogens ein großer Temperaturgradient über den Querschnitt des Kanals vorhanden, durch welchen das zu erwärmende Gas durchgeblasen wird, wobei infolgedessen die chemischen Reaktionen im Gasstrom, welcher die Lichtbogensäule passiert, bedeutend schneller verlaufen als an den Wänden des Kanals. Die Vermischung dieser Ströme findet schwach atatt, weshalb die Reaktionen in verschiedenen Zonen des Stroms ungleichmäßig ablaufen, was die Effektivität der Gaserwärmung in dem Falle stark herabmindert, wenn die Erwärmung von einer chemischen Reaktion begleitet wird.

Beispielsweise bleibt bei der Pyrolyse von Erdgas in den äußeren Zonen viel nicht in Reaktion getretenes Methan übrig, während sich inzwischen in den inneren Zonen Azetylen unter Rußbildung zersetzt hat. Außerdem bilden sich Homologe von Azety· len. Dies führt zu einer schlechten Ausnutzung des Rohmaterials und zur Verteuerung des Zielproduktes.

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Bekannt sind auch Verfahren, "bei denen eine gleichmäßigere Erwärmung des Gases in Anlagen mit rotierendem Lichtbogen erfolgt. Der Lichtbogen brennt zwischen einer zentralen Bolzenkathode und einer äußeren gekühlten zylindrischen Metall-Hohlanode· Die Rotation des Lichtbogens (einige tausend Umdrehungen in der Sekunde) wird mittels eines Magnetfeldes zustandegebrachtf. das von einem Solenoid erzeugt wird, welches sich in der zylindrischen Hohlanode befindet. Das zu erwärmende Erdgas wird längs der Achse der Elektroden durchgeblasen, erwärmt und mittels des rotierenden Lichtbogens vermischt. Die chemischen Reaktionen gehen im ganzen Gasvolumen gleichmäßiger als bei der Verwendung des in Längsrichtung angeblasenen Lichtbogens vonstatten; die Konvertierung von Methan in Azetylen ist höher und das Zielprodukt billiger. Jedoch liegt die Lichbogenspannung in diesem Falle um eine Größenordnung niedriger und die Leistungssteigerung der Anlage wird durch einen Stromanstieg erreicht. Dementsprechend wird das Problem der Erzielung einer hohen Betriebszeit der EIek· troden komplizierter.

Es sind Verfahren zur Gaserwärmung bekannt, bei denen eine ausreichend gleichmäßige Durchwärmung des Rohmaterials bei hoher Spannung am Lichtbogen bei der Benutzung eines Zwischengas- -Wärmeträgers erzielt wird. Der Zwischengas-Wärmetrager (im Falle der Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen ist das z.B Wasserstoff oder inertes Gas) wird mittels eines in Längsrichtung angeblasenen Hochspannungsbogens erwärmt, wobei das zu erwärmende Gas

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(Rohmaterial) dem Plasmastrahl am Ausgang aus dem plasmachemischen Lichtbogen-Reaktor (des Plasmatrons) zugeführt wird. Der Pyrolyseprozeß von Kohlenwasserstoffen nach diesem Verfahren ist in den USA patentiert (siehe z.B. das USA-Patent Nr. 3051639 vom 28.08.1962).

Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß der Zwischengas- -Wärmeträger dem zu erhitzenden Gas (dem Rohmaterial) nicht die ganze Energie abgibt, wobei ein beträchtlicher Anteil derselben vom Wärmeträger fortgetragen und zum Teil bei der Wärmeverwertung nutzlos verlorengeht. Der Zwischengas-Wärmeträger soll auf höhere Temperaturen erwärmt werden, als dies zur Durchführung der Reaktion notwendig ist, was den Wirkungsgrad der Anlage herabsetzt. Die erforderliche Überhitzung ist umso höher, je weniger Wärmeträger zwecks Beseitigung der unerwünschten Verdünnung der Reaktionsprodukte ausgenutzt wird.

Es sind verschiedene Modifikationen der behandelten Verfahren vorhanden, welche den Aufbau des plasmachemischen Lichtbogen-Reaktors - des Plasmatrons- und der Reaktions Abschreck-Kammern betreffen. Insbesondere wurde in den USA eine Reihe von Piasmatronen mit zwischen ringförmigen Elektroden rotierendem Lichtbogen entwickelt. Zum Unterschied von den Piasmatronen mit konzentrischen Elektroden ist die von den Lichbogenflecken abgetastete Oberfläche der beiden Elektroden gleich. Im Plasmatron ist eine Reihe von Stellen für die Zuführung von Rohmaterial und Abschreckgasen (Abschreckflüssig-

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keiten) zwecks Optimierung des chemischen Prozesses vorgesehen .

In modernisierten Anlagen ist ebenfalls eine Reihe von Stellen für die Einführung von Gasen und Flüssigkeiten zur Anwendung der "Vorabschreckling¹¹ mittels im Vergleich zum Hauptrohmaterial schwereren Kohlenwasserstoffen vorgesehen· Dies erhöht die Wirksamkeit des Prozesses·

Bekannt ist die Varknte eines Starkstrom-Plasmatrons zur Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen im Plasmastrahl von Wasserstoff.

Bei dieser Variante wird Wasserstoff im dreiphasigen Lichtbogen-Plasmatron mit Graphitelektroden erwärmt. Die Einrichtung besitzt ebenfalls eine Reihe von Einführungsstellen für den Zwischengas-Wärmeträger, für das zu erwärmende Gas (Rohmaterial) und für das Abschreckmittel.

Bekannt sind ferner plasmachemische Lichtbogen-Reaktoren, die zwei an eine Stromquelle angeschlossene Elektroden, von denen mindestens eine eine zylindrische Hohlelektrode ist, zumindest eine hohle zylindrische Blende, die einen gegenüber dem Durchmesser der zylindrischen Hohlelektrode kleineren Durchmesser hat und mit einer Stirnseite an die 2ylindrische Hohlelektrode anschließt, eine Einführungsstelle für den Zwischengas-Wärmeträger, die sich an der anderen Stirnseite der genannten Blende befindet, sowie mindestens eine Einführungsstelle für das zu erwärmende Gas enthalten·

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Verschiedene Vervollkommnungen, obschon sie die Effektivität der Einrichtungen zur Durchführung der Verfahren erhöhen, beseitigen jedoch die vorstehend angegebenen wesentlichen Nachteile der betrachteten Methoden und Konstruktionen nicht_o

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gaserhitzung und einen plasmachemischen Lichtbogen-Reaktor zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln, welche die Erwärmung des Gases mittels eines Hochspannungsbogens unter ausreichend gleichmäßiger Durchwärmung des zu erwärmenden Gases (des Rohmaterials) über den Querschnitt des Kanals der Reaktions· kammer ohne beträchtliche Überhitzung des Zwischengas- -Wärmeträgers gewährleisten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Verfahren zur Gaserwärmung durch Vermischen eines zu erwärmenden Gases mit dem Plasmastrahl eines Zwischengas-Wärmeträgers erfindungsgemäß die Vermischung des zu erwärmenden Gases mit dem Zwischengas-Wärmeträger und deren Zasatzerwärmung mit Hilfe eines rotierenden Lichtbogens &κstandegebracht werden.

Zweckmäßigerweise wird der Plasmastrahl durch Erwärmung des Zwischengas-Wärmeträgers mittels eines Lichtbogens erzeugt, der mit einem rotierenden Lichtbogen in Reihe geschaltet ist.

Es ist auch zweckmäßig, den rotierenden Lichtbogen und den Lichtbogen zur Erwärmung des Zwischengas-Wäxmeträgers in Form eines Lichtbogen auszubilden.

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Es ist zweckmäßig, die Rotation des Lichtbogens durch

drallLehafteten Anblasen des Lichtbogens mittels eines y Stroms des

Zwischengas-Wärmeträgers zustandezubringen.

Nicht weniger zweckmäßig wird die Rotation des Lichtbogen-

. drallbehafteten

-Ehdabschnitts mittels eines ϋ . Stroms des zu erwärmenden Gases zustandegebracht.

Ebenfalls zweckmäßig wird die Rotation des Lichtbogen- -Endabschnits mittels eines magnetischen Feldes zustandegebracht .

Zweckmäßigerweise wird die Rotation des lichtbogen- -Endabschnitts zusätzlich mittels magnetischen Feldes zusammen mit dem Anblasen des Lichtbogens mit dem verdrehten

des
Strom Zwischengas-Wärmeträgers oder zusammen mit dem verdrenten

Strom des zu erwärmenden Gases zustandegebracht.

Zweckmäßigerweise wird als Zwischengas-Wärmetrager Wasserstoff, Chlorwasserstoff, Kohlenwasserstoff, deren Gemisch, inerte Gase, Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserdampf verwendet.

Es ist ebenfalls zweckmäßig, als zu erwärmendes Gas gas- und/oder dampfförmige Kohlenwasserstoffe zu verwenden.

In dem plasmachemischen Lichtbogen-Reaktor zur Durchführung des Verfahrens zur Gaserwärmung, der zwei an eine Stromversorgungsquelle angeschlossene Elektroden, von denen mindestens eine eine zylindrische Hohlelektrode ist, zumindest eine hohle zylindrische Blende, die einen gegenüber dem Durchmesser der zylindrischen Hohlelektrode kleineren Durchmesser hat und

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mit einer Stirnseite an die zylindrische Hohlelektrode anschließt, eine Einführun^sstelle für den Zwischengas-Wärmeträger, die sich an der anderen Stirnseite der genannten Blende befindet, sowie mindestens eine Einführungsstelle für das zu erwärmende Gas enthält, erfindungsgemäß die Einführungsstelle für das zu erwärmende Gas zwischen den Stirnflächen der angegebenen Blende und der von der Blende isolierten zylindrischen Hohlelektrode angeordnet wird.

Das vorgeschlagene Verfahren zur Gaserwärmung ermöglicht eine unabhängige Regelung der Temperatur des Zwischengas-Wärmeträgers und der Zeit seines Kontaktes mit dem Lichtbogen durch getrennte Steuerung des Lichtbogenstroms, des Durchsatzes des Zwischengas-Wärmeträgers und des zu erwärmenden Gases sowie auch durch Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit des Lichtbogens und der konstruktiven Gestaltung des plasmachemischen Lichtbogen- -Reaktors. Dadurch wird der Prozeß der Gaserwärmung optimiert, Nebenreaktionen beseitigt und die Reinheit der Zielprodukte erhöht.

Dank einer guten Vermischung des Zwischengas-Wärmeträgers und des zu erwärmenden Gases mittels des rotierenden Lichtbogens beginnen und verlaufen die chemischen Reaktionen in verschiedenen Kanalquerschnitten des Lichtbogenreaktors gleichmäßiger gegenüber den bekannten Verfahren wodurch der Grad der Umwandlung des zu erwärmenden Gases (des Rohmaterials) in das Zielprodukt erhöht sowie der Preis des letzteren herabgesetzt wird.

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Im weiteren wird die Erfindung durch die Beschreibung ihrer Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die "beigefügten Zeichnungen erläutert- Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Einrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der zweiten Variante der Einrichtung mit elektromagnetischer Rotation des Endabschnitts des Licht bogensγ

Fig. 3 eine schematische Darstellung der dritten Variante der Einrichtung;

Fig. 4 das Blockschema der ganzen Anlage zur Gaserwärmung mittels Lichtbogens;

Fig. 5 den Längsschnitt durch einen plasmachemischen Lichtbogen-Reaktor mit einseitiger Ausströmung;

Fig. 6 dasselbe wie in Fig. 4 (Schnitt nach Linie VI-VI)f Fig. 7 dasselbe (Schnitt nach Linie VII-VII)j Fig. 8 dasselbe (Schnitt nach Linie VIII-VIII)| Fig. 9 cLen Längschnitt durch eine andere Variante des plasmachemischen Lichtbogen-Reaktors, bei dem die Ausströmung des erwärmten Gases nach zwei entgegengesetzten Seiten erfolgt j Fig. 10 dasselbe wie in Fig· 8 (Schnitt nach Linie X-X) Fig. 11 dasselbe (Schnitt nach Linie XI-XI) j Fig. 12 dasselbe (Schnitt nach Linie XII-XII). Das vorgeschlagene Verfahren zur Gaserwärmung wird durch Zuführung der Energie an das zu erwärmende Gas (Rohmaterial) von zwei Quellen realisiert:

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*" 1 \J ^mm

1. von dem Plasmastrahl eines Zwischengas-Wärmeträger^ der z.B. mittels eines in Längsrichtung angeblasenen Hochspannungsbogens erwärmt wird;

2. von einem rotierenden, in Querrichtung angeblasenen Lichtbogen. Zur Verringerung der Außenabmessungen und Senkung der Verluste wird der Prozeß in nur einem Reaktor durchgeführt. Der in Längsrichtung angeblasene Lichtbogen und der in Querrichtung angeblasene Lichtbogen werden hintereinander zu einem gemeinsamen Bogen verbunden, der eine ausreichend lange Bogensäule, die sich längs der Achse des zylindrischen Kanals kleinen Durchmessers befindet, und einen Endabschnitt besitzt, der im Kanal größeren Durchmessers rotiert. Der Zwischengas- -Wärmeträger wird zum langsverwirbelten Anblasen des im engen Kanal befindlichen Abschnitts der Bogensäule benutzt. Das Rohmaterial - das zu erwärmende Gas - wird an der Stoßstelle der Kanäle zugeführt. Das Rohmaterial wird mit dem Gaswärmeträger mittels des rotierenden Abschnitts der Bogensäule vermischt und erhält von diesem eine zusätzliche Energie.

Die zusätzliche Energiezufuhr vom rotierenden Abschnitt des Bogens bietet die Möglichkeit, die Temperatur des Zwischengas- -Wärmeträgers gegenüber dem Verfahren der Pyrolyse des Rohmaterials im Plasmastrahl zu senken. Hierdurch steigt der Wirkungsgrad der Anlage. Außerdem verhindert die niedrigere Anfangstemperatur des Plasmastrahls die fokale Überhitzung des Rohmaterial! im Anfangsabschnitt des* Vermischung_? wodurch sich die Reaktions-

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zeit verlängern läßt. Dies ist ein wesentlicher Vorteil, weil die Zeiten der Vermischung und der Reaktion in Plasmaeinrichtungen vergleichbar sind und eine Verlängerung der Reaktionszeit es ermöglicht, den Abschnitt der Vermischung ohne Schaden für den Prozeß zu verlängern. Dementsprechend kann man die Vermischung des Gaswärmeträgers mit dem zu erwärmenden Gas (Rohmaterial) verbessern und eine bessere Ausnutzung des letzteren erzielen. Zur Verbesserung des Vermischens trägt auch der rotierende Endabschnitt des Bogens bei.

Die Rotation des Bogens kann man durch Zuführung des zu erwärmenden Gases (Rohmaterials) ^mit einem Drall oder durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes oder aber durch gleichzeitige. Anwendung der beiden genannten Methoden zustandebringen.

Als Zwischengas-Wärmeträger kann man eine der Komponenten des reagierenden Gemisches benutzen, die dem Einfluß des ungleichmäßigen Temperaturprofils der Bogensäule weniger ausgesetzt ist oder eine größere Verweilzeit in der Hochtemperaturzone erfordert.

Nachstehend werden konkrete Beispiele der Realisierung des zu patentierenden Verfahrens angeführt.

Beispiel 1

Der Zwischengas-Wärmeträger ist Wasserstoff. Das zu erwärmende Gas (Ausgangsrohmaterial) ist Erdgas der folgenden Zusammensetzung: CH^ = 77,3 Vol. %\ C₂H₆ = 19,6 Vol. %\ C^Hg = s 3,14 Vol. %.

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Parameter des Prozesses und Verbrauchskennziffern:

1. Stromstärke 630 A

2. Bogenleistung 769 kW

3. Nutzleistung 641 kW

4. Verbrauch, von Wasserstoff 141 Nnr/h

5. Verbrauch, von Erdgas

6. Temperatur der Reaktion

7. Zusammensetzung von G-asen der Pyrolyse /Vol. %/\

H₂ 76,8 CH₄ 2,53 C₂H₂ 13,64 C₂H₄ 0,46 CO₂ 0,1 CO 2,27 N₂ 3,03 Homologe C₂H₂ 0,47

8. Gesamte Konvertierung von Erdgas 92,5% 9· Konvertierung in Azetylen 81,2%

10. Spezifischer Elektroenergieverbrauch ohne Berücksichtigung der Wärmeverwertung 11,5 kWh/Nnr C₂H₂. Beispiel 2

Der Zwischengas-Wärmeträger und das zu erwärmende Gas (Ausgangsrohmaterial) sind Erdgas der folgenden Zusammensetzung: CH₄ s 77,3 Vol. %\ C₂H₆ =19,6 Vol. %% C₃H₈=O,14 Vol.%.

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Parameter des Prozesses und Verbrauchskennziffern:

1. Stromstärke 300A

2. Bogenleistung 162 kW

3. Nutzleistung 64,3 kW

4. Gesamtverbrauch des Wärmeträgers und des zu erwärmenden Gases 75 V

5. Temperatur der Reaktion 175O⁰K

6. Zusammensetzung des Gases der Pyrolyse /Vol. %/: H₂ 68,5

CH₄ 6,5

C₂H₂ 17,9

C₂H₄ 0,9

7. Gesamte Konvertierung von Erdgas 88,6%

8. Konvertierung in Azetylen 85»3%

9. Spezifischer Elektroenergieverbrauch ohne Berücksichtigung der Wärmeverwertung 12,0 kWh/Nnr C₂H₂.

Beispiel 3

Der Zwischengas-Wärmeträger ist Wasserstoff\ das zu erwärmende Rohmaterial ist Benzin, das dem Reaktor im verdampften Zustand bei einer Temperatur von 200-300⁰C zugeführt wird.

Parameter des Prozesses und Verbrauchskennziffern: 1. Stromstärke 660 A

2. Bogenleistung 765 kW

3. Nutzleistung 613 kW

4. Verbrauch des Wärme trägers

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5. Verbrauch des Benzins 155 kg/h

6. Temperatur der Reaktion 1650° K

7. Zusammensetzung von Gasen der Pyrolyse (Vol. %):

H₂ 68,5 CH₄ 8,2 C₂H₂ 16,5 C₂H₄ 8,2 CO₂ 0,1 CO 0,7

H₂ 0,8 C₃H₆ 1,2

8. Gesamte Konvertierung von Benzin 92,1%

9. Konvertierung in die Summe (C₂H₂ + C₂H₄ + C₃H₆) + 80,0% 10. Spezifischer Elektroenergieverbrauch ohne Berücksichtigung der Wärmeverwertung 7,5 kWh/kg C₂H₂H-C₂H₄-I-C₃H₆

Beispiel 4

Der Zwischengas-Wärmetrager ist Stickstoff; das zu erwärmende Gas ist Methan.

Parameter des Prozesses und Verbrauchskennziffern:

1. Stromstärke 280 A

2. Bogenleistung I70 kW

3. Nutzleistung 115 kW

4· Verbrauch des Stickstoffs 72 V 5· Verbrauch des Brdgases

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6β Zusammensetzung von Gasen der Pyrolyse (Vol. %):

HC 12, 3

H₂ 30,1

C₂H₂ 4,8

Q₂H₆ 0,860

C₂H₄ 0,156

C₃H₈ 0,14

₄ 31,7

7· Grad der Umwandlung des Ausgangsrohmaterials Methan in Zielprodukte erreichte 90%.

8. Spezifischer Elektroenergieverbrauch ohne Berücksichtigung der Wärmeverwertung 83 kWh/kg HCN.

Beispiel 5

Der Zwischengas-Wärme träger ist ein Gemisch der folgenden Zusammensetzung: H₂ = 58 YoI₀ %j CH₄ = 12,8\ HCl = 17,4%; Cl₂ = 11,8%$

Das zu erwärmende Gas (Ausgangsrohmaterial) ist Benzin, das dem Reaktor im verdampften Zustand bei der Temperatur 200⁰C zugeführt wird.

Parameter des Prozesses und Verbrauchkennzifferns

1. Bogenleistung 19,8 kW

2. Verbrauch des Wärmeträgers 7i5 Nnr/h

3. Verbrauch des Benzins 7,22 kg/h

4. Zusammensetzung von Gasen der PyrolyseAoI.%/$

H₂ . 46,8% 9,6%

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17,5%
8,1%

HCl 17,0%
Das Übrige Λ%

5. Grad der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen 95%

6. Konvertierung in Azetylen und Äthylen 80%

7· Energieaufwand 3,5 kWh/kg des Gemisches von Azetylen und Äthylen.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Gaserwärmung besteht aus Elektroden 1 und 2 (Fig. 1), die an eine (in der Figur nicht ersichtliche) Stromversorgungsquelle angeschlossen sind, einer Einführungsstelle 3 für den Plasma*- strahl eines Zwischengas-Wärmeträgers, einer Einführungsstelle 4 für das zu erwärmende Gas und einer öffnung 5 für den Aastritt des erwärmten Gases. Der rotierende Lichtbogen 6 brennt zwischen den Elektroden 1 und 2.

In der zweiten Variante der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Gaserwärmung sind eine Stabelektrode 7 (Fig. 2) und eine zylindrische Holalelektrode 8 vorhanden, zwischen denen ein Lichtbogen 9 brennt, der den durch eine Einführungsstelle 10 zugeführten Zwischengas-Wärmeträger erwärmt. Ein anderer Lichtbogen 11 brennt zwischen einer zentralen Elektrode 12 und einer zylindrischen Hohlelektrode 13. Das zu erwärmende Gas (Rohmaterial) wird durch eine öffnung 14 ein - und das zu erwärmende Gemisch durch eine öffnung 15 abgeführt· Die

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Lichtbögen 9 und 11 sind aufgrund des Kontaktes zwischen den Elektroden 8 und 13 in Reihe geschaltet. Zur Rotation des Bogens 11 dient ein Solenoid 16. Die Elektroden 7 und 12 sind an Klemmen 17 der nicht dargestellten Stromversorgungs quelle angeschlossen. In der dritten Variante des Plasmatrons (des Reaktors) (Pig. 3) sind auch eine Stabelektrode 18, eine zylindrische Hohlelektrode 19 und eine Blende 20 vorhanden. Der Durchmesser der Ringelektrode 9 ist größer als der Durchmesser der Blende 20. An der Hohlelektrode 19 ist ein Solenoid 21 angeordnet. In der Blende 20 befindet sich ein in Längsrichtung angeblasener Abschnitt 22 des Lichtbogens und in der Elektrode 19 ein in Querrichtung angeblasener, im magnetischen Feld rotierender Abschnitt 23 des Bogens. Zur Einführung für den Wärmetrager dient eine öffnung 24 und für den Austritt des erwärmten Gases eine öffnung 25. Eine Einführungsstelle 26 für das zu erwärmende Gas befindet sich zwischen der Blende 20 und der Elektrode 19.

Die Einrichtung zur Erwärmung des Gases (Fig. 4) besteht aus einem plasmachemischen Lichtbogen-Reaktor (einem Plasmatron) 27» einer Stromversorgungsquelle 28, von welcher die dem genannten Plasmatron 27 die elektrische Energie zugeführt wird, einer Gasversorgungsquelle 29, von welcher dem genannten Plasmatron 27 der Zwischengas-Warmeträger und das zu erwärmende Gas zugeführt werden, Hilfseinrichtungen 30 (Kühl-, Steuer- und Meßsysteme) , die für den Normalbetrieb des besagten Plasmatrons 27

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bestimmt sind, Abschreckeinrichtung en 31 > wo i*¹ d-en im Plasmatron 27 erwärmten Gasen das erforderliche Zielprodukt fixiert -wird und einem System 32 zur Abscheidung des Zielproduktes aus den Gasen, welche aus der angegebenen Abschreckeinrichtung 3I zuströmen.

Eine der Varianten der konstruktiven Ausführung der Einrieb.· tung zur Realisierung des Verfahrens der Gaserwärmung ist in I¹Ig. 5 dargestellt. Der plasma chemische Lichtbogen-Reaktor 27 mit einseitiger Ausströmung besitzt eine Stabelektrode (gewöhni

lieh ist es die Kathode) 33 und eine zylindrische Hohlelektrode (gewöhnlich ist es die Anode) 34· Zwischen den Elektroden 33 und 34 befindet sich eine hohle zylindrische Blende 351 die mit der Stabelektrode 33 über die isolierende Einführungsstelle 36 für den $aswärmetrager und mit der zylindrischen Elektrode 34 über die isolierende Einführungsstelle 37 für das zu erwärmende Gas auf Stoß verbunden wird.

Die aufgezählten Baueinheiten werden mittels Stiftschrauben 38, Muttern 39t Scheiben 40 und Planschen 41,42 zusammengehalten die aus elektrisch leitendem Werkstoff ausgeführt sind· Am FlsHä 41 ist eine in der Zeichnung nicht gezeigte Klemme zum Anschluß an die Stromversorgungsquelle vorhanden. Zur Isolierung der Elek· troden 33 und 34 dienen Buchsen 43. An der zylindrischen Elektro· de 34 ist ein Solenoid 44 angeordnet. Ein Lichtbogen 45 wird zwischen den Elektroden 33 und 34 gezündet. Die Abdichtung erfolgt mittels Zwischenlagen 46·

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Die zylindrische Elektrode 34 "besteht aus einer Hülse 47

(Fig. 5 und 6) ι die aus elektrisch leitendem Werkstoff ausgeführt

ist,
über die der Kontakt mit dem Lichtbogen 45 zustandekommt und in deren Innenraum 48 chemische Reaktionen verlaufen, einem Gehäuse • 49ι das aus nicht ferromagnetischen Werkstoff, beispielsweise aus Messing besteht, einem Plansch 50, der aus elektrisch leitendem Werkstoff ausgeführt ist, sowie aus Stutzen 51 für die Kühlwasserzufuhr und Stutzen 52 (Fig. 5) für die wasserabfuhr. Zwischen der Hülse 47 und dem Gehäuse 49 ist ein Spalt 54 für das Kühlwasser vorhanden. Kanäle 55, 56 (Fig., 5 und 6), 57, 58 (Fig. 5) dienen für den Wasserdurchlauf. Die Hülse 47 (Fig. 5) wird mit dem Gehäuse 49 und dem Flansch 50 durch Lötung 591 60 verbunden.

Die Stabelektrode 33 besitzt einen Stab 61, der mit dem Lichtbogen 45 in Kontakt steht und aus schwerschmelzbarem elektrisch leitendem Werkstoff, beispielsweise aus Wolfram, ausgeführt ist, eine elektrisch leitende Platte 62, in welche der Stab 61 eingepreßt wird, einen elektrisch leitenden Körper 63, in den die Platte 62 eingeschraubt wird, einen Stutzen 64 für die Kühlwasserzufuhr und einen Stutzen 65 für die Wasserabfuhr. In der Platte 62 sind Öffnungen 66 für den Schlüssel vorhanden.. Für die Abdichtung sorgen Zwischenlagen 67. Kanäle 68, 69, 70 dienen für den Durchlauf des Kühlwassers. Im Körper 63 sind Öffnungen 71» 72 für die Zuführung des Zwischengas-Wärmeträgers in die isolierende ringförmige Einführungsstelle 36 vorgesehen. Zum

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selben Zweck ist auch ein Stutzen 73 bestimmt, der an einen (in der Figur nicht abgebildeten) Gaszuleitungsschlauch angeschlossen ist.

Die hohle zylindrische Blende 35 ist ähnlich wie die zylindrische Elektrode 34 ausgeführt. Sie enthält eine Hülse 74, die aus einem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit, bei spielsweise aus Kupfer (Fig. 5) besteht, einen Körper 75* Stutzen 76 für die Kühlwasserzufuhr und Kanäle 78-82 für den Wasserdurchlauf. Im Körper 75 ist eine Bohrung 83 zur Druckmessung in der Elektrode 34 und öffnungen 84, 85 für die Zuleitung des zu erwärmenden Gases an die isolierende Einführungsstelle 37 für das zu erwärmende Gas vorhanden. Ein Stutzen 86 dient zum Anschluß an einen (in der Figur nicht abgebildeten) Gaszuleitungsschlauch. Ein Kanal 87 ist für den Durchfluß des Zwischengas- -Wärmeträgers bestimmt, das mittels des Lichtbogens 45 erwärmt wird. Die Hülse 74 wird mit dem Körper 75 durch Lötstellen 88, 89 verbunden.

Das Solenoid 44 besteht aus einem elektrisch leitenden runden (aus Messing oder Kupfer bestehenden) Eohr 90, das auf ein aus Elektroisoliermaterial ausgeführtes Gerüst 91 aufgewunden ist. An den Enden des Rohrs 90 sind Klemmen 92, 93 angeschweißt, die zum Anschluß des Solenoids 44 an eine (in Fig. nicht abgebildete) Stromversorgungsquelle bzw. an den Flansch 42 dienen. Die Befestigung der Klemme 93 a°· den Flansch 42 erfolgt mittels einer Schraube 94.

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Jede isolierende Einführungsstelle 36 und 37 für Gas besteht aus zwei Teilen 95, 96 (Fig. 5 und 7) bzw. 97, 98 (Fig. 5 und 8), die so ausgeführt sind, daß entsprechende Gasverteile r-RingkanäIe 99, 100 (Fig. 5 und 7) gebildet werden können. Die Kanäle 100 (Fig. 5 und 7) und 101 (Fig. 5 und 8) dienen für die Zuführung des Zwischengas-Wärmeträgers und des zu erwärmenden Gases in einen Spalt 102 (Fig. 5 und 7) bzw. in einen Spalt 103 (Fig. 5 und 8) sowie auch zur Drehung der Gaströme der genannten Gase. Der herausragende Teil 104 (Fig.5) der Hülse 74 verändert die Strömungsrichtung des zu erwärmenden Gases.

Der plasmachemische Lichtbogen-Reaktor, dessen Längsschnitt in Fig. 9 dargestellt ist, ist in der Variante mit zweiseitiger Ausströmung des Gases ausgeführt. Er enthält einen Isolierring 105» der symmetrisch in bezug auf den ganzen Reaktor angeordnet und zur Einführung des Zwischengas-Wärmeträgers bestimmt ist. Mit dem Ring 105 sind zwei hohle zylindrische Blenden 106 auf Stoß verbunden, die über Ringe 107, 108 für die Einführung des zu erwärmenden Gases mit zwei zylindrischen Hohlelektroden 109 verbunden sind. Die genannten Elemente werden mittels Flanschen 110, sechs Stiftschrauben 111, Muttern 112 und Scheiben 113 zusammengehalten. Für die Elektroden 109 dienen Buchsen 114 als Isolierung. Auf die Elektroden 109 sind Solenoide 115 aufgesetzt. Zwischenlagen 116 dienen zur Abdichtung· Ein Lichtbogen 117 brennt in Hohlräumen 118 der Blenden 106 und in

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Hohlräumen 119 der Elektroden 109» die sich in der Nähe der Blenden 106 "befinden. Der übrige Lnnenraum 120 der Elektroden 1091 der hinter dem Endabschnitt des Bog ens liegt, wird als Reak· tinsraum ausgenutzt. Das erwärmte Gas tritt durch öffnungen aus.

Die Elektrode 109 besteht aus einer Hülse 122, die aus elektrisch leitendem W.erkstoff ausgeführt ist, und einem Gehäuse 123, cLas aus nicht ferromagnetischem Werkstoff besteht. Zwischen der Hülse 122 und dem Gehäuse 123 ist ein Spalt 124 für das Kühlwasser vorhanden.

Zur Wasserzufuhr zum Spalt 124 dient eine öffnung 125 für einen (in der Zeichnung nicht ersichtlichen) einschraubbaren Zuleitungsstutzen, Kanäle 126, 127 und Ring kanal 128, während zur Kühlwasserabführ ein Ringkanal 129, ein Kanal 130 und eine öffnung 131 für einen (in der Zeichnung nicht ersichtlichen) Ableitungsstutzen "bestimmt sind. Der Kanal 126 endet mit einem Stopfen 132, der in das Gehäuse 123 eingeschraubt wird. Nach dem Einschrauben wird der Stopfen I32 mittels eines Dichtfußes 133 "befestigt. Die Hülse 122 wird mit dem Gehäuse 123 ebenfalls durch hermetische Lötstellen 134, 135 verbunden. Im Gehäuse ist auch eine ringförmige Aushöhlung 136 für den DurchfIuB des zu erwärmenden Gases und ein zentrierender Ringvorsprung 137 zur Kopplung mit der (in der Zeichnung nicht wiedergege"benen) Abschreckeinrichtung vorhanden. Ein Ringvorsprung I38 ist zum Schutz des Ringes 107 gegen den aus der Blende 106 ausströmenden erwärmten Zwischengas-Wärmeträger "bestimmt.

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Die Blende 106 "besteht aus einer Hülse 139» die aus einem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit (beispielsweise aus Kupfer) ausgeführt ist, einem Körper 140, der aus nicht ferromagnetischem Werkstoff besteht, einem Einlegestiick 141, einem Stutzen 142 für die Kühlwasserzufuhr, einem Stutzen 143 (Fig. 11) für die Kühlwasserabführ, einem Stutzen 144 (Fig. 9) für die Zuführung des Zwischengas-Wärmeträgers, einem Stutzen 145 (Fig. 9 und 11) für die Zuführung des zu erwärmenden Gases. Sämtliche Stutzei 142-145 sind in den Körper 140 (Fig. 6) eingelötet.

Für den Durchlauf des Kühlwassers dienen Kanäle 146-148, ein Spalt 149, Kanäle 150-152; für die Zuführung des Zwischengas- -Wärmeträgers sind Kanäle 153»154 und für das zu erwärmende Gas Kanäle 155, 156 vorhanden.

Die Hülse 139 wird mit dem Gehäuse 140 mittels Lötnähten 157» 158 hermetisch verbunden.

In den Isolierringen 107, 108 sind Kanäle 159, 160 für den Durchtritt des zu erwärmenden Gases und Öffnungen 161, 162 zum Einlassen des zu erwärmenden Gases in den Spalt 163 (Fig. 9 und

10) vorhanden.

Der Isolierring 105 (Fig. 9) besteht aus Ringen 164-166, zwischen denen Kanäle 167, 168 für den Durchfluß des Zwischengas- -Wärmeträgers gebildet sind. Im Ring 164 ist ein Kanal 169 für den Gas-Wänneträger und im Ring 166 Öffnungen 170 (Fig. 9 und

11) zum Einblasen des Gaswärmeträgers in den Spalt 171 vorhanden^.

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Das Solenoid 115 (Fig· 9) "besteht aus einem elektrisch leitenden Rohr 172 (Fig. 9 und 12), das auf ein aus Lsolierwerkstoff ausgeführtes Gerüst 173 aufgewunden ist. An einem Ende des Rohrs 172 ist eine (in der Zeichnung nicht gezeigte) Klemme zum Anschluß an eine (ebenfalls nicht gezeichnete) Stromversörgungsquelle vorhanden, während das andere Ende des Rohrs 172 an die Elektrode 109 angeschlossen ist (die Verbindungsstelle ist aus der Zeichnung nicht ersichtlich). An den beiden Enden des Rohrs 172 sind außerdem (nicht mitabgebildete) Stutzen für die Kühlwasserzufuhr und- abfuhr vorhanden. Zwischen den Schichten des Rohrs 172 ist eine Isolation 174 vorgesehen.

Das vorgeschlagene. Verfahren wird folgenderweise realisiert.

Der Zwischengas-Wärmeträger wird in den plasmachemischen Lichtbogen-Reaktor über die Einführungsstelle 3 (Fig. 1) eingeführt und wird, indem er zum rotierenden zwischen den Elektroden 1-2 brennenden Lichtbogen strömt, erwärmt.

Der Charakter des Wärmeträgers hängt von der Art des Prozesses ab. So z.B. kann man bei der Gewinnung von Azetylen aus Kohlenwasserstoffen als Zwischen-Wärmeträger Chlor, Wasserstoffchlorid, Kohlendioxydgas, inerte Gase, Stickstoff, Luft, Wasserstoff, Wasserdampf und deren Gemische verwenden. Am günstigsten von ihnen ist in diesem Fall der Wasserstoff, weil er während der Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen gebildet wird und dabei die nachfolgende Abscheidung des Zielprodukts verei^nfacht wird.

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Alle Arten des Zwischenwärmeträgers verdünnen das in Reaktion getretene Gas, jedoch besteht der Vorteil der inerten Gase darin, daß sie keine Nebenprodukte bilden. Wenn aber in dem in Reaktion getretenen Gas ein gewisser Gehalt von Kohlenstoffmonoxyden (beispielsweise Synthesegas für die Gewinnung von Methanol) erforderlich ist, so ka^n man als Zwischenwärmeträger Wasserdampf oder Kohlenstoffdioxyd verwenden.

Bei der Gewinnung von Synthesegas für Vinylchlorid kann man als Zwischenwärmeträger Chlor, Wasserstoffchlorid oder deren Gemische mit Wasserstoff verwenden.

Stickstoff ist der geeignetste Zwisehenwärmeträger bei der Gewinnung von Wasserstoffzyanid aus Kohlenwasserstoffen. Man kann in diesem Fall auch Luft verwenden, jedoch wird der in ihr enthaltene Sauerstoff Nebenprodukte verursachen.

Die Luft ist der geeignetste Zwischengas-Wärmeträger für den Prozeß der Gewinnung von Stickstoffoxyden. In diesem Fall kann man aber auch Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxydgas verwenden.

Durch die Einführungsstelle 4, wird das zu erwärmende Gas eingeführt. Dieses Gas mischt sich mit dem erwärmten Zwischengas- -Wärmeträger, und das sich bildende Gemisch wird durch den rotierenden Bogen zusätzlich erwärmt. Der hinter dem Bogen 6 liegende Abschnitt der Elektrode 2 wird als Reaktionsraum für chemische Umsetzungen des erwärmten Gemisches benutzt. Durch den Austritt 5 aus der Elektrode 2 gelangt das in Reaktion getretene

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Gas in die nicht dargestellte Abschreckeinrichtung, i_n welcher die bei hoher Temperatur gebildeten Zielprodukte fixiert werden.

Als zu erwärmendes Gas können verschiedene Stoffe benutzt werden, die sich im gas- oder dampfförmigen Zustand befinden. Beispielsweise können zur Gewinnung von Azetylen, Wasserst offzyanid sowie Synthesegasen für Vinylchlorid oder Methanol beliebige gasförmige oder zuvor verdampfte flüssige Kohlenwasserstoffe verwendet werden» Bei der Oxydation von Stickstoff können dies je nach dem Typ des Zwischenwärmeträgers Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxydgas» Luft sein.

Der Plasmastrahl des Zwischengas-Wärmeträgers wird durch Erwärmung dieses Gases mittels des Lichtbogens 9 (Fig. 2) erhalten, nachdem es durch die Einführungsstelle 10 eingeführt ist* Der Plasmastrahl des Zwischengas-Wärmeträgers gelangt in die Hohlelektrode 13» ^{w0 er} mittels des Lichtbogens 11 zusammen mit dem durch die öffnung 14 eingeführten zu erwärmenden Gas vermischt und zusätzlich erwärmt wird.

Zur Verlängerung der Betriebszeit der Anlage ist es ratsam, die erforderliche Leistung bei hoher Spannung unter Erniedrigung des Stroms auf einen kleins^ögliehen Wert zu erhalten. Dies kann durch Verlängerung und Verbesserung des Anblasens des Abschnitts 22 (Fig. 3) des Bogens 6 (Fig. 1) der im Bereich der Blende 20 (Fig. 3) liegt, erreicht Herden. Zu diesem Zweck ist der Zwischenwärmeträger wünschenswert erweis β cLrallbehaftet zuzuführen, damit der Bogenabschnitt 22 mit-

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-27- 2512713

■feels eines verwirbelten Stroms angeblasen wird. Die Drehung des Zwischenwärmetragers wird mittels der Einführungsstelle 24 "bewerkstelligt, die tangentiale Eintrittsöffnungen aufweist.

Der rotierende Strom des Zwischenwärmeträger versetzt den Abschnitt 23 des Lichtbogens 12 in Rotation, wodurch die Betriebszeit der Elektroden zunimmt und die Vermischung des zu erwärmenden Gases mit dem Zwischenwärmeträger besser wird. Die Rotation des Abschnitts 23 des Lichtbogens 22 kann auch durch Rotation des zu erwärmenden Gases in der Einführungsstelle

(i rallh ehaf t e t er

sowie durch gemeinsame Einwirkung zweier ■ if . Ströme sowohl des Zwischenwärmeträger als auch des zu erwärmenden Gases zustandegebracht werden.

Die Verwirbelungen des Zwischenwärmeträger und des zu erwärmenden Gases können sowohl mitläufig wie auch gegenläufig sein. Bei gegenläufigem Drall ' wird das Vermischen der genannten Gase verbessert.

Die Betriebszeit der Elektrode 19 wächst bei der Vergrösserung der Oberfläche an, die vom Bogenfleck bei der Rotation des Abschnitts 23 des Lichtbogens 22 abgetastet wird. Dazu ist es zweckmäßig, den Durchmesser der Elektrode 19 im Vergleich mit dem Durchmesser der Blende 20 zu vergrößern. Das Einlassen des zu erwärmenden Gases wird in diesem Fall hinter der Blende 20 am Anfang der Elektrode 19 vorgenommen. Eine effektivere Rotation des Bogenabschnitts 23 in der verbreiterten Elektrode

drallhehafteten
wird durch einen ν strom des zu erwärmenden Gases gewährleistet.

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Zur Verbesserung der Vermischung des zu erwärmenden ses mit dempwischenwärmeträger wird die Rotation des Bogenabschnitts 23 zweckmäßigerweise durch Anlegen eines längs der Achse der Elektrode 19 gerichteten Magnetfeldes verstärkt. Dies wird durch Anbringen an der Elektrode 19 des Solenoids 21 erreicht, das mit dem Bogen 22 in Eeihe geschaltet wird oder eine unabhängige Speisung hat. Man kann auch einen Dauermagnet oder einen supraleitenden Kreis anwenden. Die Rotation des Bogens mittels des Magnetfeldes kann man sowohl mit- als auch gegenläufig in bezug auf den Drall des Zwischenwärmeträgers oder des zu erwärmenden Gases orientieren. Die Rotationsgeschwindigkeit des Bogenabschnitts 23 soll die Vermischung der Gase während einer Zeit sicherstellen, die gegenüber der Zeit des Ablaufs der Reaktionen kleiner ist. Meist liegt die Rotationsgeschwindigkeit des Bogenabschnitts 23 in den Grenzen zwischen 10³ und 10⁴ U/sek.

Die Temperatur des erwärmten Zwischenwärmeträgers am Austritt aus der Blende 20 hängt vom Charakter des Prozesses ab. Beispielsweise wird im Falle der Gewinnung von Azetylen aus dem Erdgas mit Verwendung von Wasserstoff als Zwischenwärmeträger der letztere bis auf 3000-4000° K erwärmt. Die Temperatur des Gemisches am Austritt 25 aus dem Reaktionsraum wird ebenfalls vom Charakter des Prozesses bestimmt. Im obenerwähnten Fall der Gewinnung von Azetylen aus Methan liegt sie z.B. in den Grenzen zwischen 1300 und 2000⁰K.

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Zur Durchführung des Prozesses der Lichtbogenerwärmung von chemisch reagierenden Gasen sind der plasmachemische Lichtbogen- -Reaktor 27 (3?ig. 4) und die Stromversorgungs quelle 28 erforderlich, die ein stabiles Brennen des Lichtbogens 6 (Fig. 1) und die Regelung des Stroms im plasmachemischen Lichtbogen-Reaktor 27 (Fig. 4) gewährleistet. Die Stromversorgungsquelle 29 sorgt für die Speisung des plasmachemischen Lichtbogen-Reaktors 27 mit dem Zwischenwärmeträger und dem zu erwärmenden Gas sowie für die Stabilisierung und Regelung der erforderlichen Parameter der genannten Gase. Zur Steuerung der Anlage, Messung sämtlicher Kenngrößen und Versorgung des plasmachemischen Lichtbogen- -Reaktors 27 mit Kühlwasser ist ein Hilfssystem 30 bestimmt.

Aus dem plasmachemischen Lichtbogen-Reaktor 27 gelangen die in Reaktion getretenen Gase in die Abschreckeinrichtung y\, in welcher sie nach einem der bekannten Verfahren auf eine Temperatur schroff abgekühlt (abgeschreckt) werden, bei der die Zersetzung des bei hohen Temperaturen im plasmachemischen Lichtbogen-Reaktor 27 gebildeten Zielproduktes aufhört. Aus der Abschreckeinrichtung 31 gelangt das Gas zur Abscheidung in das System 32. Eines der Elemente des besagten Systems 22 kann aus einer Einrichtung zur Verwertung der aus der Abschreckeinrichtung 31 austretenden Gase nach einem der bekannten Verfahren bestehen?. Hierdurch wird eine Erhöhung der Effektivität des Prozesses ermöglicht .

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Die Erwärmung des Grases im plasma chemischen Licht bogen- -Reaktor mit einseitiger Ausströmung (Fig. 5) geschieht nach dem oben dargelegten Schema· Der Zwischenwärmeträger gelangt durch den Stutzen 73 und die Kanäle 71» 72 in den Kanal 99 isolierenden Einführungsstelle 36. Aus dem Kanal 99 tritt der Zwischenwärmeträger über das System von tangentialen Kanälen 100 (Fig. 5,7) in den Spalt 102 (Fig. 5) zwischen der Blende 35 und der Stabelektrode 33· Dann bewegt sich der Wirbelstrom des Zwischenwärmetragers, indem er den Bogen 45 anbläst, entlang dem Kanal 87 der Blende 35· Hier wird er mittels des Lichtbogens 45 erwärmt und strömt in den Innenraum 48 der Elektrode 34 aus.

Das zu erwärmende Gas gelangt durch den Stutzen 86 und die Kanäle 84 und 85 in den Kanal 100 der isolierenden Einführung ssteile 37 für das zu erwärmende Gas. Aus dem Kanal strömt das Gas über das System von tangentialen öffnungen 101 (Fig. 5,8) in den Spalt 103 (Fig. 5) zwischen der Blende 35 und der Elektrode 34· Es gibt eine Variante (in den Zeichnungen nicht dargestellt) der Einführung des zu erwärmenden Gases ohne Verdrehung über ein System von radialen öffnungen·

Im Anfangsteil des Innenraums 48 der Elektrode 34 mischt sich das zu erwärmende Gas mit dem erwärmten Zwischenwärmeträger, welcher aus dem Innenraum 87 der Blende 35 ausströmt· Die Vermischung der genannten Gase wird durch den Endabschnitt des Lichtbogens 45 intensiviert, der sich im Magnetfeld rotiert,

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welches durch das mit dem Bogen 45 in Eeihe geschaltete Solenoid

44 erzeugt wird. Mittels des rotierenden Endabschnitts des Bogen£

45 wird auch eine zusätzliche Anwärmung des Gemisches aus dem zu erwärmenden Gas und dem Zwischenwärmeträger durchgeführt.

Nach Passieren des rotierenden Endabschnitts des Bogens 45 strömt das erwärmte Gemisch im Innenraum 46 der Elektrode 3^, wo chemische Reaktionen vonstatten gehen. Nach Austritt aus der Elektrode 34 gelangt das in Reaktion getretene Gemisch in die (in der Figur nicht abgebildete) Abschreckeinrichtung.

Die Kühlung der zylindrischen Hohlelektrode 34 erfolgt durch Wasser, welches durch die Stutzen 51 und die Kanäle 33ι 56 in den Spalt 54 fließt und die Hülse 47, die durch den Bogenfleck und das heiße Gasgemisch erwärmt wird, abkühlt. Aus dem Spalt 54 tritt das erwärmte Wasser durch die Kanäle 57ι 58 über die Stutzen 52 aus der Elektrode 34 aus.

Ihnlich wird auch die Blende 35 gekühlt. Das Wasser wird durch den Stutzen 76 und die Kanäle 78, 79 dem Spalt 80 zugeführt, wobei es bei Durchfließen durch diesen die Wärme von der Hülse 74 ableitet, die durch den heißen Zwischenwärmeträger und die Strahlung des Bogens 45 erwärmt wird« Aus dem Kanal tritt das erwärmte Wasser durch die Kanäle 81,82 über den Stutzen 77 aus der Blende 35 aus.

Der Wärmefluß wird aus dem schwerschmelzbaren Stab 61, der durch den Bogen 45 erwärmt wird, über die Platte 62 an das Kühlwasser abgeleitet, welches durch den Stutzen 64 und den'Ka-

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nal 70 in den Spalt 69 gelangt, der zwischen der Platte 62 und dem Körper 63 gebildet ist. Aus dem Spalt 69 tritt das erwärmte Wasser durch den Kanal 68 und den Stutzen 65 aus der Elektrode 33 aus.

Der elektrische Strom wird vom Plus der Stromversorgungsquelle (in der Fig. nicht gezeigt) der Klemme 92 des Solenoids

44 zugeführt, von wo aus er über die Klemme 93> den Flansch 42 und den Flansch 50 der Elektrode 34 auf die Hülse 47 der Elektrode 34 gelangt. Dann fließt der Strom durch den Lichtbogen

45 zum Stab 61 der Elektrode 33. Aus dem Stab 61 fließt der Strom über die Platte 62 und den Körper 63 der Elektrode 33 zum Flansch 41, wo eine in der Zeichnung nicht gezeigte Minusklemme vorhanden ist, welche mit einer (aus der Figur nicht ersichtlichen) Speisequelle verbunden ist.

Den plasmachemischen Lichtbogen-Reaktor kann man auch von einer Wechselstromversorgungsquelle speisen, indem man im Falle der Industriefrequenz eines der bekannten Verfahren zur Unterhaltung des Bogenbrennens beim Nulldurchgang des Stroms anwendet,

In den plasmachemischen Lichtbogen-Reaktor mit zweiseitiger Ausströmung (Fig. 9) gelangt der Zwischenwärmeträger durch zwei Stutzen 144, aus denen er durch die Kanäle 153 und 154» die in den Gehäuse 140 der Blenden 106 verlaufen, in die in dem Ring 105 befindlichen Kanäle 169, 167, 168 eintritt. Aus dem Ringkanal 168 gelangt der Zwischenwärmeträger über das System der tangentialen öffnungen I70 (Fig. 9, 11) in den Spalt 171

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(Fig. 9) zwischen den Blenden 106; aus dem Spalt strömt der verwirbelte Gasstrom symmetrisch, nach "beiden Seiten in die Innenräume 118 der Blenden 106, indem er den Bogen 117 anbläst. Der durch den Bogen 117 erwärmte Zwischentrager strömt aus den Innenräumen 118 der Blenden 106 in die Hohlräume 119 de*¹ Anfangsabschnitte der Elektroden 109 aus, welche an die Blenden 106 angrenzen.

Das zu erwärmende Gas gelangt über zwei Stutzen 145 durch die Kanäle 155» 156| die sich in den Gehäusen 140 der Blenden 106 befinden, und die in den isolierenden Einführungsstellen 107» 108 befindlichen Kanäle 159 in die ringförmige ι Hohlräume 136, die durch Aushöhlungen in den Gehäusen 123 der Elektroden 109 gebildet sind. Aus den Hohlräumen 136 strömt das zu erwärmende Gas über das System der Öffnungen 161, 162 in die Spalte 163 zwischen den Elektroden 109 und den Blenden 106. Die Öffnungen 161, 162 sind in jeder der Einführungsstellen 107, so orientiert, daß ein ^rall . der beiden Ströme de. zu erwärmenden Gases erzeugt wird, welche mitläufig oder gegenläufig zum Wirbel des Zwischenwärmeträgers nach einer Seite gerichtet sind. Die Veränderung der Wirbelrichtung wird durch Orientierung der Einführungsstelle 105 und (oder? durch Wechsel der Plätze der Einführungsstellen 107, 108, vorgenommen. Aus den Spalten 163 gelangt das zu erwärmende Gas in die Anfangshohlröume 119 der Elektroden 109, wo es sich mit dem erwärmten 2wischenwärmetiä ger mischt, der aus den Hohlräumen 118 der Blenden 106 ausströmti

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Beim Passieren der rotierenden Endabschnitte des Lichtbogens 117 wird das Gasgemisch zusätzlich erwärmt. Die Rotation der Abschnitte des Bogens 117 die bei der Wechselwirkung des Stroms des Bogens 117 mit dem Magnetfeld der Solenoide zustandekommt, verbessert die Vermischung des zu erwärmenden Gases mit dem erwärmten zwischenwärmeträger. Nach Verlassen der Zonen der rotierenden Endabschnitte des Bogens 117 gelangt das erwärmte Gasgemisch in die Hohlräume 120 der Elektroden 109» wo chemische Reaktionen verlaufen. Das in Reaktion getretene Gemisch strömt durch die öffnungen 121 der Elektroden 109 in die in der Zeichnung nicht abgebildeten Abschreckeinrichtungen.

Das Kühlwasser tritt in die Elektroden 109 durch die öffnungen 125 ein, woraus es durch die Kanäle 126 (Fig. 9» 12) längs der Gehäuse 123 der Elektroden 109 (Fig. 9) in die Kanäle 127, 128 fließt. Aus den Ringkanälen 128 gelangt das Wasser in die Spalte 124 wobei es, indem es durch diese Spalte fließt, die Hülsen 122 abkühlt, welche durch das Gasgemisch und die Bogenflecke erwärmt werden. Aus den Spalten 124 tritt das erwärmte Wasser durch die Kanäle 129, 130 über die öffnung 131 aus den Elektroden 109 aus.

In die Blenden 106 tritt das Wasser durch die Stutzen ein, aus welchen es durch die Kanäle 146, 1471 148 in die Spalte 149 gelangt und bei Durchfließen derselben die Hülsen 139 abkühlt, welche durch den heißen Zwischenwärmeträger und die Strahlung des Bogens 117 erwärmt werden. Nach Verlassen der

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Spalte 149 gelangt das erwärmte Wasser durch die Kanäle 150, 151, 152 in die Stutzen 143 (Fig. 10), durch welche es aus den Blenden 106 (Fig. 9) austritt.

Der elektrische Strom gelangt über die Ein^angsklemmen (in der Zeichnung nicht gezeigt), die sich an den Enden der Rohre 172 der Solenoide 115 befinden, dann über die Rohre 172 der Solenoide II5 und (nicht abgebildete) Klemmen, die sich an den anderen Enden der Rohre 172 der der Solenoide II5 befinden und an die Gehäuse 123 der Elektroden I09 angeschlossen sind, über die genannten Gehäuse 123 auf die Hülsen 122 der Elektroden 109, mit denen der Lichtbogen 117 in Kontakt steht.

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Claims

PATENT ANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Gas erwärmung durch Vermischen eines zujerwärmenden Gases mit dem Plasmastrahl eines Zwischengas- -Wärraeträgers, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermischung des zu erwärmenden Gases mit dem Zwischengas-Wärmeträger und deren Zusatzerwärmung mit Hilfe eines rotierenden Lichtbogens (6) zustandegebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl durch Erwärmen des Zwischengas-Wärmeträgers mittels eines Lichtbogens (9) erzeugt wird, der mit einem rotierenden Lichtbogen (11) in Reihe geschaltet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Lichtbogen (11) und der Lichtbogen (9) zur Erwärmung des Zwischengas-Wärmeträgers in Form eines Lichtbogens (22) ausgebildet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Rotation des Lichtbogens (11) durch Anblasen des Lichtbo-

drallbehafteten
gens (11) mittels eines • Stroms des Zwischengas-

-Wärmeträgers zustandegebracht wird.

5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation des Lichtbogens (11) mittels eines dral'lbehafteten Stroms des zu erwärmenden Gases zustandegebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation des Lichtbogens (11) mittels eines magnetischen Feldes zustandegebracht wird.

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7. Verfahren nach Ansprüchen 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation des Lichtbogens (11) zusätzlich mittels magnetischen Feldes zustandegebracht wird.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1...7» dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischengas-Wärmeträger Wasserstoff, Chlorwasserstoff, Kohlenwasserstoff, deren Gemisch, inerte Gase, Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserdampf verwendet werden.

9. Verfahren nach Ansprüchen 1...8, dadurch gekennzeichnet, daß als zu erwärmendes Gas gas- und/oder dampfförmige Kohlenwasserstoffe verwendet werden.

10. Plasmachemischer Lichtbogen-Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 3···9ι enthaltend zwei an eine Stromquelle angeschlossene Elektroden, von denen mindestens eine eine zylindrische Hohlelektrode ist, zumindest eine hohle zylindrische Blende, die einen gegenüber dem Durchmesser der zylindrischen Hohlelektrode kleineren Durchmesser hat und mit einer Stirnseite an die zylindrische Hohlelektroda anschließt, eine Einführungsstelle für den Zwischengas-Wärmeträger, die sich an der anderen Stirnseite der genannten Blende befindet, sowie mindestens eine Einführungsstelle für das zu erwärmende Gas, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführungsstelle (37) für das zu erwärmende Gas zwischen den Stirnflähen der angegebenen Blende (35) und der von der Blende (35) isolierten zylindrischen Hohlelektrode (34·) angeordnet ist.

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