DE726471C - Verfahren zur Durchfuehrung chemischer Umsetzungen zwischen Gasen oder zwischen festen und fluessigen Stoffen und Gasen im elektrischen Feld - Google Patents

Description

• Verfahren zur Durchführung chemischer Umsetzungen zwischen Gasen oder zwischen festen und flüssigen Stoffen und Gasen im elektrischen Feld Beim Umsetzen von Luftstickstoff im Lichtbogen oder bei anderen elektrischen Entladungen entsteht ein Zustand, feder teils von der Temperatur, teils von dem Elektronentind Ionenbombardement abhängig ist, dem die Luftmoleküle ausgesetzt sind. Dabei bildet sich z. B. eine größere Menge Stickstoffoxyd als nach den thermischen Bedingungen erwartet werden kann.
• Es ist nun an sich bekannt, in einem mit verhältnismäßig kleiner Geschwindigkeit zwischen den Elektroden geführten Gas- oder Dampfstrom elektrisch leitendes Pulver mitzuführen, dessen Körner abwechselnd miteinander in Kontakt kommen und dadurch den Leitungsweg des Stromes abwechselnd schließen und unterbrechen. Es wird also durch die Körner eine Brücke für den aber gang der Elektrizität geschaffen. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, isolierende (:Sle gegen eine Elektrode aus Metalldraht zu zerstäuben, die sich in einem die andere Ellelctrode bildenden Metallrohr befindet. Hier wird aber kein Lichtbogen zwischen den Partikeln gebildet, durch den eine Umsetzung erfolgen soll.
• Nach dem neuen Verfahren soll die Umsetzung zu höheren Ausbeuten führen. So wird z. B. bei der Oxydation im Lichtbogen erstrebt, die größtmögliche Menge Stickstoffoxyd je Energieeinheit der Entladung zu erzielen. Dabei ist darauf zu achten, daß die Wiederaufspaltung des eben erst gebildeten Stickstoffoxyds während des Durchlaufs des Luft-Stickstoff-Gemisches zur Verwertungsstelle des Oxyds möglichst unterdrückt wird.
• Zur Vermeidung eines derartigen Spaltungsverlustes ist es bekannt, durch Abkühlung das Verhältnis Stiekstoffoxyd zu Entladungsluft möglichst unverändert zu halten, z. B. durch Mischen mit kalter Luft oder kaltem Wasser. Da die Temperatur der technisch durchgeführten Entladungen um 40000 liegen kann, ist die Spaltungsgeschwindigkeit hoch.
• Bei dieser Temperatur sind gegen Io°lO Sticl;-stoffoxyd in der Luft vorhanden, während die Gleichgewichtskonzentration bei 15000, wo die Spaltung zwar langsam ist, aber nur o,34°/O beträgt. Bei den jetzt angewandten Luftverbrennungsöfen liegt der Stickstoftoxydertrag oft weit unter 201o; die Kühlgeschwindigkeit ist also zu gering.
• Das neue Verfahren bezweckt eine schnelle Abkühlung der die Entladungszone verlassenden Gasmischung gleichzeitig mit einer derartigen Beeinflussung der Druckverhältnisse der Entladung, daß man die Elektronen- und Ionengeschwindigkeiten erzielt, die den höchstmöglichen Ertrag der in der Luftmischung beim Durchlaufen durch die Entladung ausgelösten Reaktion(en) ergeben.
• Unter Luftmischung sind im folgenden Gase und Dämpfe sowie Dispersionen von festen und flüssigen Stoffen in Gasen oder Dämpfen zu verstehen. D.ie unten angeführten Anordnungen werden außerdem in mehreren Fällen zur Auslösung von Reaktionen in Flüssigleiten angewandt werden können. Das Verfahren kann z. B. zur Erzeugung von Ammoniak aus einer Mischung von Stickstoff und Wasserstoff angewandt werden sowie von Stickstoffoxyd aus Stickstoff und Sauerstoff, von Ozon aus Sauerstoff, von Schwefelsäure aus einer Mischung von Schwefeldioxyd mit Sauerstoff und Wasser, von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasserdämpfen, von Azetylen oder Aethylen oder ölähnlichen Produkten und Ruß (Carbon Black genannt) aus organischen Gasen, von Cyanverbindungen aus mit organischen Verbindungen vermischtem Stickstoff, wie es auch zur Polymerisation von Ölen, Herstellung von Glyoxal aus Sauerstoff und Azetylen, zur Oxydation von Mineralölen, zum Kraclien, zum Sterilisieren usw. angewandt werden kann. Auch kann es zum Voltolisieren, d. h. Behandeln von Schmierölen mit elektrischen Entladungen zur Veränderung der Viskosität der Ole, benutzt werden.
• Das Wesen der Erfindung besteht nun darin, daß feste oder flüssige Hilfspartikeln oder zu behandeln!de Partikeln quer zur Strömungsrichtung der zu hehandelnden Gase oder Dispersionen von einer zur anderen Elektrode mit möglichst hoher Geschwindigkeit geschleudert werden.
• Hierdurch wird eine besonders durchgreifende Umsetzung der Gase oder Dispersionen erreicht. Wenn nämlich kleine Teile in ein elektrisches Feld gebracht werden, so verursachen sie eine Störung des Feldes, die in Verbindung mit dem kleinen lQrümmungsradius der Teilchen bewirkt, daß die Feldstärke an den Teilchenoberflächen wächst.
• Hierdurch wird die Arbeit reduziert, die erforderlich ist, um ein Elektron des Teilchens aus dem Oberflächengebiet zu entfernen. Bei passender Feldstärke entsteht daher eine Elektronenausstrahlung, so daß bei gewöhnlicher Temperatur eine Glüh-Elel;tronen-Emission erwartet werden kann. Diese Autoelektronen rufen Ionisierung hervor. Es entsteht hierdurch eine große positive Raumladungsdichte, die ihrerseits das Feld und somit den Autoelektronenstrom erhöht.
• Es wird dabei zwischen den Teilchen eine Entladung erzeugt, die sich mit den Teilchen bewegt. Unter Entladungen sind sowohl Lichtbögen wie stille Entladungen und Funken zu verstehen, Die festen Partikel chen können von adsorbierter Luft oder Flüssigkeit bedeckt sein, wie sie auch loatalytisch wirksam sein können.
• Eine Art der Durchführung der Erfindung besteht darin, daß die Partikeln von einer als ortsfester Zerstäuber ausgebildeten Elektrode ausgeschleudert werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die von der ortsfesten Zerstäuberelektrode ausgehen den Partikeln gegen eine diese ringförmig mugebende Gegenelektrode zu schleudern.
• Hierdurch wird eine Wirkung erreicht, wie sie durch keinen der bisher vorgeschlagenen Vorgänge erzeugt werden könnte.
• Versuche haben ergeben, daß z. B. durch elektrische Entladungen in Luft nach dem neuen Verfahren eine weit größere A1 eílge Stickstoffoxyd je kW als bei früheren Verfahren erhalten wird.
• Versuche haben z. B. folgendes ergeben: I. Bei einer gewöhnlichen, hisher üblichen Lichtbogenentladung in Luft ist es möglich. bei Gleichstrom oder Wechselstrom mit 50 Perioden und einer Spannung von 6oo Volt einen Ertrag zu erreichen. der 63 g Salpetersäure je Kilowattstunde entspricht.
• 2. Nach dem neuen Verfahren, d. h. bei Ausschlendern von Partikeln in der unter 1. genannten Entladung, fällt die Spannung auf 300 Volt, und der Ertrag steigt auf I25 g je Kilowattstunde.
• 3. Bei Erhöhung des Elektrodenabstanclc: auf das Doppelte des in Versuch I und 2 gewählten Abstandes, im übrigen aber unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 2, beträgt die notwendige Spannung wieder 600 Volt.
• Dieses Ergebnis bestätigt unmittelbar. daß man bei einer Reihe von elektrochemischen Vorgängen ähnlicher \rt durch daj neue Verfahren eine entsprechend bessere Verwertung der angewandten elektrischen Energie erzielt.
• Bei dem neuen Verfahren können die Partikelchen von einem Zerstäuber ausgeschleudert werden, der rotiert oder mit Druck, Vibration oder Luftstrom arbeitet. Der Zerstäuber kann gleichzeitig als die eine Elektrode dienen. Eine Vorrichtung, mit der die beabsichtigten Reaktionen erzeugt werden können, besteht z. B. aus einem rotierenden Zerstäuber, der eine Umfangsgeschwindigkeit von I50 m/Sek. hat. Dieser Zerstäuber, der zugleich die eine Elektrode bildet, schleudert Flüssigkeit, Lösung, D.ispersion oder Pulver mit oder ohne adsorbiertem Gas- (Luft-) Häutchen aus. In kurzer Entfernung von (und zwar gleichachsig zu) dieser rotierenden Elektrode, dem Rotor, wird eine ringförmige Elektrode angebracht, gegen die oder längs der die Partikelchen geschleudert werden. Bei dem Unterdruck, der hinter den Partikeln (Tröpfchen) entsteht, wird der Übergang der Entladung zwischen dem Rotor und der Ringelektrode gefördert, zwischen denen ein angemessener Spannungsunterschied aufrechterhalten wird. Außer derartigen Entladungen längs der Seite und der Rückseite der Partikel (Rückseite in Relation zur Bewegungsrichtung) erfolgen Entladungen zwischen den Partikeln. Es entsteht Somit eine große Anzahl schnell rotierender Entladungszonen, zwischen denen entladnngsfreie Zonen liegen.
• Wird nun eine Luft- bzw. Gasmischung durch die Öffnung zwischen dem Rotor und der Ringelektrode geleitet, so wird sie bei angemessener Luftgeschwindigkeit sowohl durch die Zonen, in denen die Entladungen erfolgen, wie durch die entladungsfreien Zonen gehen, weil die Luftmischung eine spiralförmige Bewegung durch den Zwischenraum zwischen den Elektroden vornimmt. Die so behandelte (erwärmte) Luftmischung und die nichtbehanwdelte werden gIeich nach dem Durchströmen zwischen den Elektroden gemischt, so daß eine Schnellkühlung der Reaktionsmischung erreicht wird, und diese wird gegebenenfalls von der Wärmebindung unterstützt, die ein Verdampfen der Partikel veranlassen kann, indem u. a. ein Nebel von kleinen Partikeln vom Luftstrom mitgerissen wird.
• Durch Regelung der Zufuhr zum Rotor kann man eine bestimmte Kühidauer sowie das Verhältnis zwischen der durch die Entladungszonen gehenden Luftmenge und der nicht durch diese gehenden festlegen. Dadurch wird die größtmögliche Wirkung der Entladungen erreichbar. Durch Regelung des Druckes und der Rotationsgeschwindigkeit kann außerdem der Druck der Entladungen derart beeinflußt werden, daß die mittlere Weglänge der Elektronen und der Ionen die günstigste für die Reaktion wird, d. h. daß die mittlere kinetische Energie bei angemessenem Spannungsunterschied zwischen den Elektroden hoch genug wird, um die größtmögliche Molekülmenge zu ionisieren oder auf andere Weise zu aktivieren. Da die Partikeln von Elektronen oder Ionen getroffen werden, können sie an den Reaktionen teilnehmen, wie sie auch imstande sind, Gase zu ab- oder adsorbieren. Durch den Fluß des elektrischen Stromes durch die Partikeln kann auch eine Elektrolyse ausgelöst werden.
• Die hierdurch gebildeten Erzeugnisse, und zwar entweder Ionen, die unmittelbar aus den Partikeln vontdem elektrischen Feld ausgeschleudert werden, - oder Atome oder Molekühle sind, können dann mit der Luftmischung reagieren. Die eine Seite jeder Partikel wirkt dann als Anode, die andere als Kathode. Werden die Partikeln mit hoher Geschwindigkeit aus einem Rohr geschleudert, läßt sich eine Injektorwirkung erreichen, so daß der Raum um die Partikelbahnen und insbesondere hinter den Partikeln evakuiert wird, wodurch sich die mittlere Weglänge der Ionen erhöht.
• Um elektrische Energie zu sparen, können die Stoffe, die nach der oder durch die Entladung geleitet werden, vorgewärmt sein.
• Die Partikeln können auch zwischen zwei Elektroden eingeschleudert werden, die z. B. gelocht sind, wobei Luft durch sie und somit quer zu den Partikelbahnen und quer zum Felde geführt werden kann.
• Durch solche Anordnungen wird eine neue Kühlwirkung, eine höhere Nutzwirkung der Energie der Entladungen und ein kombinierter elektrolytisch- und entladungsfördernder Vorgang erreicht.
• Als Beispiel seien erwähnt, daß wässerige Partikeln und Sauerstoff imstande sind, Wasserstoffsuperoxyd zu ergeben, und daß der Stickstoff und der Sauerstoff der Luft sich mit Wasser vereinigen, wenn die Partikeln aus einem Elektrolyt bestehen, der gegebenenfalls von Metallpartikeln, Graphit oder leitenden Oxyd-, Sulfid- oder Carbidpartikeln adsorbiert ist. Es bilden sich dann Ammoniumnitrat und -nitrit.
• Beim Oxydieren von Schwefeltdioxyd können die Partikeln z. B. aus konzentri,erter Schwefelsäure bestehen oder sie können katalytisch aktiv sein.
• Durch Einschalten eines elektrischen Schwingungskreises parallel zu den Entladungen entstehen elektrische Schwingungen.
• Durch Einschalten von Selbstinduktionen kann eine Gleichrichterwirkung erreicht werden, und wenn der Vorgang in einem Magnetfeld erfolgt, kann die Wirkung der Entladungen erhöht werden.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zur Durchführung chemischer Umsetzungen zwischen Gasen oder zwischen festen oder flüssigen Stoffen und Gasen im elektrischen Feld, dadurch gekennzeichnet, daß feste oder flüssige Hilfspartikeln oder zu behandelnde Partikeln quer zur Strömungsrichtung der zu behandelnden Gase oder Dispersionen von einer zur anderen Elektrode mit möglichst hoher Geschwindigkeit geschleudert werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikeln von einer als ortsfester Zerstäuber ausgehildeuten Elektrode ausgeschleudert werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikeln von einer als rotierender Zerstäuber ausgebildeten Elektrode gegen eine sie ringförmig umgebende Gegenelektrode geschleudert werden.