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Procédé de fabrication de l'eau oxygénée au moyen de décharges électriques
On sait que lorsque des décharges électriques se produisent dans les mélanges d'hydrogène et d'oxygène, il se forme de l'eau oxygénée. En général, on opère dans ce cas arec des gaz socs et \ basse température.
L'inventeur a recherché si l'addition de vapeur d'eau au mélange gazeux et l'application simultanée de températures plus élevées n'améliorent pas le rendement en eau oxygénée, Cependant, il a déjà été proposé par ailleurs,, dans un brevet anglais, de fabriquer les gaz hydrogène et oxygène par un procédé électrolytique, ces gaz pénétrent alors dans la chambre des déchargea électriques obligatoirement chargés d'humi-
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dite* Mais, dans ce procédé, la présence d'humidité est purement accidentelle et la teneur en vapeur d'eau par mètre cube ne représente que de faibles traces de sorte que l'influence favorable de l'humidité n'a pas encore été découverte jusqu'à présent.
Les recherches faites par l'inventeur ont permis de constater que c'est seulement à partir de 50 gr. au moins de vapeur d'eau par m3 qu'on exerce une influence appréciable sur le rendement en eau oxygénée et que les autres conditions, par exemple la tem¯ pérature des gaz, ont également une très grande importance et que c'est d'elles que dépend l'amélioration ou la diminution du rendement par l'addition de vapeur d'eau. Quand ces autres conditions sont choisies d'une manière erronée, il ne se produit pas d'influence sous l'action de la vapeur d'eau, ou il se produit même, dans certaines circonstances, une diminution de rendement.
Sur les dessins joints :
La fig. 1 représente une élévation schématique d'un dispositif utilisé pour la mise en oeuvre du procédé conforme IL la présente invention.
La fig. 2 est un diagramme du rendement horaire en eau oxygénée pour des températures croissantes des gaz et une température de* saturation constante.
La fig. 3 est un diagramme du rendement en eau oxygénée pour des températures de saturation croissantes et une température constante pour les gaz.
La fige 4. représente la consommation d'énergie électrique pour des températures croissantes des gaz,
La fige 5 représente la consommation d'énergie électrique pour une température de saturation croissante.
La fig. 6 est un diagramme de la variation du rendement de l'énergie pour une température variable des gaz et une température de saturation constante.
La fige. 7 est un diagramme de la variation du rendement
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de l'énergie pour une température de saturation variable ce) une température constante pour les gaz.
Dans un appareil, on a formé 0,098 gr. d'eau oxygénée à l'heure dans des gaz secs, et 0,21? gr. d'eau oxygénée à l'heure dans des gaz contenant 20 % d'humidité. La puissance électrique est même légèrement réduite par l'humidité, de sorte que l'influence sur le rendement de l'énergie (c'est à dire le quotient de la production en eau oxygénée par l'énergie introduite) est encore supérieure à ce qu'indiquent les chiffres* A titre d'autre exemple, on a joint la fig. 3 qui montre l'influence de la quantité d'humidité (définie par la température de saturation sur la production d'eau oxygénée, sur la puissance électrique (fig. 5) et sur le rendement de l'énergie (fig. 7) pour une température TM moyenne et constante pour les gaz qui se trouvent dans la chambre de décharge.
On voit qu'il faut régler \ une valeur déterminée la quantité de vapeur d'eau par M, sinon il peut, dans certaines circonstances, se produire même una diminution du rendement par la vapeur d'eau. D' autra part, pour obtenir des conditions favorables, il faut régler à des valeurs déterminées, correspondant 1 l'humidité, la température moyenne TM des gaz dans la chambre de réaction,par la présence de l'humidité, il est déjà nécessaire il est vrai que TM ne soit pas sensiblement inférieur à TS,sinon il se produit des condensations sur les pigées isolantes de l'appareillage électrique et par conséquent un court-circuit ou pour le moine de fortes pertes de puissance électrique.
Pour éviter ce phénomène, il suffirait de donner à TM une valeur légèrement supérieure 1 TS. Les fig. 2, 4 et 6 jointes à titre d'exemples montrent cependant que, dans les conditions optima, il faut donner à la température moyenne 11 des gaz une valeur sensiblement supérieure à TS. La valeur optimua du rapport de ces températures est basée sur une loi physique nouvelle et importante, Il est vrai qu'on a déjà pro-
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posé d'opérer dans la chambre de décharge à des températures auxquelles on évite une condensation des produits de réas.. tion sur les parois de la chambre de décharge, ce qui peut paraître souhaitable quand les Tapeurs d'eau oxygénée et d'eau ordinaire formées sont fortement concentrées.
Il suf fit pour cela de températures relativement basses, car il n'est pas admissible, en vue du rendement élevé de l'éner- gie, de faire pénétrer dans la chambre de décharge des va- peurs d'eau oxygénée à forte concentration. Lorsque les va- peurs d'eau oxygénée qui se trouvent dans la chambre de dé- charge sont fortement concentrées, il se produit en effet une destruction partielle, par la décharge électrique, de l'eau pxygénée formée. Du point de vue de la suppression de la condensation des produits de réaction formés, on ne trouve pas, d'autre part, de température optimum, il suffit au contraire cet égard d'opérer à une température supé- rieure la température de saturation.
D'après les faits constatés par l'inventeur, la température moyenne des appa- reils est, au contraire, réglée en se basant sur d'autres considérations, en vue précisément d'obtenir le rapport op- timum entre TM et TS. La valeur optimum de la température se trouTe très sensiblement au-dessus de la température de saturation des mélangea de gaz et de vapeur, de sorte que ces mélanges sont fortement surchauffés. D'après les recher- ches de l'inventeur, la température TM des gaz doit avoir une valeur déterminée pour chaque teneur en humidité si le rendement doit être optimum. D'après ces recherches, la valeur optimum de TS est en général toujours supérieure 402 C et celle de TM supérieure à 50 C.
La position exacte de la valeur optimum peut être déterminée dans chaque cas par tâtonnements et elle dépend en particulier de l'impor- tance attribuée soit au rendement maximum de l'énergie, soit la production maximum en eau oxygénée d'une unité déter- minée*
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Lorsqu'on a réglé TS et TM de telle sorte que ces conditions optima soient réalisées, il en résulte d'autres a- vantages dans la mise en courre pratique du procédé de fa,. brication de l'eau oxygénée au moyen de décharges électriques.
Comme, selon ce qui a déjà été dit ci-dessus, une concentration relativement élevée de la vapeur d'eau oxygénée dans la chambre de réaction n'est pas souhaitable et que, pour des raisons d'utilisation pratiques, on désire d'autre part obtenir une solution d'eau oxygénée à pourcentage aussi élevé que possible, il faudrait transformer ultérieurement dans un appareil de distillation ou de rectification en une solution à pourcentage plus élevé le produit de condensation à faible pourcentage, obtenu par exemple par refroidissement des gaz de réaction, ce qui exigerait l'apport d'énergie sous forme de chaleur, Mais comme le montrent les courbes cijointes, les gaz sont fortement surchauffés dans les conditions optima,
c'est à dire qu'ils peuvent abandonner des quantités de chaleur considérables après avoir quitté la zone de réaction, Ces quantités de chaleur peuvent, selon la présente invention, être utilisées pour le fonctionnement d'une colonne de distillation, de sorte qu'on obtient des solutions fortement concentrées d'eau oxygénée sans apport nouveau d'énergie. Sur la fig, 1 ei-jointe, après avoir abandonné la mne de réaction électrique constituée d'une manière quelconque, les gaz de réaction passent dans un surchauffeur qui constitue selon la description ci-après une autre partie essentielle de l'objet de la présente invention, puis ils pénètrent d par le bas dans la colonne.
Cette co- lonne est constituée d'une manière connue en soi et est munie par exemple soit de différents fonds, soit d'un remplis.. sage d'anneaux Raschig. Dans la partie supérieure, les gaz sont refroidis, par exemple au moyen d'un système tubulaire parcouru par de l'eau de refroidissement. Quand les dimensions de la colonne et les constantes de refroidissement sont con-
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venablement choisies, on obtient qu'à la partie inférieure il sorte de la colonne et d'une manière continue de l'eau oxygénée à forte concentration ( par exemple à 30 %), tandis que la concentration des vapeurs d'eau oxygénée dans les gaz de réaction entrant dans la colonne est très faible (0,5 %).
Quand les dimensions de la colonne et du condenseur sont convenablement calculées, on peut obtenir que le mélange de gaz et de Tapeur abandonne la colonne à son sommet sans la moindre trace d'eau oxygénée. Le procédé le plus avantageux consiste alors en général à refroidir les gaz dans le condenseur de façon qu'ils aient le degré d'humidité le plus favorable pour la réaction, c'est à dire jusqu'à la température de saturation T@. Dans des cas particuliers, on peut également refroidir les gaz davantage et compléter ultérieurement l'humidité manquante par l'injection ou l'introduction de vapeur d'eau@ Cette façon de procéder serait particulièrement recommandable s'il était impossible, pour des raisons d'encombrement par exemple,
d'augmenter à volon- té la hauteur de la colonne et qu'il soit nécessaire, pour cette raison, d'obtenir un puissant effet de colonne dans un espace réduit, ce qui se produit d'autant plus tôt, selon des lois connues, que la différence de température entre les gaz entrants et sortants est plus grande. Le procédé le plus avantageux consiste alors, en général, à ramener le mélange de gaz qui quitte la colonne en circuit fermé dans la zona de réaction électrique, par exemple au moyen d'un ventilateur, après que les gaz consommés dans la réaction auront été complètés par l'introduction d'hydrogène et d'oxygène.
Si. l'on n'utilise pas un dispositif spécial, les gaz de réaetion pénétreraient de cette façon dans la chambre de décharge à la température TS, ou à une tempérauture encore inférieure par suite de l'abandon de chaleur à l'air extérieur. Mais comme pour des raisons de rendement de l'énergie, une température élevée déterminée est désirable, selon ce qui
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a été dit ci-dessus, on peut soit chauffer les gaz par l'ex- térieur avant qu'ils pénètrent dans la chambre de réaction, soit au contraire procéder comme il est indiqué à titre d'exem.. ple sur la fig, 1 ;
d'après cette figure, les gaz passent par un surchauffeur, par exemple a par un système tubulaire dans lequel passent '4 l'intérieur les gaz chauds, fortement surchauffés, qui quittent la zone de réaction, et à l'exté- rieur les gaz plus froids (à la température TS). Par ce moyen, les courants gazsux échangent partiellement leur cha- leur, En calculant convenablement se surchauffeur, on peut obtenir que les gaz qui se trouvent à la température TS soient réchauffés jusqu'à la température la plus favorable pour le rendement de l'énergie.
On obtient par ce procédé en circuit fermé qui vient d'être décrit, que la chaleur formée par ionisation et moli- sation consécutive ou par échauffement direct durant la dé- charge électrique, ainsi que la chaleur de formation chimi- que libérée par la combinaison de l'hydrogène et de l'oxygène, soient entièrement utilisées de telle sorte qu'un apport su- périeur de chaleur ne soit pas nécessaire. La totalité de la puissance ou énergie électrique, augmentée de la chaleur de formation chimique, est évacuée par l'eau de refroidissement de la colonne quand l'isolement calorifique est bon. L'eau chaude obtenue par se moyen peut être réutilisée pour diffé- rentes applications.
Sur le dessin joint, la chambre de réaction est désignée par 10, le surchauffeur par 11 et la colonne de refroidisse, ment par 12. L'hydrogène et l'oxygène sont amenés par les conduites 13 et 14 et se mélangent aux gaz traités antérieu- rement dans la conduite de retour 15, les quantités de l'hy- drogène et de l'oxygène ajoutés étant réglées par la composi- tion des gaz qui se trouvent dans la conduite de retour 15.Le mélange est introduit par le ventilateur 16 dans la chambre de réaction a 10. Avant l'entrée des gaz de réaction dans
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la chambre 10, on obtient le degré d'humidité qui est nécessaire pour obtenir le degré de saturation maximum désiré, par l'addition de vapeur ou d'eau par le tube d'injection 17.
Après avoir passé par la chambre de réaetion et après avoir été soumis \ la décharge électrique pour obtenir l'ionisation des gaz et la combinaison de leurs molécules pour former de l'eau oxygénée, le mélange passe dans le surehauffeur 11 dans lequel une certaine quantité de chaleur est transmise, dans la conduite de retour, aux gaz traités au préalable dans la chambre de réaction. A la sortie du sur¯ chauffeur 11, le mélange gazeux partiellement refroidi et contenant de l'eau oxygénée, de l'eau, de l'hydrogène et de l'oxygène, pénètre dans la colonne de refroidissement 12 dans laquelle l'eau oxygénée du mélange est condensée arec un peu d'eau* Le produit de condensation s'écoule par la sonduite 18.
Les gaz passent à travers les plateaux 19 ou d'autres dispositifs et par le serpentin de refroidissement 200 Les gaz non condensés s'écoulent du sommet de la colonne de refroidissement par la conduite 21vers le surchauffeur 11 et recommencent leur circuit.
Mans l'application pratique et suivent.les conditions par... ticulières, on peut combiner les revendications suivantes d'une manière quelconque ou en supprimer.
Revendications.
1 / Procédé de fabrieation de l'eau oxygénée au moyen de décharges électriques dans des mélanges d'hydrogène et d'oxygène, caractérisé par le fait qu'on ajoute au gaz de réaction de la vapeur d'eau ayant une température de saturation supérieure à 40 c.
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Process for manufacturing hydrogen peroxide by means of electric discharges
It is known that when electrical discharges occur in mixtures of hydrogen and oxygen, hydrogen peroxide is formed. In general, in this case, the operation is carried out with coulter gases and low temperature.
The inventor investigated whether the addition of water vapor to the gas mixture and the simultaneous application of higher temperatures do not improve the yield of hydrogen peroxide. However, it has already been proposed elsewhere, in a patent English, to manufacture hydrogen and oxygen gases by an electrolytic process, these gases then enter the chamber of electric discharges necessarily charged with humidity.
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said * But, in this process, the presence of humidity is purely accidental and the water vapor content per cubic meter represents only small traces, so that the favorable influence of humidity has not yet been discovery so far.
Research carried out by the inventor has shown that it is only from 50 gr. at least water vapor per m3 that there is an appreciable influence on the yield of hydrogen peroxide and that the other conditions, for example the temperature of the gases, are also of very great importance and that this is of they depend on the improvement or reduction of the yield by the addition of water vapor. When these other conditions are chosen in an erroneous manner, there is no influence under the action of water vapor, or there even occurs, under certain circumstances, a decrease in yield.
On the attached drawings:
Fig. 1 shows a schematic elevation of a device used for carrying out the method according to the present invention.
Fig. 2 is a diagram of the hourly yield of hydrogen peroxide for increasing gas temperatures and constant saturation temperature.
Fig. 3 is a diagram of the yield of hydrogen peroxide for increasing saturation temperatures and a constant temperature for the gases.
Fig.4 represents the consumption of electrical energy for increasing gas temperatures,
Fig. 5 represents the consumption of electrical energy for an increasing saturation temperature.
Fig. 6 is a diagram of the variation in energy efficiency for a variable gas temperature and a constant saturation temperature.
The freeze. 7 is a diagram of the variation of the yield
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energy for a variable saturation temperature ce) a constant temperature for gases.
In an apparatus, 0.098 g was formed. of hydrogen per hour in dry gases, and 0.21? gr. hydrogen peroxide per hour in gases containing 20% humidity. The electric power is even slightly reduced by humidity, so that the influence on the energy yield (i.e. the quotient of the production of hydrogen peroxide by the energy introduced) is even greater than this. indicated by the figures * As another example, fig. 3 which shows the influence of the quantity of humidity (defined by the saturation temperature on the production of hydrogen peroxide, on the electrical power (fig. 5) and on the energy yield (fig. 7) for an average and constant temperature TM for the gases which are in the discharge chamber.
It will be seen that the quantity of water vapor per M must be set to a determined value, otherwise there may, under certain circumstances, even a decrease in the yield per water vapor. On the other hand, to obtain favorable conditions, it is necessary to adjust to determined values, corresponding to the humidity, the average temperature TM of the gases in the reaction chamber, by the presence of humidity, it is already necessary. It is true that TM is not appreciably lower than TS, otherwise there occurs condensations on the insulating plugs of the electrical equipment and consequently a short-circuit or for the monk of strong losses of electrical power.
To avoid this phenomenon, it would suffice to give TM a value slightly greater than 1 TS. Figs. 2, 4 and 6 appended by way of examples show, however, that, under optimum conditions, the mean temperature 11 of the gases must be given a value appreciably greater than TS. The optimum value of the ratio of these temperatures is based on a new and important physical law. It is true that we have already pro-
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allowed to operate in the discharge chamber at temperatures which avoid condensation of the reaction products on the walls of the discharge chamber, which may appear desirable when the hydrogen peroxide and ordinary water mixers formed are highly concentrated.
Relatively low temperatures are sufficient for this, since it is not permissible, in view of the high energy efficiency, to allow high concentration hydrogen peroxide vapors to enter the discharge chamber. When the oxygenated water vapors which are in the discharge chamber are highly concentrated, there is in fact a partial destruction, by the electric discharge, of the oxygenated water formed. From the point of view of the elimination of condensation of the reaction products formed, on the other hand, an optimum temperature is not found; on the contrary, it is sufficient in this respect to operate at a temperature above the saturation temperature.
According to the facts observed by the inventor, the average temperature of the apparatus is, on the contrary, regulated on the basis of other considerations, precisely with a view to obtaining the optimum ratio between TM and TS. The optimum value of the temperature is very substantially above the saturation temperature of the gas and vapor mixtures, so that these mixtures are greatly superheated. According to the research of the inventor, the temperature TM of the gases must have a determined value for each moisture content if the efficiency is to be optimum. According to this research, the optimum value of TS is generally always greater than 402 C and that of TM greater than 50 C.
The exact position of the optimum value can be determined in each case by trial and error and it depends in particular on the importance attributed either to the maximum energy yield or to the maximum production of hydrogen peroxide of a given unit. *
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When TS and TM have been set so that these optimum conditions are achieved, further advantages result in the practical implementation of the fa process. brication of hydrogen peroxide by means of electric discharges.
As, according to what has already been said above, a relatively high concentration of hydrogen peroxide in the reaction chamber is not desirable and, for practical reasons of use, other In order to obtain a solution of hydrogen peroxide at as high a percentage as possible, it would be necessary to transform subsequently in a distillation or rectification apparatus into a higher percentage solution the product of low percentage condensation, obtained for example by cooling the gases of reaction, which would require the input of energy in the form of heat, But as shown by the attached curves, the gases are highly superheated under optimum conditions,
that is, they can give up considerable amounts of heat after leaving the reaction zone. These amounts of heat can, according to the present invention, be used for the operation of a distillation column, so that highly concentrated solutions of hydrogen peroxide are obtained without new energy input. In fig, 1 attached, after having abandoned the electrical reaction method constituted in any way, the reaction gases pass into a superheater which constitutes according to the following description another essential part of the object of the present invention, then they enter the column from below.
This column is formed in a manner known per se and is provided, for example, either with different bases or with a filling of Raschig rings. In the upper part, the gases are cooled, for example by means of a tubular system traversed by cooling water. When the column dimensions and the cooling constants are con-
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venably chosen, we obtain that at the lower part it leaves the column and in a continuous manner hydrogen peroxide at high concentration (for example at 30%), while the concentration of hydrogen peroxide in the reaction gas entering the column is very low (0.5%).
When the dimensions of the column and the condenser are properly calculated, it is possible to obtain that the mixture of gas and Tapeur leaves the column at its top without the slightest trace of hydrogen peroxide. The most advantageous process then generally consists in cooling the gases in the condenser so that they have the most favorable degree of humidity for the reaction, that is to say up to the saturation temperature T @. In special cases, it is also possible to cool the gases further and subsequently supplement the missing humidity by injecting or introducing steam. @ This procedure would be particularly advisable if it were not possible, for reasons of 'congestion for example,
increase at will the height of the column and that it is necessary, for this reason, to obtain a powerful column effect in a reduced space, which occurs all the earlier, according to known laws , that the temperature difference between the incoming and outgoing gases is greater. The most advantageous process then consists, in general, in returning the gas mixture which leaves the column in a closed circuit to the electrical reaction zone, for example by means of a fan, after the gases consumed in the reaction have been completed by the introduction of hydrogen and oxygen.
If a special device is not used, the reaction gases would in this way enter the discharge chamber at the temperature TS, or at an even lower temperature as a result of leaving heat to the outside air. . But as for reasons of energy efficiency, a certain elevated temperature is desirable, depending on what
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has been said above, the gases can either be heated from the outside before they enter the reaction chamber, or, on the contrary, proceed as indicated by way of example in FIG. 1;
according to this figure, the gases pass through a superheater, for example through a tubular system in which the hot, highly superheated gases which leave the reaction zone pass internally, and the hot gases outside the reaction zone. colder gases (at temperature TS). By this means, the gas streams partially exchange their heat. By suitably calculating the superheater, it is possible to obtain that the gases which are at the temperature TS are reheated to the most favorable temperature for the energy yield. .
By this closed-circuit process which has just been described, we obtain that the heat formed by ionization and subsequent moli- zation or by direct heating during the electrical discharge, as well as the heat of chemical formation released by the combination hydrogen and oxygen, are fully utilized so that no additional heat is required. All of the electrical power or energy, plus the heat of chemical formation, is removed by the column cooling water when the heat insulation is good. The hot water obtained by this means can be reused for different applications.
In the accompanying drawing, the reaction chamber is designated by 10, the superheater by 11 and the cooling column by 12. The hydrogen and oxygen are supplied through lines 13 and 14 and are mixed with the gases treated previously. - also in the return line 15, the quantities of added hydrogen and oxygen being regulated by the composition of the gases which are in the return line 15. The mixture is introduced by the fan 16 in the reaction chamber a 10. Before the entry of the reaction gases into
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the chamber 10, one obtains the degree of humidity which is necessary to obtain the desired maximum degree of saturation, by the addition of steam or water through the injection tube 17.
After passing through the reaction chamber and after having been subjected to the electric discharge to obtain the ionization of the gases and the combination of their molecules to form hydrogen peroxide, the mixture passes into the superheater 11 in which a certain quantity heat is transferred in the return line to the gases previously treated in the reaction chamber. At the outlet of the super-heater 11, the partially cooled gas mixture containing hydrogen peroxide, water, hydrogen and oxygen, enters the cooling column 12 in which the hydrogen peroxide of the mixture is condensed with a little water * The product of condensation flows through line 18.
The gases pass through the trays 19 or other devices and through the cooling coil 200. The uncondensed gases flow from the top of the cooling column through the pipe 21 to the superheater 11 and start their circuit again.
With the practical application and according to the particular conditions, the following claims may be combined in any way or deleted.
Claims.
1 / Process for the production of hydrogen peroxide by means of electric discharges in mixtures of hydrogen and oxygen, characterized in that water vapor having a higher saturation temperature is added to the reaction gas at 40 c.