CH127519A - Verfahren und Apparat zur Herstellung von Ammoniak aus stickstoffhaltigen Gasen und elektrolytisch entwickeltem Wasserstoff. - Google Patents

Description

  Verfahren und Apparat zur Herstellung von Ammoniak aus     stiekstoifhaltigen    Gasen  und     elektrolytisch        entwickeltem        Wasserstoff.       Bei den bis jetzt bekannten Ammoniak  synthesen, entweder     unmittelbar    aus Stick  stoff und Wasserstoff oder über     Nitride     oder     Cyanamide,    ist teils starker Druck oder  hohe Wärme, oder beides zusammen notwen  dig. Dadurch werden ausserordentlich hohe  Anforderungen an die Apparatur gestellt.

    Es sind grosse Energiemengen zur Erzeugung  von Ammoniak erforderlich; auch können  die zur     Ammoniaksynthese        nötigen    Gase,  wie Stickstoff und Wasserstoff, nur im Zu  stande grosser Reinheit verwendet werden.  



  Das Verfahren der vorliegenden Erfin  dung zur Herstellung von Ammoniak ist  dadurch gekennzeichnet, dass stickstoff  haltige Gase, wie atmosphärische Luft, mit  aus wässerigen Lösungen     kathodisch        eut-          wickeltem    Wasserstoff im     Bildungszustande     vereinigt werden, indem die Gase an der den  Wasserstoff entwickelnden Kathode einer  elektrolytischen Zelle vorbeigeleitet werden.  



  Um die Ausbeute zu erhöhen, ist es vor  teilhaft, den     Stickstoff    in möglichst feiner  Verteilung an den Kathoden vorbeizu  führen. ;-    Der     Elektrodenflüssigkeit        können    zur  Erhöhung der Leitfähigkeit Säuren, Basen  oder Salze,- oder auch andere Substanzen  zum Zwecke der     Ausbeuteerhöhung    durch  Katalyse beigegeben werden.  



  Die Erfindung soll anhand der zu ihrer       Verwirklichung    angewandten Apparate er  läutert werden. Der zuerst für die Her  stellung von Ammoniak verwendete Apparat  ist dargestellt in     Fig.    1.  



  A ist eine mit Leitungswasser     besclückte          Messröhre    mit zwei kleinen Drahtelektroden  1 und 2, einem Lufthahn 3 und einem  obern     Rohranschlussstutzen    4. C ist eine  Gleichstromquelle, im vorliegenden Falle die  kleine Batterie     einer        Pyrometeranlage,    mit  nur geringer     Entladestromstärke.    D ist eine  mit Normalsäure beschickte Waschflasche  und B ein an die Wasserleitung angeschlos  sener     Strahlapparat.    Das ganze System ist       mittelst    Rohrleitung so miteinander ver  bunden, dass es von dem     Strahlapparate    un  ter Vakuum gesetzt werden kann.

   Beim  Versuch wurde     nun    der Lufthahn 3 so weit  geöffnet, dass ein stetiger absoluter Druck      von 20 mm Quecksilbersäule aufrecht erhal  ten werden konnte. Die durch den Hahn 3  eintretende Luft strich mit der dem hohen  Druckgefälle entsprechenden grossen Ge  schwindigkeit durch den Elektrolyten an  den Elektroden vorbei und musste auf ihrem  Wege zum Saugstutzen des     Strahlapparates     die vorgelegte Säure durchstreichen. Nach  einer Versuchsdauer von 20     lflinuten    wurde  der Säuregehalt bestimmt und ein Ammoniak  gewinn von 0,0187     gr    festgestellt.

   Diese       Ammoniakmenge    entspricht einer Wasser  stoffmenge von 0,0033     gr,    und diese erfor  dert zu ihrer Erzeugung durch Elektrolyse  eine Stromstärke von 0,27 Ampere. Berück  sichtigt man, dass der Wirkungsgrad dieser  höchst einfachen Apparatur nicht gross sein  konnte, so ist das Mengenergebnis als durch  aus befriedigend zu betrachten.  



  Eine weitere Ausführungsform dieser  Apparatur ist in     Fig.    2 dargestellt. Wasser  stoff und Sauerstoff sollten, soweit wie das  eben möglich war, voneinander getrennt ge  halten werden. Ferner sollte der Elektrolyt  immer wieder durch die Apparatur gepumpt  werden, den entstehenden Ammoniak auf  nehmen und sich so anreichern. In     gewis-.     sen Zeitabschnitten sollten, ohne den Ver  such unterbrechen zu müssen, Proben ent  nommen und der Fortgang des Verfahrens  überwacht werden.

   Während also beim Ver  such nach Anordnung     Fig.    1 der Elektrolyt       ruht,    die Luft an den Elektroden vorbei  streicht und die     Zersetzungserzeugnisse    fort  spült, ist nach     Fig.    2 der Elektrolyt in be  ständigem Fluss und reisst die Zersetzungs  erzeugnisse mit sich fort. Zwischen die bei  den Elektroden 3 und 4 ist ein     Diaphragma    5  gesetzt, um Wasserstoff und Sauerstoff  getrennt halten zu können.

   Der     Elektrolyt     wurde mit einer schwingenden     Drehkolben-          pumpe        Dumgepumpt    und der Düse 2 eines       Strahlapparates    C zugeführt, während durch  den Abzweig 1 Luft in den     Strahlapparat    C  eingesaugt wurde. Als Stromquelle diente  eine Gleichstrommaschine für 10 Ampere  Leistung. Der Arbeitsvorgang ist der fol  gende; Der     Elektrolyt    fliesst in der durch         -Pfeile    angedeuteten Richtung durch die  Zelle.

   Er strömt durch die Kathode 3 ab  wärts, verteilt sich auf die Ringräume zwi  schen den Elektroden 3 und 4 und     dein    Dia  phragma 5, wird im Gefässe E aufgefangen,  aus diesem von der Pumpe D entnommen  und von neuem der Düse 2 des     Strahlappa-          rates    C zugeführt.  



  Es zeigte sich nun, dass sich im End  erzeugnis nicht allein Ammoniak, sondern  auch Salpetersäure befand und dass die Be  schaffenheit des Elektrolyten und das Ver  hältnis der     Elektrodenflächen    zueinander  die Anteile an Ammoniak und Salpetersäure  beeinflusst. Trotz     Diaphragma    wurde der  erzeugte Sauerstoff wirksam, was auch er  klärlich ist, da beide Räume, der Wasser  stoff- und der, Sauerstoffraum, von dem glei  chen Elektrolyten durchströmt wurden.  Trotz oben offener Zelle verblieb ein Teil  des Sauerstoffes in Elektrolyten und trat in  die Reaktion ein.  



  Es ist zweckmässig, den Elektrolyten  mit einer ununterbrochen arbeitenden     Pumpe     umzupumpen und die einzelnen Teile der  Apparatur aus Stoffen herzustellen, die bei  den jeweiligen Arbeitsvorgängen nicht an  gegriffen werden. Für den Vorgang kann  man jede elektrolytische Zelle verwenden,  bei der das Gas oder der Elektrolyt an den  Elektroden     vorbeistreichen.    Ausser der in       Fig.    2 dargestellten Zelle mit konzentrisch  angeordneten Ringelektroden eignet sich  auch die in der Ausführungsform nach     Fig.     3 und 4 dargestellte Zelle mit     plattenförmi-          gen    Elektroden     1.,    2, 3, 4 usw.,

   die parallel  und isoliert in einen viereckigen Trog ein  gebaut sind, entweder mit oder ohne Dia  phragmen 6. 1 ist die Anode und 5 ist  die Kathode. Die einzelnen Kammern sind  also auch hier hintereinander geschaltet und  gestatten die Anwendung hoher Maschinen  spannungen. Der Elektrolyt wird so ge  führt, dass er in jeder Kammer von unten  nach oben und gleichzeitig von links nach  rechts strömt, also bei. seinem Wege durch  die Zelle immer wieder gründlich und           dauernd    durchmischt     wird.    Dies wird fol  gendermassen erreicht: die erste Kammer,  in die der Elektrolyt durch den Stutzen 8  unten eintritt, hat oben in der dem Eintritte  gegenüberliegenden Kastenwand eine Öff  nung 10, und die zweite Kammer unten eine  Öffnung 11. Beide sind durch einen Kanal  12 miteinander verbunden.

   Die zweite und  die dritte Kammer haben die Öffnungen  1,0 und 11 und den Kanal 13 auf der ent  gegengesetzten Seite, und so fort. Der Elek  trolyt verlässt also die Kammern oben und  tritt unten in die nächste Kammer ein, wird  aber zugleich auch hin- und     hergefübrt.     Bei 9 verlässt er oben die letzte Kammer.  Ordnet man     Diaphragmen    an, um die Zer  setzungserzeugnisse getrennt zu halten,  dann kann man die Kathoden oben mit Gas  fängen 14 ausrüsten, die durch die Röhr  chen 15 Verbindung mit dem Sammelrohre  16 haben. Dieses     .Sammelrohr    16 hat einen  Stutzen 17, der durch den Deckel 18 geht  und die Zersetzungserzeugnisse abführt.  Die an den Anoden abgeschiedenen Sub  stanzen sammeln sich unter dem Deckel 18  und werden durch den Stutzen 19 abge  führt.  



  Man kann auch fremde     Stoffe    an die  Elektroden heranbringen, die in der Zelle  genau so wirksam werden können wie der  Sauerstoff bei dem früher beschriebenen  Versuche, und ebenso kann man einen Elek  trolyten verwenden, der mit dem erzeugten  Ammoniak in Reaktion tritt,  Eine kräftige     Durchmischung    des Elek  trolyten ist von Vorteil, ebenso eine dem  Vorgang zuträgliche Wärmeregelung. Mittel  hierzu sind einerseits eingebaute Wider  stände,     Ziekzackwege        u.sw.,    anderseits ein  gebaute     Wärmeaustausclier.     



  Es hat sich gezeigt, dass sich die Er  gebnisse vorteilhaft änderten, wenn man die  in der Apparatur ungleich grossen Elektroden  oberflächen     umklemmt,    also die Kathode  zur Anode macht, und umgekehrt. Das Grö  ssenverhältnis der     Elektrodenoberflächen    zu  einander spielt also eine wichtige Rolle.    Die vorhin erwähnte Anreicherung  braucht nicht in derselben Zelle durch Um  pumpen des Elektrolyten zu erfolgen. Es  können vielmehr beliebig viele Zellen hinter  einander geschaltet werden, derart,     dass    die  folgende das Erzeugnis der vorhergehenden  erhält, bis das gewünschte Enderzeugnis er  reicht ist. Diese Arbeitsweise hat den Vor  zug, dass man     ununterbrochen    arbeiten kann.  



  Der in     Fig.    5 dargestellte     Strahlapparat     ist -ein. ausserordentlich brauchbares Mittel,  um die zur Durchführung der Reaktionen  nötigen chemischen Elemente, Verbindungen  oder Mischungen in der Apparatur zu ver  einigen. Denselben Zweck erreicht man aller  dings auch mit kreisenden Luftpumpen,  etwa nach der Bauart     Westinghouse-Leblanc,     oder mit andern in der Praxis bewährten  Mischern. Von allen ist der     Strahlapparat     aber der einfachste. Er ist Sauger, Mischer  und Verdichter zugleich. Er lässt sich sogar  in einfacher Weise als elektrolytische Zelle  ausbilden, wie das aus     Fig.    5 ersichtlich ist.

    Die Anode besteht aus zwei Teilen, der Düse  1 und dem     Strahlzerteiler    z. Beide sind  durch isolierende Scheiben 3, vom Gehäuse 4,  das Kathode ist, getrennt. Der Gedanke,  einen Mischapparat zugleich als elektroly  tische Zelle auszubilden, ist neu. Inwieweit  er sich bei andern Mischern durchführen lässt,  hängt von ihrer Bauart ab.  



  Durch das neue     Verfahren    werden die  eingangs erwähnten Übelstände vermieden  und die Vereinigung von Stickstoff und  Wasserstoff auf wesentlich einfachere Art  und Weise erreicht. Es arbeitet mit niederen  Wärmegraden und Drücken. Die dabei     ver-.     wendeten Apparate sind denkbar einfachster  Bauart und besitzen sämtlich, mit Aus  nahme der Pumpen, keine beweglichen und  dem Verschleisse unterworfenen Teile. Die,  für die Vorgänge unumgänglich nötigen       .Substanzen    werden nur in errechneten Men  gen zusammengeführt, in diesen Mengen  den günstigsten Reaktionsbedingungen un  terworfen und bis zum Ausfluss aus der  Apparatur zusammengehalten.

   Alles dies  geschieht in ununterbrochenem     Flusse,    Die      Einfachheit der Apparatur gestattet auch,  reaktionsbefördernde Mittel beliebig zu ver  wenden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I: Verfahren zur Herstellung von Ammo niak aus stickstoffhaltigen Gasen und elek trolytisch entwickeltem Wasserstoff, da durch gekennzeichnet, dass die Gase an der den Wasserstoff entwickelnden Kathode einer elektrolytischen Zelle vorbeigeleitet werden, so dass sie sich mit dem kathodisch entwickelten Wasserstoff im Bildungszu- stande vereinigen. UNTERANSPRüCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass dem Elek trolyten eine Strömung erteilt wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass dem Elek trolyten eine die Leitfähigkeit erhöhende Substanz beigegeben wird. 3.

   Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass dem Elek trolyten eine katalytisch wirkende Sub stanz beigegeben wird. 4. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass dem Elek trolyten Gase beigemischt werden. 5. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass die Gase mit der Flüssigkeit unter Minderdruck in einem Mischer zusammengebracht, ver dichtet lind der Zelle zugeführt werden. 6. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt dauernd und gründlich durchmischt wird. PATENTANSPRUCH II: Vorrichtung zur Ausführung des Ver fahrens gemäss Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine elektrolytische Zelle und eine Pumpe aufweist. UNTERANSPRüCHE: 7.

   Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Mehrzahl von elektrolytischen Zellen und Pumpen aufweist, durch welche die Flüssigkeit von einer Zelle zur andern getrieben wird. B. Vorrichtung nach Patentanspruch 1I, gekennzeichnet durch einen Mischer, der mit der elektrolytischen Zelle und der Pumpe verbunden ist. 9. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, dass der Mischer selbst als elektrolytische Zelle ausgebildet ist. 10.

   Vorrichtung nach Patentanspruch II. dadurch gekennzeichnet, dass die Elek- trodenoberflächen uneben ausgebildet sind, um eine gründliche Durchmischung des Elektrolyten zu erzielen. 11. Vorrichtung nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass in die Strö mungsrichtung des Elektrolyten Wider stände eingebaut sind.