Verfahren zur Durchführung von chemischen oder metallurgischen Prozessen unter dem Einfluss einer elektrischen Gas- oder Glimmentladung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung chemischer oder metallurgischer Prozesse unter dem Einfluss elektrischer Gas- oder Glimmentladungen in einem Reaktionsraum zwischen gas- oder dampfförmigen, undlodler feindispersen flüssigen und/oder festen Reaktionspartnern, die als Strahl in den Reaktionsraum eingeleitet werden.
Es wurde bereits ein Verfahren hierfür vorgeschlagen, bei welchem die Reaktionspartner in Form mindestens eines Strahles in den Reaktionsraum eingeleitet werden, der Strahl bzw. die Strahlen durch einen Raumteil geführt werden, in welchem eine elektrische Gas- oder Glimmentladung aufrechterhalten wird, und die Durchlaufzeit der Reaktionspartner durch den Reaktionsraum der gewünschten Reaktion angepasst wird. Ähnliche derartige Verfahren sind beschrieben in den Patenten Nrn. 357377, 357378, 349247, 349248, 359687.
Bei der Durchführung von Reaktionen chemischer und' metallurgischer Art mit den genannten Verfahren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, geeignete Massnahmen zu treffen, um die jeweils erwünschte Reaktion innerhalb des Gasstrahles in Gang zu bringen.
Die vorliegende Erfindung dient diesem Zwecke und betrifft ein Verfahren zur Durchführung von chemischen oder metallurgischen Prozessen unter dem Einfluss elektrischer Gas- oder Glimmentladungen in einem Reaktionsraum zwischen gas- oder dampfförmigen, undloder feindispersen flüssigen und/oder festen Reaktionspartnern, die als Strahl in den Reaktionsraum eingeleitet werden. Kennzeichnend hierbei ist, dass ausser den Reaktionspartnern wenigstens zeitweise mindestens ein Hilfsstoff in den Reaktionsraum eingeleitet wird, durch den die gewünschte Reaktion erleichtert wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nachstehend in einigen Ausführungsbeispielen anhand der bei- gefügten Zeichnung näher erläutert.
Bei den chemischen oder metallurgischen Prozessen der oben genannten Art, bei denen mindestens einer der Reaktionspartner als Strahl in einen Reaktionsraum eingeleitet wird, finden die erwünschten Reaktionen unter dem Einfluss einer elektrischen Gas- oder Glimmentladung statt. Der Strahl wird dabei durch einen Raumteil geleitet, in welchem eine derartige elektrische Entladung aufrechterhalten wird, die beispielsweise durch Dissoziation einzelner oder aller Reaktionspartner deren nachfolgende Wiedervereinigung zu einem gewünschten Endprodukt ermöglicht. Zur Aufrechterhaltung der Entladung ist einerseits eine bestimmte elektrische Feldstärke erforderlich und anderseits eine elektrische Leistung für die energieverbrauchende Beeinflussung der Ausgangsstoffe.
Die zuzuführende elektrische Leistung ist dabei nicht nur von den Druckverhältnissen innerhalb und ausserhalb des Strahles und von der zugeführten Menge an Ausgangsstoffen abhängig, sie wird auch bedingt durch die Art der stattfindenden Reaktionen.
Insbesondere ist dies bei energieverbrauchenden Reaktionen der Fall. Da aber zu Beginn des Prozesses die elektrische Energiezufuhr entsprechend den günstigsten Bedingungen für die Entstehung und Aufrechterhaltung der Gas- oder Glimmentladung zwecks Ionisation und/oder Dissoziation der Reak tionspartner eingestellt wird, bereitet in manchen Fällen die Einleitung der eigentlichen, beispielsweise viel höhere Energie beanspruchenden Reaktion gewisse Schwierigkeiten.
In solchen Fällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen Hilfsstoff in den Reaktionsraum einzuleiten, der das Zustandekommen der Reaktion erleichtert, ohne selbst an der Reaktion teilzunehmen.
Ein solcher gas- oder dampfförmiger bzw. feindisperser flüssiger oder fester Hilfsstoff kann beispielsweise zusammen mit einem oder mehreren Reaktionspartnern durch das gleiche Zuführorgan als Strahl in den Reaktionsraum eingeleitet werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, einen derartigen Hilfsstoff über ein anderes Zuführorgan, etwa eine Düse, in den einen oder mehrere Reaktionspartner enthaltenden Hauptstrahl von der Seite her einzublasen oder als zweiten, den ersten kreuzenden Strahl in den Reaktionsraum einzuleiten. Ferner kann es vorteilhaft sein, den Reaktionsraum selbst mit einem solchen, beispielsweise gasförmigen Hilfsstoff anzureichern, damit in den äussersten Zonen des Strahles die gewünschte Reaktion erleichtert wird.
Zweckmässigerweise wird der die Reaktion im Hauptstrahl erleichternde Hilfsstoff nur zu Beginn des Prozesses zugeführt, da er nach Erreichung des normalen Betriebszustandes normalerweise nicht mehr erforderlich ist. In diesem Falle kann dann auch ein Hilfsstoff gewählt werden, der mit einem oder mehreren Reaktionslpartnern eine Verbindung eingeht, die an sich kein erwünschtes Endprodukt darstellt, aber die Ingangsetzung der gewünschten Reaktion erleichtert. Da der Hilfsstoff nur vorübergehend eingeleitet wird, tritt eine Beeinträchtigung des eigentlichen Prozesses nicht auf.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, einen Hilfsstoff mit katalytischer Wirkung zu Beginn des Prozesses oder dauernd zuzuführen, um eine gewünschte Reaktion zu erleichtern.
Nachstehend wird eine Apparatur zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens beschrieben und anschliessend an zwei Beispielen weitere Einzelheiten von beispielsweisen Verfahren mitgeteilt.
Die beigefügte Zeichnung stellt das Schema eines Ausführungsbeispieles einer Anlage zur Durchführung chemischer Reaktionen dar. Diese besteht hier aus dem Reaktionsgefäss 1, dem über ein düsenartiges Organ 2 ein Gasstrom mit den Reaktionspartnern zugeführt wird, und aus dem über eine Austragvorrichtung 3 die erzeugten festen oder flüssigen Endprodukte abgeführt werden, während die gasförmigen Produkte über das Rohr 4 und den Absorber 5 von der Pumpe 6 abgesaugt werden.
Die Reaktionspartner werden hierbei über die Düse 2 als Gas oder Dampfstrahl in das Reaktionsgefäss 1 geleitet. Dementsprechend besteht die Möglichkeit, einen als Dampf oder Gas vorliegenden Ausgangsstoff unmittelbar der Düse 2 zuzuführen.
In einem solchen Fall wird das gasförmige Ausgangsmaterial über die Leitung 7 einer Mischeinrichtung 8 zugeführt und über das Dosier- und Regelorgan 9 und die Leitung 10 zur Düse 2 geleitet.
Falls erforderlich, kann in der Mischeinrichtung 8 dem zu verarbeitenden Gas oder Dampf über die Leitung 11 eine gas- oder dampfförmige bzw. pulverförmige Komponente beigefügt werden, die ihrerseits in der Dosiervorrichtung 12 aus einem oder mehreren Bestandteilen zusammengesetzt wird, welche über die Leitungen 13, 14 usw. zur Verfügung stehen.
Ist ein flüssiger oder fester Reaktionspartner vorhanden, so wird z. B. ein Trägergas verwendet, dem das Ausgangsmaterial in Gestalt von festen oder flüssigen Partikeln feindispers beigemengt wird.
Hierzu ist bei festen Stoffen eine Mahleinnichtung und bei flüssigen Materialien eine Zerstäubungseinrichtung erforderlich, die im Wirkungsschema als Apparatur 15 angegeben ist, mit der Zubringerleitung 16 für das zu verarbeitende Material. Das Trägergas wird der Apparatur 15 über die Leitung 17 zugeführt und über die Leitung 18 gelangt der die Partikel mit sich führende Trägergasstrom zur Mischeinrichtung 8, wo eventuell eine gasförmige Komponente, z. B. Wasserstoff, zugemengt wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein aus Stahl bestehendes und geerdetes Reaktionsgefäss 1 vorgesehen, in das die Mehrfachdüse 2 elektrisch isoliert eingebaut ist. Dieselbe besteht vorzugsweise aus hochhitzebeständigem Metall, etwa aus Wolfram, und besitzt eine wirksame Duchlaufkühlung (nicht gezeichnet). Koaxial zum Düsenkörper 2 ist im Innenraum des Reaktionsgefässes 1 eine hohle Ringelektrode 19 vorgesehen, die für eine Durchlaufkühlung eingerichtet und isoliert in die Gefässwandungen eingebaut ist. Die Ringelektrode 19 soll vorzugsweise einen solchen Innendurchmesser besitzen, dass die aus der Düse austretenden Gasstrahlen dieselbe nicht berührt. An den Anschlüssen 20 und 21 der Düse 2 bzw. der Ringelektrode 19 wird die zur Aufrechterhaltung der Gas- bzw. Glimmentladung erforderliche Spannung angelegt.
Vorzugsweise wird eine konstante oder periodisch in der Amplitude sich ändernde Gleichspannung verwendet, und dabei die Düse 2 als Kathode betrieben. Um die Düse 2 energiemässig zu entlasten, kann aber auch die Ringelektrode 19 als Kathode und die Düse 2 als Anode betrieben werden. Falls erwünscht, kann die Entladung auch mit Wechselspannung betrieben werden. Um bei besonders hohen Energieumsätzen die Düse 2 weitgehend frei von Glimmentladungen zu halten, kann die Betriebsspannung auch zwischen dem Metallgefäss 1 und dem Anschluss 21 der Ringelektrode 19 angelegt werden, oder in Strahlrichtung zwei voneinander isolierte Ringelektroden verwendet und mit der Betriebsspannungsquelle verbunden werden. Der Abstand zwischen der Ringelektrode 19 und der Mehrfachdüse 2 wird auf die günstigste Ausbeute eingestellt.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass eines der erzeugten Endprodukte an einer gekühlten Prallfläche 22 abgeschieden wird, die hier ebenfalls isoliert im Reaktionsgefäss 1 eingebaut und mit dem Anschluss 23 verbunden ist.
Falls erwünscht, kann der Anschluss 23 geerdet oder mit dem Anschluss 21 verbunden werden. Es besteht auch die Möglichkeit, zwischen der Ringelektrode 19 und der Prallfläche 22 eine Spannungsdifferenz vorzusehen, oder die Betriebsspannung den Anschlüssen 21 und 23 zuzuführen und den Anschluss 20 zu erden. Eine solche Prallplatte kann auch beweglich angeordnet werden und ermöglicht dann eine kon tinuierliche Austragung. Je nach Art des erzeugten und an der Prallpllatte 22 ausgeschiedenen Endproduktes ist eine geeignete Austragvorrichtung 3 erforderlich, die hier als Transportschnecke angedeutet ist. Falls erforderlich, kann eine Unterdruckschleuse mit der Austrageinrichtung 3 vereinigt werden.
Je nach der Art des zu verarbeitenden Ausgangsmaterials und des erzeugten Endproduktes wird mittels der Pumpe 6 ein bestimmter Druck im Reaktionsgefäss aufrechterhalten. Gemessen an der Mündung des Absaugrohres 4, kann z. B. im Druckbereich 0,1 bis 1000 mm Hg, vorzugsweise 1 bis 100 mm Hg, gearbeitet werden, wobei höhere Drucke vorzugsweise bei grossen zugeführten Gasmengen, also bei grossen Düsenöffnungen verwendet werden. Im Reaktionsraum, also innerhalb der vom Strahl erzeugten Druckabfallzone, lassen sich besonders bei Gasdrukken von über 100 mm Hg sehr hohe Eneirgieumsätze erzielen.
Besonders bei hohen Energieumsätzen ist von Wichtigkeit, dass in dem die einzelnen Strahlen umgebenden Abschreckraum die vom Gasstrom mitgeführte Wärme rasch abgeleitet wird, was ausser durch eingebaute gekühlte Kondensationsbauteile auch durch intensive Kühlung der Behälterwandungen ermöglicht wird. Jedenfalls sind geeignete Massnahmen zu treffen, um eine Akkumulation der vom Gasstrom mitgeführten Wärme im Abschreckraum sicher zu vermeiden.
Das in der Zeichnung wiedergegebene Schema stellt nur ein Ausführungsbeispiel einer nach dem Strahlentladungsverfahren arbeitenden Anlage dar.
Insbesondere ist die Prallfläche 22 nur dann vorzusehen, wenn die End- und Nebenprodukte sofort kondensiert und damit Umkehrungen der Reaktionen vermieden werden sollen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Gefässunterteil in gewisser Höhe mit einem Material grosser Absorptionsfähigkeit für unerwünschte Nebenprodukte oder das gewünschte Endprodukt aufzufüllen und den Gas stahl auf der Oberfläche dieses Materials auftreffen zu lassen.
Hierdurch kann ebenfalls erreicht werden, dass eine gegenläufige Reaktion des erzeugten Endproduktes weitgehend vermieden wird. Das Absorptionsmaterial kann kontinuierlich aus dem Entladungsgefäss abgeführt werden.
Soll die beschriebene Anlage beispielsweise zur synthtetischen Herstellung von Hydrazin oder anderen höherwertigen Stickstoffhydraten aus Stickstoff N2 und Wasserstoff H2 benützt werden, so kann das vorliegende Verfahren vorteilhafterweise mit Luft als Hilfsstoff verwendet werden. Hierbei wird in der Mischkammer 8 über die Leitung 7 ein Luftdruck von z. B. 1,5 atü erzeugt und über das Regelorgan 9 und die Leitung 10 zur Düse 2 geleitet, dne hier beispielsweise eine zylindrische Öffnung von 1 mm Durchmesser besitzt. Im Reaktionsgefäss 1 wird mittels der Pumpe 6 zunächst ein Unterdruck von etwa 1 mm Hg geschaffen, so dass von der Düsen öffnung aus ein Luftstrom von etwa 50 cm3 pro Sekunde als Gas stahl in den Behälter 1 eingeleitet wird.
Nunmehr wird eine regelbare Gleichspannungsquelle mit ihrem negativen Pol an den Anschluss 20 und mit ihrem positiven PoD an den Anschluss 21 angelegt, deren Spannung von etwa 200 Volt aus langsam auf 300 bis 400 Volt gesteigert wird, bis zwischen dem metallischen Düsenkörper 2 und der Gegenelektrode 19 eine elektrische Glimmentladung entsteht. Dann wird mittels des Reglers 9 die zugeführte Luftmenge erhöht und die Pumpenleistung vermindert, so dass der Druck im Behälter 1 langsam auf 40 bis 50 mm Hg steigt. Dabei wird die zugeführte elektrische Leistung stetig vergrössert, bis schliesslich ein hell leuchtender, grün-gelbes Licht ausstrahlender Gas Strahl entsteht, der eine Länge von mehr als einem Meter und strahlabwärts eine Dicke von 10 bis 20 mm besitzt.
Bei dieser Einstellung werden Leistungen von 3 bis 5 kW umgesetzt und die Strahl entladung ist völlig ruhig und konstant.
Nunmehr werden in der Dosiereinrichtung 12 aus dem über die Leitung 13 zugeführten H2-Gas und dem über die Leitung 14 zugeleiteten N2-Gas die dem gewünschten Mischungsverhältnis N/H entsprechenden Gasmengen bestimmt und über die Leitung 11 der Mischeinrichtung 8 zugeführt. Die über die Leitung 7 zugeführte Luftmenge wird nach und nach verringert, bis reines N/H-Gemisch über den Regler 9 und die Leitung 10 zur Düse 2 strömt. Auf diese Weise wird der bisherige Luftstrahl allmählich in einen NlH-Strahl verwandelt, ohne dass sich die Druckverhältnisse im Strahl und im Behälter 1 wesentlich ändern. Lediglich die zugeführte elektrische Leistung und die Spannung an den Anschlüssen 20, 21 wird hierbei der einsetzenden N/H-Reaktion angepasst.
Auf diese Weise wird erreicht, dass der erwünschte Prozess, nämlich die NlH-Synthese, wesentlich erleichtert wird. Es hat sich nämlich in der Praxis gezeigt, dass die Strahlentladungsvorgänge mit einem Luftstrom gut beherrschbar und regulierbar sind, so dass der sogenannte Anlaufvorgang (siehe Patent Nr. 357378) leicht durchführbar ist, während die Einstellung des betriebsmässigen Zustandes bei einem N/H-Gasstrahl wesentlich komplizierter ist.
Bei diesem ersten Beispiel wird der Hilfsstoff Luft nur zur Einleitung des Prozesses und zur Erleichterung der Einstellung des betriebsmässigen Entladungszustandes verwendet. Dies ist aber nicht immer zweckmässig, denn bei einem Hilfsstoff mit katalytischer Wirkung kann es vorteilhaft sein, den selben während der ganzen Dauer des Prozesses in das Entladungsgefäss einzuleiten.
Beispielsweise kann Quecksilberdampf oder feindispers verteilter Quecksilbernebel als Hilfsstoff mit einem N/H-Gasstrom vereinigt und durch die Düse 2 in das Reaktionsgefäss als Strahl eingeblasen werden.
Ein solcher Hg-Dampfstrahl erleichtert ebenfalls das Zustandekommen einer Strahlentladung genügender Intensität. Ausserdem weist derartiger Hg-Dampf oder Hg-Nebel auch besondere katalytische Wirksamkeit auf und ermöglicht die Erzielung einer höheren Ausbeute an synthtetischen Stickstoffhydriden. Es kann aber auch die im Behälter 1 befindliche Gasatmosphäre mit Hg-Dampf angereichert werden, beispielsweise indem anstelle der Prallplatte 22 eine mit Quecksilber gefüllte Schale angeordnet wird.