CH508412A - Verwendung von vortex-stabilisierten Plasmabrennern zur Durchführung von chemischen Reaktionen - Google Patents

Verwendung von vortex-stabilisierten Plasmabrennern zur Durchführung von chemischen Reaktionen

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CH508412A CH1925968A CH1925968A CH508412A CH 508412 A CH508412 A CH 508412A CH 1925968 A CH1925968 A CH 1925968A CH 1925968 A CH1925968 A CH 1925968A CH 508412 A CH508412 A CH 508412A
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Description


  
 



  Verwendung von vortex-stabilisierten Plasmabrennern zur Durchführung von chemischen Reaktionen
Die Erfindung betrifft   die    Verwendung von vortexstabilisierten Plasmabrennern zur Durchführung von chemischen Reaktionen.



   Es ist   bekannt,    für die Durchführung von chemi- schen   Reaktionen      Iden    Plasmagenerator anzuwenden.



  Als Plasmagas werden dabei   meist    Edelgase oder vorzugsweise zweiatomige Gase, wie Wasserstoff, verwen   det.    Bei   Anwendung    von   vortex-stabilislierten    Plasma- brennern wird als Stabilisierungsflüssigkeit unter anderem Wasser verwendet. Diese Gase (auch das Wasserplasma)   sind    in den   meisten    Fällen nur   Energieträger,    die   den    zur Umsetzung gelangenden   Reaktanden    die benötigte   Wärme    übergeben.

  Da   Ider    grösste Teil der zur chemischen Umsetzung   verwendeten    Reaktanden   kerro-    siv gegenüber den Elektroden und dem Gehäuse des Plasmagenerators unter den dort herrschenden Bedin   gingen    wirken, werden die Reaktanden erst nach   dem    Generator im austretenden Plasmastrahl in   eine    besondere Reaktionskammer   cm geleitet      und      zur    Reaktion   gebracht.   



   Nachteil dieser bekannten Verfahren ist ein beträchtlicher Energieverlust. Bei Verwendung   zweiatomiger    Gase, wie   Wasserstoff,    kann   der      Energieverlust    in geringem Masse verringert werden, aber in   diesem    Fall   kommt    es zu einer   gesteigerten    Abnützung der Elek- troden. Dies   bedingt    weiter,   dass    die   gewünschten    End   produkte    durch das Elektrodenmaterial verunreinigt sind.



   Ziel der Erfindung ist es, die chemischen Prozesse mit erhöther Energieausbeute durchzuführen, unter Verzicht eines an der   Reaktion    nicht teilnehmenden Plasma- gases.



   Erfindungsgemäss ist dies dadurch erreichbar, dass als Stabilisierungsmedium mindestens einer der Reaktanden verwendet wird.



   Vorzugsweise ist das Stabilisierungsmittel ein mindestens zweiatomiger Stoff mit einem   Siedepunkt    von höher als 730 Kelvin, zweckmässig höher als 1730 Kelvin.



   Bevorzugt wird   das    Stabilisierungsmittel, d. h. mindestens   einer    der Reaktanden, in flüssiger oder fester Form   langewendet.    Zweckmässig ist es, das   Stabilisie-    rungsmittel um den   Plasmastratl    rotieren zu lassen. Das kann auf verschiedene Weise bewirkt werden, so beispielsweise durch tangentiales Einleiten   oder      durch    Rotation der den   Plasmastrahl    umgebenden Gefässwandungen.



   Die   Bedingungen    bei   fltissigen    Reaktanden müssen so   gewählt    werden, dass die Wand des Generators immer mit   Flüssigkeit      bedeckt    ist. Das heisst, bei tiefsiedenden Füssigkeiten kann unter Umständen eine Aussenküh lung nötig sein.



   Durch die erfindungsgemässen Massnahmen kann die   chemische      Umsetzung    im   Raume    zwischen den Elektroden durchgeführt werden, wobei das Stabilisierungsmittel gleichzeitig zum   Plasma    wird.



   Durch die   dichte    Schicht des Stabilisierungsmittels im Gefäss zwischen den   Elektroden    werden die   Ge±äss-    wände sowohl gegen die Einwirkung des Plasmastrahls als   auch    gegen die anfallende   Strahlung    geschützt.



   Die entstehenden Reaktionsprodukte werden direkt aus der Plasmakammer (Plasmagefäss) abgezogen. Dabei besteht die Möglichkeit, diese Reaktionsprodukte an mehreren Stellen   radial    abzuziehen. Das ist von   B,edeu-    tung für   Reaktionen,      die    mehrere Produkte ergeben können. Es gelingt so, alle   diese    entstehenden Produkte getrennt an   optimalen    Stellen abzuziehen.   tDazu    wird das   Plasmagefäss      zweckmässig    axial durch Doppeldiaphragmen in mehrere Teile (Sektoren) geteilt, wobei in den Spalten zwischen den Diaphragmen die   Produkte    abgezogen   werden    können.

  Dabei ist les   vorteilhaft,    das Stabilisierungsmedium im   Überschuss      anzuwenden    und über die   Diaphragmen    ablaufen zu lassen. Dadurch werden die   abzuziehenden    Produkte,   gemischt    mit Stabilisierungsmittel, abgezogen und bereits abgeschreckt.



   Nach der   Erfindung    list es möglich, mehrere Reaktanden germischt oder getrennt eventuell mit verschiedener   Temperatur,    als Stabilisierungsmedium   aufzuge-     ben, wobei in letzterem Falle zweckmässig Doppeldiaphragmen angewendet werden. Gestaltet man das Gefäss so aus, dass sogenannte Barrieren bis über die   Stabilisierungsflüs sikeit    hinausragen, gelingt es, mehrere verschiedene Reaktionen getrennt und gleichzeitig mit   einem    Plasmabogen durchzuführen. Die Barrieren müssen so ausgebildet sein, dass die nicht von der Flüssigkeit bedeckte axiale Länge so kurz ist,   dass    eine Doppelbogenbildung vermieden wird.



   Durch die Wahl der Durchmesser der Diaphragma- öffnungen in den   einzelnen    Sektoren kann man im Bogen axiale Temperaturverteilungen erzielen.



   Folgende Reaktionen bieten sich für das erfindungs-   gemäss    Verfahren an: Oxydationen. z.B. Me + y/2O2   #    MeOy;
2 Reduktionen, z. B. MeO +   H2 #      Me      +      H2O,       MeClx + H2 # MeClx - n (n = 1 bis x) + HCl;    Redoxreaktionen, z. B.



     MeOz    + CxHy   #      MeCm    + CO   +    H2; Zersetzungsreaktionen, z. B. MeClx   o    Me +   1Ax    Cl2;
Kohlenwasserstoffe   #      AcetylenlÄthylen      +    H2,
SiO2-SiO   +      /2x    02; Austauschreaktionen, z. B.



   MeCLx + 1/2XH2O   # MeOx/2    + xHCl; Zersetzungs - und Rekombinationsreaktionen, z. B.



   SiO2   #    SiO   +    1/2   O2      )      SiO2,   
Al2O3   # 2AlO    + 1/2O2   #    Al2O3  (unter Änderung der Beschaffenheit).



   Durch Anwendung der   Burrieren    ist es möglich, zwei oder mehrere dieser   Reaktionen    zur gleichen Zeit in einem Gang durchzuführen
Zur Durchführung der Erfindung kann ein   Plasmla-    generator mit Fluid-Stabilisierung (Vortex-Stabilisierung mit Flüssigkeiten, Feststoffen)   verwendet    werden, der im Prinzip aus folgenden Teilen besteht: einer Katho- denkammer mit einer Kathode,   einem      Plasmagefäss    zur Vortex-Stabilisierung   des    Bogens   und    einer offenen oder geschlossenen Anodenkammer mit einer Anode.



   Beispiele 1.   Redukilon   
In einem flüssigkeitabilisierten Plasmareaktor (Skizze) mit Kathode 7 aus Graphit und rotierender Hohlanode 14 aus Kupfer, befindet sich zwischen den Elektroden das Plasmagefäss, das aus   Teilen      Barriere    11, Diaphragma 10 und Doppeldiaphragma mit den   Diaphragmen    8 und 9 und Hilfsdiaphragmem oder Barrieren 12 gebildet ist. Die Stabilisierungsflüssigkeit, im vorliegenden Fall TiCl4, wird durch die   Einlässe    1 und 3 tangential in die Kammer eingespeist und durch die Auslässe 2 und 4 zum Teil abgezogen.   Dadurch    entsteht eine Zirkulation   Ides    TiCl zwischen Einlass 1 und Auslass 2 sowie zwischen Einlass 3 und den Auslässen 2 und 4.

  Ein Teil des TiCl4   wird    durch den zwischen den Elektroden 7 und 14 brennenden Bogen verdampft und in den Plasmazustand übergeführt. Das   zirkulierende      TiCl4    stabilisiert den Bogen und zwingt ihm den gewünschten Durchmesser auf. Durch gewählte Stromstärke, in vorllegendem Fall etwa 500 Ampere und Durchmesser, im vorliegenden Fall zwischen 7 und 13 mm, wird die Temperatur eingestellt.



   Die rotierende Hohl anode wird durch den Antrieb 5 zur Rotation gebracht und durch das System 6 gekühlt.



   An d!as Plasmagefäss schliesst sich dicht ein Aussengefäss   lb,    das auch die Hohlanode umschliesst, an.



   Im vorliegenden Fall wird durch den   Einlass    15 der zweite Reaktand, nämlich Wasserstoff, eingespelst. Im   Aussengefäss    16 findet die Umsetzung von TiCl1 nach der Gleichung    TiCI4      +    1/2 Ho   ç   TiCls + HC1 statt. Die Reaktionsprodukte werden in geeigneter Weise durch die   Abführstutzen    17 und 18 abgezogen.



   Im Plasmagefäss selbst findet in der Sektion zwi- schen Doppeldiaphragma 8 und 9 und Kathode 7 eine weitere Reaktion statt, und zwar wird aus dem Kohlenstoff der   Kathode    und einem Teil TiCl Titancarbid und Chlor gebildet, das durch den Spalt zwischen 8 und 9 durch   Öffnung    2, zusammen mit   überschüssigem      TiCl4    (Stabilisierungsmittel), abgezogen wird. Dabei findet ein Abschrecken der Reaktionsprodukte statt. Je nach Wahl der Länge der Sektion und der Abzugsgeschwindigkeit durch Öffnung 2 kann der Anteil der Carbidbildungs- reaktion verändert werden.



  2. Spaltungsreaktion
In   einem    Plasmagenerator wie in Beispiel 1 wird SiC14 als Stabilisierungsmittel und Reaktand eingespeist.



  Durch   Auswahl    von Stromstärke (etwa 500 A) und Durchmesser der Diaphragmen (etwa 5 mm) wird die Temperatur für die   Durchführung    der Reaktion   SiCl2 #      51+ 2Cl2    auf die notwendige Höhe gebracht. Im Unterschied zu Beispiel 1   befindet    sich in diesem Fall im Aussengefäss 16 eine wassergekühlte Kupferplathe 19.



  An diese Kupferplatte wird eine Spannung angelegt, die sich gegenüber der der rotierenden Anode 14 unterscheidet. Dadurch wird dem Plasmastrahl 13 zwischen Anode und Kupferplatte eine zweite Entladung aufgelegt. Die Zersetzungsreaktion findet in der Plasmakammer statt. Eine zu befürchtende   Rekombination    wird   durch die    zweite Entladung verhindert. Das Silicium- metall kondensiert an der gekühlten Kupferplatte, tropft von dort ab und wird durch Auslass 20 entfernt. Das zweite Reaktionsprodukt, gasförmiges Chlor, wird durch 17 und 18 abgezogen.



  3. Austauschreaktionen
In einen Plasmagenerator wie in Beispiel 1 wird als Stabilisierungsmittel Wasser eingeleitet. Durch Zulei   tung    15 wird in den   Plasmastrahl    13 feinpulvriger   Quarzsand    mit Hilfe von Luft eingeblasen. Zwischen dem verdampfenden Quarzsand und dem Wasserplasma spielt sich die Austauschreaktion ab. Dabei findet zumindest   teilweise    ein Austausch von Sauerstoff des   SiO2      mit    Sauerstoff des H2O-Plasmas   stoff.    Die gasför- migen Produkte werden durch Wasser, das durch die Ringbrause 21 eingedüst wird,   abgeschreckt    und durch   die    Auslassstutzen 17 und 18 ausgetragen.

 

     4.    Oxydationsreaktionen
In einen Plasmagenerator wie in Beispiel 1 wird als Stabilisierungsmittel TiCl2 eingeleitet. In den Plasmastrahl 13 wird Sauerstoff durch 15   eingeleitet.    Die   Reaktion   TiC1/4+O2 # Ti O2 + 2    Cl8 findet im Au Benbehälter statt. Nach Abschrecken   werden    die Reaktionsprodukte durch die Auslässe 17 und 18 abgeführt.



  5. Redoxreaktion
In   einen    Phasmagenerator wie in   Beispiel    1 wird als Stabilisierungmittel Wasser eingeleitet. Im Unterschied zu den früheren   Beispielen    wird als Kathode ein   Eisen-    draht benützt, der als Zweitreaktionskomponente dient.



  Je nach Massgabe des Abbrandes wird diese   Kathode    kontinuierlich   in      idle      Piasmakammer    so bewegt, dass der   Bogenansatz    immer an der gleichen Stelle verbleibt.

 

  Durch   Auslauf    2 werden die Reaktionsprodukte, und zwar Fe8O4 und   H2,    in wässriger Suspension ausgetragen.



   Wird zusätzlich auf die Oberfläche der   langsam    ro   ziehenden    Anode FeS aufgetragen und durch Einlass 3   mit    Sauerstoff angereichertes Wasser   eingebracht    und anstelle von Hilfsdiaphragma 12 eine   Barriere,    die einen so viel kleineren   Durchmesser      hat,    dass   s'ie    über die Waseroberfläche hinausragt, d.h. das Plasmagefäss in zwei Sektionen teilt, so findet im Aussengefäss die zweite Reaktion   2FeS + 1/2O2 # Fe2O3 + 2SO2    statt.



  Die Reaktionsprodukte werden abgeschreckt und ausgetragen.

Claims (1)

  1. Patentanspruch
    Verwendung von vortex-stabilisierten Plasmabrennern zur Durchführung von chemischen Reaktionen, dadurch gekenzeichnet, dass als Stabilisierungsmedium mindestens einer der Reaktanden verwendet wird.
    UNTERANSPRÜCHE 1. Verwendung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass man als Stabilisierungsmittel einen Stoff, Idecr mindestens zweiatomig ist, und einen Siede- punkt hat, der höher als 730 Kelvin ist, zweckmässig höher als 1730 Kelvin, anwendet.
    2. Verwendung nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass man das Stabil.isierungsmittel in firüs- sigem Aggregatzustand in den Plasmagenerator einspeist.
    3. Verwendung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass man das Stabilisierungsmittel in fe steni Aggregatzustand anwendet.
    4. Verwendung nach Patentanspruch, dadurch ge Kennzeichnet, dass man mehrere Stabilisierungsmittel getrennt anwendet.
    5. Verwendung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass man mehrere Stabilisierungsmittel getrennt anwendet und gleichzeitig mehrere chemische Verfahren im Plasmagenerator durchführt.
    6. Verwendung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, Idass man die Verfahrensprodukte an reren Stellen des Plasmagehäuses abzieht.
CH1925968A 1968-12-24 1968-12-24 Verwendung von vortex-stabilisierten Plasmabrennern zur Durchführung von chemischen Reaktionen CH508412A (de)

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