DE1667003A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchfuehrung von Reaktionen im Lichtbogen - Google Patents

Description

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PATENTANWÄLTE

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MÜNCHEN

U-33 099

B e 3 oh r ei Ig u η g zu der Patentanmeldung

DIAMOND ALKALI COMPANY

Union Commerce Building, Cleveland, Ohio 44114, USA

betreffend.

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von Reaktionen

im Lichtbogen

Die Erfindung bezieht, gich auf eine Vorrichtung zur Umsetzung gasförmiger Stoffe und auf ein Verfahren zur Anwendung dieser Vorrichtung., Insbesondere betrifft sie Reaktoren auf der Basis, einer elektrischen Entladung, wobei ein- Gas' mit einem Lichtbogen in Berührung kommt, der innerhalb einer Reaktionakammer erzeugt wurde»

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.Lichtbogenreaktoren 'vrarden für eine YIeIfalt von Reaktionen entwickelt und benutzt, bei denen gasförmige oder feste oder gasförmige und feste Ausgangsstoffe zur Herstellung gasförmiger oder fester Produkte verwendet werden. Solche Reaktoren haben den Vorteil sehr kurzer Reaktionszeiten, die oft in'der Größenordnung von nur einigen Millisekunden oder darunter liegen. Sie bedienen sich ferner.der Energie, die sich bei hoher Flußdichte im Lichtbogen ergibt. Oft führen Lichtbogenreaktoren zu einer verbesserten und erhöhten Umwandlung der Ausgangsstoffe, beispielsweise bei der Herstellung von Acetylen aus gasförmigen Kohlenwasserstoffen, wenn man den Vergleich mit den Ergebnissen zieht, die durch regenerative oder partielle Verbrennungsverfahren erhalten werden,

Im allgemeinen werden die Lichtbogenreaktoren so betrieben, daß man ein Arbeitsgas oder einen fluidisieren Feststoff, der von einem gasförmigen Vehikel bzw. Träger mitgerissen wird, in den Lichtbogen einspeist, wobei as zu einer weitgehenden Reaktion, d.h. einer Zersetzung der Gasmoleküle oder einer Reaktion von Gas plus Feststoff während des Kontaktes mit dem Bogen kommt. Normalerweise werden die umzusetzenden Stoffe mit einem inerten Gas verdünnt, wie mil; Argon oder Stickstoff. Hierdurch wird der Bogen -zusätzlich getragen und eine bessere Steuerung der Temperatur während der Reaktion ermöglicht»Solche Iiicht-„-b ο genvor richtung en können jedoch auoh\ zum Erhitzen eines inerten Gases verwendet werden, das im wesentlichen nicht

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'mit Arbeitsgas vermischt ist. Dieses Inertgas wird in den Bogen eingespeist₍und unmittelbar darauf kann das heiße Inertgas mit dem Arbeitsgas vermischt werden, wobei letzteres

ad

in dem an die Zone der elektrischen Leitung angrenzenden Bereich thermisch umgewandelt wird.

Es gibt mehrere Arten von Bogenreaktoren oder Bogengeneratoren, wie sie hierin ebenfalls bezeichnet werden. So gibt es beispielsweise solche mit einer Ringelektrode, bei denen ein Bogen, der durch eine hohe elektrische Energie, z.B. mit 1 Million· 7/att oder-darüber, angeregt wurde, mittels eines gesteuerten magnetischen Feldes mit Geschwindigkeiten bis hinauf zu 900 m/sec. (3000 feet) zwischen zwei gegenüberliegenden torusförinigen Elektroden rotiert. Zu anderen Arten gehören die klassischen Plasmaanlagen, bei denen ein gasförmiger Stoff in eine rohrförmige Reaktionskammer gebracht wird, die im wesnetlichen an eine erste Elektrode grenzt, und der innerhalb, der Reaktionskammer von der ersten Elektrode weg und durch eine zweite Hohleketrode hindurchfließt. Ferner gehören zu Bogengeneratoren die modifizierten Plasmastrahlgeneratoren, wie beispielsweise diejenigen, bei denen gasförmige Stoffe in eine kannelierte Reaktionskammer in der Sähe der Bogenmitte eintreten und von dem Mittelbereich durch ein paar in einem gewissen Abstand voneinander angeordnete Hohlelektroden wegfließen, wobei das Innere der Hohlelektrode die Reaktionskammer bildete Alle diese Reaktoren werden im folgenden als Lichtbogenreaktoren oder Bogenr&aktoren

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oder Reaktoren mit elektrischer Energie bezeichnete Die Erfindung soll daher all diese Reaktoren (oder Generatoren)-umfassen, obgleich einige dieser Reaktoren Ströme mit hohem Ionengehalt erzeugen, die hocherhitzt sind, beispielsweise auf eine Temperatur'bis zu 20 000⁰K. Solche

der

Anlagen werden im allgemeinen in der Technik/mit Strom angeregten Reaktoren auch als Plasma- oder Plasmastrahlgeneratoren bezeichnet»

Beim Betrieb ergeben' sich für all diese Generatoren häufige und ausgedehnte Reaktorstandzeiten sowie unbrauchbare Reaktionsgeschwindigkeiten. Dies hat oft seine Ursache in einer Ansammlung von Feststoffen längs der Wände der Heißgaszone des Reaktors oder in einer Korrosion der Wände der Heißgaszone durch nicht umgesetzte Stoffe sowie durch Reaktions- und Nebenprodukte, z.B. durch nichtumgesetztes Ammoniak bei der Herstellung von Titannitrid durch Umsetzung von Titantetrachloridgas mit im Bögen erhitztem Ammoniak oder durch die als Nebenprodukt bei der Herstellung von Titannitrid mit Stickstoff-Wasserstoff-Gemischen auftretende Salzsäure.

'Das schlechte Arbeiten eines Generators kann ferner auch von ungenügend vorerhitzten Reaktionsgasen herrühren, wenn solche ,Generatoren für im wesentlichen thermisch induzierte Reaktionen verwendet werden. Bei Plasmaanlagen, bei denen die Stabilität des Bogens normalerweise nicht durch magnetische Felder erhöht wird, können die Probleme ferner darin liegen, den ,Bogen zu stabilisieren und demzufolge in einer Verwendung der eingesetzten Energie für den Bogen !liegen. Ferner kann innerhalb der elektrischen lint ladung zone ein v}as, das längs

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der Wände einer solchen Zone fließt, mit der elektrischen Energie des Bogens nicht in Berührung stehen. Dieses Gas wird dann tatsächlich nicht umgesetzt, wenn man allein ein Arbeitsgas verwendet und dieses im allgemeinen durch die Yfände der Zone abgekühlt, wirdo

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, Mittel zu schaffen, um gasförmige Stoffe in der Nähe der Quelle der elektrischen Energie innerhalb der elektrischen Entladungszone zu konzentrieren. Ferner sollen Mittel geschaffen werden um eine Absonderung von Feststoffen zu hemmen und infolgedessen eine Bildung von Feststoffen längs der Reaktorwände zu vermeiden. 7/eiter ist es Ziel der Erfindung die Reaktorwände von korrodierenden Stoffen zu schützen und schließlich sollen Mittel geschaffen werden, um gasförmige Reaktionsteilnehmer innerhalb der elektrischen Entladuhgszone vor deren thermischer TJmv/andlung vorzuerwärmen. Gleichfalls soll der Lichtbogen von Plasmaanlagen weiter stabilisiert werden.Ferner sollen erfindungsgemäß Mittel zur Erhöhung der Energieausnutzung in Plasmaanlagen dadurch geschaffen werden, daß man den Gaszustrom von den kalten Reaktorwanden fernhält. Weitere Ziele der Erfindung lassen sich der folgenden Beschreibung entnehmen O

Grob gesehen ist die vorliegende Erfindung ein Lichtbogenreaktor , der ein im allgemeinen rohrförmiges Reaktorgehäuse, das eine elektrische Entladungszone enthält, in der ein bogenbildender elektrischer Strom zwischen Elektroden angeordnet wird, die voneinander in einem bestimmten Abstand

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angeordnet sind, eine erste Düsenvorrichtung mit einer Einlaßöffnung, um Sas in die elektrische Entladungsaone einzuspeisen und mit dem Bogen in Kontakt zu bringen, Mittel für die Gasentladung unter Einschluß einer Gaseinlaßöffnung, durch die heiße G-ase aus der elektrischen Entladungszone abgeleitet.werden, und eine zweite Vorrichtung zur Zufuhr

aufweist & -

von G-as-i die eine Zuleitung für das zweite Gas enthält, die so angeordnet ist., daß Gas in die und im wesentlichen längs der Wände wenigstens eines Teilstückes einer Reaktorzone geleitet wird, die von der elektrischen Entladungszone und der Gasableitung gebildet wird.

Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf den oben beschriebenen Lichtbogenreaktor, der eine weitere Gasöffnung enthält, und zwar nach der zweiten Gaseinlaßöffnung, die folgendem Zweck dientϊ Entweder wird durch sie Gas von der Wand der jL Gasableitung nach außen, z.B. an die Atmosphäre abgeführt, wobei dieses Gas wenigstens längs eines Teiles der Wand der Gasableitung strömt, oder die Gasöffnung dient dazu, um die innere Zone ,d.h. die Mitte und nicht die Wand der Gasableitung mit Frischluft zu versorgen.

Gemäß der Erfindung wird ein Reaktor so betrieben, daß man in einer elektrischen Entladungszone dadurch einen Bogen erhält, indem man durch diese Zone einen bogenbildenden elektrischen Strom leitet, in diese Zone von einer ersten Gaseinlaßöffnung ein erstes Gas einspeist, aus der elektrischen

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Entladungszone durch eine dieser Zone gegenüberliegende
Gasableitung ein erstes G-as entnimmt und während der Entnahme des ersten Gases über eine zweite G-as einlaß Öffnung, die sich nach der Einlaßöffnung für das erste G-as befindet, ein zweites G-as einströmen läßt und zwar in-wenigstens ein Teilstück der Heaktorzone, das durch die elektrische Entladungszone und die Gasableitung begrenzt ist, sodaß das
zweite Gas aus der Einlaßöffnung für das zweite Gas längs der V/ände der Reaktorzone strömt und sich so eine Schutzhülle aus Zweitgas bzw« Sekundärgas um das Erstgas bzw.
Primärgas herum bildet. *.'

Eine typische Vorrichtung zur■. Durchführung des erfindungsgemäßen. Verfahr ens geht aus der beiliegenden Zeichnung hervor. Pig* 1 zeigt im-Querschnitt eine abgewandelte"erfindungs gemäße Plasmadüse ο Die Figuren'2 bis 6 sind -Teilansichten des Reaktors nach Pig. 1 längs der linie A-A_: der Pig. 1 und stellen zweckmäßige, konstruktive Abwandlungen dar. Pig. 7 ist ein "Vertikalschnitt durch eine typische ""erfindungsgemäße jrlasüiadüse. Pig. ^D ist ein teilweiser Außriß .durch einen

reaktor 0. mit 'liinjrelektrode.. :

j.,"un zu Έί£. 1. Mn im. allgemein en rohrfürmiges fieaktorgehäuse, nicht gezeigt, das eine Isolierung 10, teilweise gezeigt, sowie Energieleitungen, Kühlung und Absohreckvorrichtungen, nicht gezeigt,; hat, beherbergt ein paar Elektrpden 18 und 19» die zur Erzeugung eines Lichtbogens dienen, der ■im wesentlichen innerhalb einer rohrförmigen elektrischen Eritlsdungszone 3 enthalten ist* Eine erste Düsenanordnung

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hat Zuleitungen 20, die von einer nicht gezeigten G-asquelle zu einer scheibenförmigen Primärgaskainmer 1 führen, die mit' einer zylindrischen Gaseinlaßöffnung 17 in Verbindung steht:.·' über eine Isolierung 10 trennt die Pri#ärgaskammer 1 das Elektrodenpaar 18 und 19. Die Graseinlaßöffnung 17 mündet in die Mittelzone 2 der Kammer, und die Primärgaskammer T ist im wesentlichen senkrecht zu der Ebene der elektrischen Entladungszone 3 angeordnet. Die Mittelzone 2 liegt im wesentlichen im mittleren Bereich der elektrischen Sntladungszone 3, und die Zone 3 erweitert sich nach außen und ermöglicht infolgedessen eine Expansion des G-ases,. und zwar, durch längliche, im wesentlichen rohrförmige Grasableitungen 15 und 16, γόη denen -sich an jedem Ende der Zone 3 jeweils eine befindet.

Eine Zuleitvorrichtung für Sekundärgas verfügt über eine nicht gezeigte Quelle, die über Zuleitungen 4 und 30 mit ein paar Speicherkammern (plenum chambers) 5 und 11 verbunden ist, welche durch die Primärgaskammer 1 voneinander getrennt angeordnet sind. Jede Speicherkammer 5 und 11 beschreibt eine zusammenhängende Holilzone, die torusförmig sein kann, und die konzentrisch um die rohrförmige elektrische Entladungszone 3 angeordnet ist. Die erste Speicherkammer 5 , hat eine ringförmige Ableitung 6,die zu einer zylindrischen Gaseinlaßöffnung 8· führt. Diese Öffnung 8 ist nach Zone 2 der Lvittelkammer innerhalb eines ersten Wandteiles der elektrischen Entladungszone 3 angeordnet und befindet sich in einer im wesentlichen zu der Primärgaskammer 1 parallel' liegenden Ebene. Die zweite Spei clierknmmer 11 führt ebenfalls durch eine ringförmig: ausgebildete Ableitung 12 au

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einer zylindrischen Einlaßöffnung 13 für Sekundärgas, die sich innerhalb eines zweiten ?iandteiles 14 der elektrischen Entladungszone 3 befindet. Dieses zweite Wandteil 14 ist durch die iviittelzone 2 tier Kammer getrennt von dem ersten Randteil 7 angeordnet und liegt ebenfalls an einer im wesentlichen parallelen Ebene zu der Primärgaskammer 1.

Obgleich die äeaktorzone, die von der elektrischen

Entladungskammer 3 und den Sas ab leitung en 15^: und 16 gebildet äKk wird, in 5¹Ig. 1 so dargestellt ist, daß sie sich nach außen erweitert und so erweiterte G-asableitungen 15 und 16 bildet, kann sich die äeaktorzone auch nach innen erweitern oder eine leitung mit im wesentlichen gleichbleibendem Durchmesser sein, ferner kann die elektrische Eritladungszone 3 im Querschnitt kreisförmig, rechtwinklig oder sonstwie polygonal geformt sein, und die 7/andteile 7 und 14 dieser 5'one 3 können abgeschrägt sein, sodaß das G-as stufenweise komprimiert oder expandiert werden kann. Obgleich die Y/ände 9 der Primärgaskammer 1 abgeschrägt sind, damit das Gas komprimiert wird, wenn es zu der liittelzone 2 der Kammer strömt-, können diese Wände 9 im wesentlichen auch, senkrecht zu der elektrischen Äntladungszone 3 liegen, oder sie können so abgeschrägt sein, daß sich eine allmähliche <ias expansion ergibt. Pernez" können die Einlaßöffnungen B und 13 für das üekundärgas aus einer delhe von Windungen bestehen, die rund um einen Teil der elektrischen üntladungszone 3 angeordnet sind, und die Primärgaskammer 1 muß nicht unbedingt in einer senkrechten Ebene zünder elektrischen Entladungszone 3 liegen. Die Zuleitungen 20 für das Primärgas können rings um die Primär-

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gaskammer 1 angeordnet sein, um dadurch ein G-as radial, tagential oder sonstwie in diese Kammer 1 einzuspeisen, und/oder sie können so angeordnet sein, daß ein Gas aus Öffnungen eingespeist werden kann, die in den V/änden 9 der Kammer 1 liegen. Diese Zuleitungen 20 können'ferner aus einem oder mehreren Schlitzen oder belüfteten Öffnungen (vented ports) bestehen, wie dies die G-aseinlaßöffnung 8 der Figo 3 zeigt.

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Abwandlungen der Einlaßöffnungen für das Sekundärgas - 'aus Ji¹Ig. 1 sind in den Figuren 2,3,4 und 5 gezeigt. Fig. ■=- zeigt eine Kammer ableitung 6 a in einer Ebene, die in einem Winkel zu der Primärgaskammer 1a angeordnet ist. Diese Ableitung führt zu einer G-aseinlaßÖffnung 8a, die innerhalb = des ersten Wandteils 7 a der elektrischen Entladungszone angeordnet ist»Fig-» 3 zeigt eine Reihe von Kammerableitungen 6 b, die sieb in einer Ebene liegen, welche in einem bestimmten Winkel zu der Ebene der Primärgaskammer 1 b ange-

~ - ordnet ist, und diese Ableitungen 6 b sind durch eine Reihe kegelstumpfartiger, konischer Bege» Rippen 21 getrennt um die elektrische Entladungszone herum angeordnet. Diese Ableitungen 6b führen von einer Speieherkammer 5 a über eine Reihe von Einlaßöffnungen 8b für Sekundärgas zu dem ersten Wandteil 7b der elektrischen Entladungszone. Die Rippen können starr an ihrer Stelle gehalten werden und starr an der Reaktorelektrode 18a befestigt sein, und zwar durch irgendwelche herkömmlichen Befestigungsmittel, wie beispielsweise durch Leisten zwischen den Rippen 21, die an diese angeschweißt sind.

Fig..4 zeigt aufeinanderfolgende Kammerableitungen 6 c, die in einer Ebene angeordnet sind, die im wesentlichen parallel zu der Ebene der Primärgaskammer 1 c liegt, wobei die Ableitungen 6 c durch, eine Reihe ringförmiger Rippen 21avoneinander getrennt sind. Die Kammerableitungen 6 c stehen mit einer Reihe von Einlaßöffnungen 8. c für Sekundärgas an einem sich nach außen erweiternden Wandteil 22 der elektrischen Entladungszone in Verbindung. Die Rippen. 21 a können an Ort'und Stelle starr befestigt in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet und starr mit der Reaktorelektrode 18 b durch-irgendwelche herkömmlichenBefestigungsmittel verbunden sein. Fig. 5 zeigt einen porösen zylindrische^ Körper 23 (sleeve), der eine poröse äußere Oberfläche 24 hat, welche einer Speicherkainmer 5b gegenüber liegt, die mit einer nicht gezeigten Sekundärgasquelle über eine Zuleitung 4b in Verbindung steht. Die poröse innere Oberfläche 25 des Körpers 23 bildet einen Teil des ersten V/andteiles 7d der elektrischen Entladungszone. Beim Betrieb dringt Sekundärgas aus der Speicherkammer 5 b in den porösen Körper 23 ein, kommt dann längs der porösen inneren Oberfläche 25 des Körpers heraus und strömt anschließend längs des Wandteiles 7b der elektrischen TSntladungszone.

In Fig» 6a ist eine Kammerableitung 6d in einer Ebene mit einem bestimmten Winkel zu der Ebene der Primärgaskammer 1 e angeordnet und führt zu einer Einlaßöffnung 8d für Sekundärgas, die um die elektrische Entladungszone herum angeordnet ist. .lach der Einlaßöffnung 8d für Sekundärgas hat die im wesentlichen rohrförmige elektrische Entladungsaone

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ein sich nach innen erweiterndes Wandteil 26, um so an- ' schließend G-ase zu komprimieren, die in einer Gasableitung 15 a fließen, welche einen geringeren Querschnitt als die Mittelzone 2 a der Kammer hat. Das Wandteil 27 der Gasableitung 15 a enthält eine nachfolgende G-asöffnung 28, die mit einer Ableitung (venting outlet) 29 verbunden ist, welche zu einem G-aslager oder Gasspeicher (supply facilities) oder zu einer Gasrückspeisvorrichtung oder einer Belüftungsvorrichtung in die Atmosphäre führt, die alle nicht gezeigt sind.

Nun zu Mgur 7a. Ein im allgemeinen rohrförmiges, nichtgezeigtes Reaktorgehäuse, das eine Isolierung, eine Kraftleitung, eine Kühlung und eine Abschreckvorrichtung aufweist, die ebenfalls nicht gezeigt sind, beherbergt eine Stab—(oder

τ* ο Ii τ* Rundstab)-Elektrode 32, die sich in einer r-wtgförmigen Primärgaskammer 31 befindet. Das Reaktorgehäuse enthält ferner eine Hohlelektrode 39, die eine im wesentlichen rohrförmige elektrische Entladungszone 33 aufweist. Die Primärgaskammer 31 ist Teil einer Primärgasdüsenvorrichtung, deren Rest nicht gezeigt ist. Diese Kammer 31 steht mit der elektrischen Entladungszone 33 in Verbindung, und diese Zone 33 führt zu einer sich an- ^λ schließenden nicht gezeigten Gasentladungsleitung.Eine Vorrichtung zum Einspeisen von Sekundärgas weist Zuleitungen 34 auf, die eine nicht gezeigte Quelle mit einer Speicherkammer 35 verbinden, die eine zusammenhängende !.chinone besehreibt, welche konzentrisch um die elektrische Entladungszone 33 herum angeordnet l;:t. Die Speicherkammer 33 enthalt".'eine Ab-3.ei tun/¹: '5ό, die :;u ■ t-\i ικ.·-γ i'i,ylJndj*j scHeu KinJaiioi ΐΐ'ΐυι.; 37 für ■'■■■■V." VO 9 8 23/HAO ' :

für Sekundärgas führt, Vielehe in der Wand 38 der elektrischen Entladungszone 33 liegt.

beherbergt

In Figur 8/ein im allgemeinen rohrförmiges Reaktorgehäuse 61, das eine Energieleitung, eine Kühlung und eine Abschreckvorrichtung enthält, welche nicht gezeigt sind, sowie eine geeignete Isolierung 4-9» die zum Teil gezeigt ist aufweist, ein Paar im allgemeinen torusförmige Elektroden 45 und 46, die jeweils zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes mit einer Spule 47 bzw. 58 ausgerüstet sind. Innerhalb des Gehäu^ses 62 befindet sich eine Anordnung für Primärgas mit Zuleitungen 41, die von einer Primärgasquelle kommen, die nicht gezeigt ist, und die zu einer Speieherkammer 42 führen, die eine zusammenhängende Hohlzone um eine elektrische Entladungszone 43 herum beschreibt. Die Speieherkammer 42 hat eine Ableitung 56, die zu einer zylindrischen Primärgaseinlaßöffnung 44 führt. Eine Sekundärgaseinlaßvorrichtung weist eine Zuleitung 51. auf, v/elche von einer nicht gezeigten Sekundärgasquelle kommt und zu einer Speicherkammer 52 führt, die eine ringförmige Hohlzone und eine im wesentlichen rohrförmige Gasableitung 48 herum beschreibt. Die Speicherkammer 52 hat eine Ableitung 53, die zu einer zylindrischen Sekundärgaseinlaßöffnung 54 führt, welche sich in der Wand 55 der G-asableitung 48 befindet. Das Gehäuse 61 enthält einen Stopfen (plug) 57, der an einer Elektrode 46 anliegt, wodurch Gas durch die andere Elektrode 45 gedrückt und aus der Gasableitung 48 heraus gefördert wird.

Bei der in Fig. 7 und 8 gezeigten Vorrichtung kann der Querschnitt sowie die abgestufte Form der Verjüngung bzw.

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Erweiterung der elektrischen. Entladungszonen und die Anordnung und Form der Graseinlaßöffnungen abgewandelt werden, ■

anhand
wie dies vorstehend/der Fig.. T erörtert wurde. Ferner sind die aufbaumäßigen Abwandlungen aus Fig» 2,3,4,5 und 6 apparative Variationen, welche ohne weiteres auf die Vorrichtungen nach Fig. 7· und 8 übertragen werden können, wie es dem Fachmann leicht verständlich ist. Schließlich kann ■".' bei Fig. 7 das Primärgas rund um die Stabelektrode 32 herum aus einer oder mehreren Einlaßöffnungen eingespeist werden, die in einer Ebene, liegen, die im wesentlichen senkrecht zu der Ebene der Elektrode 32 liegt, und diese öffnungen können in einem gewissen Abstand voneinander in der Sähe der elektrischen Entladungszone 33 angeordnet sein. In Fig. können Sekundärgaszuleitungen 41 direkt in die- elektrische Entladungszone 43 führen, und zwar aus einer Speieherkammer oder einer sonstigen Quelle, welche nicht gezeigt ist, wodurch die Speieherkammer 42 und die Kammerableitung 56 vermieden werden kann und. ßasströme geschaffen werden, die innerhalb der elektrischen Entladungszone 43 aufeinander treffen.

Bei der Durchführung eines Verfahrens gemäß der Erfindung mit der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird zwischen den Elektroden 18 und 19 dadurch ein Bogen erzeugt, daß man einen bogenbildenden elektrischen Strom durch die elektrische Entladungsζone 3 hindurchschickt. Ein umzusetzendes Arbeitsgas oder ein reaktionsfähiger fluidisierter Feststoff, der in, einem gasförmigen '!rager mitgerissen wird,- das Arbeitsgas wurde daher vorzugsweise zur besseren Steuerung bzw. Kontrolle

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der Äeaktionstemperatur mit einem inerten Gas verdünnt -, wird durch, die "Zuleitungen 20 in die Primärgaskammer und aus der Primärgaskammer 1 in die Mittelzone"- 2 der Kammer eingeleitet. Aus der Mittelzone 2 der Kammer fließt das Arbeitsgas die elektrische Ent.la-dung.sz one 3 entlang,,. wob eidie Gasmoleküle zuerst zersetzt werden. Durch die Kämmerableitung 6 strömt ein im wesentlichen inertes Gas aus der ersten Füllkammer 5 aus. Dieses im wesentlichen inerte Gas fließt durch die Sekundärgaseinlaßöffnung 8 und am ersten Wandteil 7 der elektrischen Entladungszone 3 entlang, sodaß sich in dieser Zone 3 eine Schutzhülle aus Inertgas um das pLeaktionsgas herum und somit um den Strom des expandierten Abgases in der Gasableitung 15 herum bildet. Gleichzeitig kommt ein im wesentlichen inertes Gas durch die Kammerableitung 12 aus der zweiten bzw. Sekundärspeicherkammer 11 heraus. Dieses im wesentlichen inerte Gas strömt durch die Einlaßöffnung 13 für Sekundärgas und fließt am zweiten 7»^Tandteii 14- der elektrischen Entladungszone 3 entlang, sodaß sich in dieser Zone 3 eine Schutzhülle aus Gas um das Arbeitsgas bildet und infolgedessen um den expandierten Abgasstrom herum innerhalb der Gasableitung 16 bildet.

Dieses im wesentlichen inerte Gas strömt an den kühleren Y/andteilen 7 und 14 der elektrischen Entladungszone 3 entlang und konzentriert das Arbeitsgas in der Nähe der Quelle der elektrischen Energie, wodurch es den Temperaturbereich verengt, auf den das Arbeitsgas während des Durchströmens dieser Zone 3 geholter v/ird, und -wodurch die Energie im .Reaktor besser

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ausgenutzt ist. Ferner kann eine derartige Anreicherung bzw. Konzentrierung des Arbeitsgases die Stabilität des Bogens erhöhen. Schließlich kann das im wesentlichen inerte G-as als Schranke wirken, um eine Ablagerung bzw. Abscheidung von Peststoffen längs der Y/andteile 7 und 14 der elektrischen Entladungszone 3 und entlang der Gasableitungen 15 und 16 zu verhindern und ferner dazu beitragen,um eine Zerstörung der Wand durch korrosive Ausgangsstoffe, Reaktionsprodukte oder Nebenprodukte zu vermeiden.

Das Verfahren gemäß Mg. 7 besteht darin, daiS man zwischen der Stabelektrode 32 und-der Kohleelektrode 39 einen Bogen erzeugt und das Arbeitsgas (oder den fluidisierten Feststoff) in die Primärgaskammer 31 einbringt, damit es dann in die elektrische Entladungszone 33 strömt. Das Gas, welches aus der Speieherkammer 35 für Sekundärgas durch die Kammerableitung 36 ausströmt, fließt aus der G-aseinlaßöffnung 37 heraus und strönrt an der '.'fand 38 der elektrischen Entladungs— zone 33 entlang, wobei es eine Hülle aus Inertgas rund um das Reaktionsgas herum in der elektrischen Entladungsζone 33 und um den Gasabstrom.herum in der sich anschließenden Gasableitung bildet. Bezogen auf Fig. 8 bestellt dieses Verfahren darin, daß man einen rotierenden Bogen z. Ischen den im wesentlichen torusförmigen Elektroden 45 und 46 erzeugt und das Arbeitsgas aus der PrimärgasSpeicherkammer 42 durch die Kammerableitung 56 und die sich anschließende Auslaßöffnung 44 einspeist, damit es mit dem rotierenden Lichtbogen in Berührung kommt. Das Inertgas, welches von der Sekundärgasspeicherkammer 42 durch die Kammer ab leitung 32 ausströmt, kommt aus der Gas_gin-

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laßöffnung 54 und fließt an der Wand 55 der elektrischen Sntladungszone 48 entlang. Infolgedessen bildet das Inertgas eine Schutzhülle um den Abgasstrom in der elektrischen Entladungszone 48 und in der sich anschließenden Gasableitung.

Das Verfahren gemäß Mg. 6 besteht darin, daß man das Inertgas von der Einlaßöffnung 8d für Sekundärgas ausströmen läßt, sodaß es im wesentlichen an dem sich nach außen verjüngenden Wandteil 26 der elektrischen Entladungszone und dann an dem anschließenden Randteil 27 der Gasableitung 15a entlang fließt« Sodann wird das Inertgas durch die sich anschließende. G-aseinlaßöffnung 28 und die Belüftungsableitung geführt,_; um irgendwelche gebildete Peststoffe zu sammeln oder um das Abgas zu lagern oder Abgas abzublasen oder um das Abgas anschließend erneut wieder in die Einlaßöffnung für das Sekundärgas oder in die Primärgaskammer 1 einzuspeisen,

oder . ·

und 27/ar mit/ohne vorherige Reinigung, wobei man ein im wesentlichen reines Inert- oder Arbeitsgas erhalt.

Ein anderes erfindungsgemäßes - Verfahren, das mit der in Fig. 1: gezeigten Vorrichtung durchgeführt wird, besteht darin, daß man ein wenigstens im wesentlichen inertes Gas in die erste Kammer 1 durch die Zuleitungen 20 einbringt und aus der Brimärgaskammer 1 zur Mitte !zone 2 der Kammer und somit dann durch die elektrische^ Ent ladung sz one. 3 leitet,, um es in dieser Zone 3 zu erhitzen. Bei diesem Verfahren wird das Arbeitsgas (reactant gas) oder d;er umzusetzende fluidlsierte Feststoff durch die Sekundarednlaßöffnung 8 und am ersten ,

Wandteil 7der elektrischen Entlädungszone 3 entlang eingespeist, damit es vor der sich anschließenden Reaktion erhitzt h⁷ ?d.rd. In ähnlicher v/eise wird das Arbeitsgas durch die Sekundareinlaßöffnung 13 eingeleitet und strömt am zweiten Wandteil· 14 der elektrischen Entladungszone entlang, sodaß ■ es vor der sich anschließenden Umsetzung vorerwärmt wird. Anschließend kann das vorerhitzte Arbeitsgas von den Reaktorwänden abgeleitet bzw. abgelenkt werden, was beispielsweise

in durch nicht gezeigte Prallbleche- erfolgen kann, welche/ der Gasableitung 15 und 16 angeordnet sind, damit es zu einer turbulenten Vermischung und einer wesentlichen Umsetzung in dem heißen Inertgas kommt^

Wahlweise kann diese Ablenkung von vorerhitztem Arbeitsgas von den Reaktorwänden auch dadurch erreicht werden, daß man einen zusätzlichen Gasstrom einleitet, der' Wirtschaftlichkeit halber vorzugsweise ein im wesentlichen unverdünntes Arbeitsgas, welches in die Reaktionszone eintritt, was beispielsweise durch eine sich anschließende Graseinlaßöffnung erfolgen kann-,. äie sich in den ?/änden der Gasableitung befindet. So kann beispielsweise bei Mg. 6 ein Arbeitsgas aus der sich anschließenden Gasleitung 28 eingespeist werden, die sich in dem Wandteil 27 der Gasableitung 15 a befindet, damit dieses nach Vermischen mit erhitztem Inertgas: umgesetzt wird. Gleichzeitig kann das aus der sieh anschließenden Gaseinlaßöffriung ausströmende Gas ein vorerhitztes Arbeitsgas in das heiße: Inertgas miteinbringen, damit sieh das vorerhitzte Gas darin ums&tzt* und dieses vorerhitzte Arbeitsgas strömt dann an dem Wandteil 27 der Gasableitu,ng 15 a vor der sich.

anschließenden Gaseinlaßöffnung entlang.

Für den Fachmann ist es sicher, klar, daß sich dieses' Vorerhitzverfahren des Arbeitsgases, das aus den Sekundärgaseinlaß öffnungen kommt, bevor- es mit heißem Inertgas vermischt wird, das aus den Primärgaseinlaßöffnungen kommt, gi ohne weiteres auch auf Verfahren des klassischen Plasmastrahls nach Fig. 7 sowie auf einen Reaktor gemäß Fig. 8, dessen Elektrode mit einer Spule versehen ist, anwenden läßt.

;enn Sohlelektroden, d.h. Elektroden, die eine Spule hohle Kammer haben, sodaß wenigstens ein !Teil des Lichtbogens fixiert wird, entweder als Kathoden oder Anoden oder als beides zusammen verwendet werden, so bewegen sich die kathodisehen oder anodischeii Zündpunkte (strike points) des Bogens im allgemeinen radial um solebe Kammern herum, und zwar - aufgrund der natürlichen Turbulenz des Gases. Ferner können sich diese Zündpunkte auf der ganzen; Länge der Kammer unter dem jünfluß der Gas turbulenz hin und her bewegen. Auf diese ','/eise' ist es zu verstellen, daß sich die elektrische Entladungszone, in der sich die Bogenzlindpunkte befinden, im hierin gebrauchten dinn auf eine Zone bezieht, die ihre Grenzen kontinuierlich änderr kann. Aus diesem Grund mischt sich die elektrische Än'tladungszone auch in die nachfolgende Gasableitung oder Ableitungen, und hat daher keinen festen Endpunkt.. Diese Kombination von elektrischer Entladungszone und sich anschließender Gasableitung wird der Sinfachheit halber im folgenden als "iieaktorzone" bezeichnet. . " ·

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Als Beschickuhgsmaterial für den beschriebenen Bogenreaktor eignet sich jedes Material, das auch für andere Lichtbogenvorrichtungen verwendet wird. Ausgangsstoffe sind Stickstoff, der zur Herstellung von Dicyan, Blausäure, Stickstof foxyden, Hydrazin, [Titannitrid oder Wolframnitrid und ähnlichem verwendet wird; Wasserstoff, der beispielsweise zur Herstellung von Blausäure, metallischem Aluminium aus Aluminiumoxyd und 'Titannitrid aus Titantetrachlorid verwendet wird; Ammoniak, das zur Herstellung von Titannitrid und Blausäure Verwendet wird, und man kann ferner Sauerstoff.zur Herstellung, von Acetylen oder Stickoxyden verwenden. Schließlich eignen sieh auch fluidisierte .Feststoffe, wie beispielsweise Kohle, Aluminiumoxyd sowie Titan- und Y/olframpulver, die gewöhnlich in einem Gas mitgerissen werden, das im wesentlichen ein Gras ist, welches mit dem fluidisierten Feststoff in dem Reaktor reagiert. Zur Herstellung von Titannitrid läßt sich so beispielsweise fluidisiertes Titan in im wesentlichen unverdünntem Stickstoff anwenden.

Ferner eignet sich eine Beschickung in Form verflüchtigter

Kohlenwasserstoffe, z.B. ein im wesentlichen pHraffinisehes,

gecraekt

gasförmiges Material, das unter Bildung von Acetjnylen 4g!gXä3ßX3E& werden kann, und das im allgemeinen aus Kohlenwasserstoffen mit bis zu etwa 10 Kohlenstoffatomen besteht. Oft können Kohlenstoff- oder Wolframbeschickungen als selbstverzehrende Ektroden vorhanden'sein, z.B. als Stabelektrode 32 in Fig. Zu im wesentlichen nichtreagierenden G-asen, d.h. zu Inertgasen, die siöh zur Aufivechterlialtung des Bogens oder als Verdünnungs-

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mittel zur Temperaturkontrolle eignen,"gehören'Argon, Helium, Stickstoff,Wasserstoff (Stickstoff und Wasserstoff können ebenfalls als Inertgase im oben gebrauchten Sinn verwendet werden) oder deren Gemische, die in der Technik oft als Facfcel- oder Bogengase bezeichnet werden. ·

Selbstverständlich kann ein Arbeitsgas oder ein Inertgas, wenn dieses entweder als Primär- oder als Sekundärgas verwendet wird, ein "reines" Gas oder ein Verdünntes Gas sein, beispielsweise ein Arbeitsgas, das mit Inertgas oder mit einer Teilmenge" des Abgases aus dem Reaktor verdünnt ist. Ein solches verdünntes Arbeitsgas bildet dann ein Gemisch, welches im hierin gebrauchten Sinn "im wesentlichen" ein Arbeitsgas ist. Der 7/lrtschaf tlichkeit halber werden als "reine" Gase vorzugsweise solche Gase verwendet, die leicht verfügbare technische Gase darstellen, und die oft weniger als etwa 5 VoI,^ Verunreinigungen enthalten und etwa 1 Vol.'/o oder noch 'weniger Verunreinigungen enthalten können. Wenn ein Inertgas das Primärgas ist, so wird der Ausbeute und der Wirtschaftlichkeit halber vorzugsweise oft ein wirklich reines Inertgas ver?/endet. Wenn das Inertgas das Sekundärgas ist, so ist es vielfach wirtschaftlich als solches Sekundärgas eine zurückgefIhrte Teilmenge des Reaktorabgases zu verwenden, wobei diese Teilmenge gegebenenfalls zur Anreicherung von Inertgasen aufgearbeitet wird* Solehe rückgeführten Gase können jedoch bis zu 40 VoI₀^ an gasförmigen Verdünnungsmitteln für das umzusetzende Gas und das Reaktionsprodukte enthalten, vorzugsweise sollen sie jedoch zwecks guter Ausbeute

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weniger als etwa 25 VoI.^ derartiger Verdünnungsmittel - - enthalten. ■ : —

- . Wenn ein Arbeitsgas das Primärgäs ist,, so wird dieses .- " oft mit bis zu 60 YoI.$ oder darüber mit Inertgas verdünnt, um die Steuerung der Temperatur während der Reaktion zu verbessern. Obgleich diese Verdünnung normalerweise von dem besonderen verwendeten gasförmigen Ausgangsstoff abhängt, empfiehlt es sich im allgemeinen aus Wirtschaftlichkeitsgründen, daß dieses verdünnte Gas wenigstens 50 YoI.^ Ärbeitsgas, und vorzugsweise, um die Reaktion weiter zu verbessern,. wenigstens etwa 75 YqI.$ Arbeitsgas, enthält,- ~„^?enn das umzusetzende Arbeitsgas das Sekundärgas ist, oder wenn dieses in die innere Zone einer G-asableitung aus einer sich anschließenden G-aseinlaßöffnung, die sich nach der bekundareinlaiBöf fnung befindet, eingespeist -wird., !verwendet man normalerweise, ein " reines Arbeitsgas und be\orzu^t dieses der V/irtschaf tlichkei b halberj. Es kann jedoc'i auch nicht umgesetztes G-as aus dem .■■'.-. Reaktorabgas zurückgespeist werden, welches gasförmige Verunreinigungen enthält, um eine Teilmenge des öekuiidärarbeits-'gases zn bilden, sodaL· ein Sekundärarbeitsgas. oft-bis.zu 40 Vol. /S verdünnt sein kann.

Im allgemeinen wird das Sekundärgas in die Reaktorzone bei erhöhtem Druck eingespeist, d.h. bei überatmosphärischem Druck". Das üekundärgas kann jedoch auch bei im wesentlichen atmosphärischem Druck zugeführt werden, was durch den Saugeffekt des Primärgases begünstigt wird» Obgleich Reaktoren

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auch bei unteratinosphärisclierf Drucken, d.h. "bei 0,.1 Atmosphären, oder atmosphärischen oder überatinosphärischen Drucken "betrieben werden können, hält man der guten Ausbeute und
Y/irksanikeit wegen die Zuströme an Primärgas und die Reaktorzonen vorzugsweise, auf einem Druck zwischen etwa 1,5 und etwa 5
Atmosphären.

Die Erfindung wird anhand' des folgenden Beispieles näher erläutert. Hierzu wird eine Vorrichtung verwendet, die der in Fig. 1 gezeigten ähnelt, wobei man durch Cracken von Methan
Acetylen herstellt. „

Beispiel

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Beispiel

Die elektrische Entladungslextung in dem Reaktor, d.h. die leitung 3 in Pig. 1, hat einen Durchmesser von etwa 6,3 mm (0,25 inch) und eine Länge von etwa 32 mm (1,25 inch) für den Abschnitt mit gleichbleibendem Durchmesser, der sich zwischen den sich nach außen erweiterten Bereichen der Leitung befindet. Der Reaktor wird mit einer Energie betrieben, die auf 425 Kilowattstunden gehalten wird. Der Reaktor ist wassergekühlt, und zum Abschrecken wird ein Wassersprühregen verwendet. Hinter der Abschreckzone wird ein Reaktordruck von etwa 3>2 kg/cm (45 p.s.i.g.)' für beide Verfahrensweisen gemessen, wie im folgenden noch erörtert wird. .

Als Gase werden etwa 418 m (4500 cbf) Wasserstoff mit 3inem Wasserstoffgehalt von 99,9 Vol.$ und 418 m . (4500 cbf) Erdgas, mit 83,5 Vol.$ GH₄, 12,5 VoI.# C₂H₆, 0,2 VpI.$ CO₂ und dem Rest Stickstoff, verwendet. Die G-ase werden in den Reaktor mit Raumtemperatur eingespeist, d.h. sie werden vorher nicht vorerhitzt_e

Zu Beginn des Versuchs wird der Reaktor in einer

3 ersten Verfahrensweise betrieben, d.h. etwa 344 m (36OOcbf) Wasserstoff werden zugesetzt, den man längs der Wände der

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Reaktorzone strömen läßt, d.h. also durch die Einlaßöffnungen 8 und 13 der Fig. 1, um so eine Wasserstoffschutzhülle um das Erdgas herum zu "bilden, welches der Reaktorzone gleichzeitig zugesetzt wird, sodaß sich im wesentlichen ein Erdgasplasma ergibt. Anschließend hieran wird der Reaktor nach einer zweiten Verfahrensweise betrieben, d.h. der Rest des Wasserstoffs wird mit dem Rest . des Erdgases vorgemischt, die ursprürgLiehen Wasserstoff-Zuleitungen sind geschlossen und das gebildete vorgemischte Gas wird der Reaktorzone zugesetzt, und zwar an der Stelle, an der vorher nur 'das Erdgas zugesetzt würd-e* d.h. an der Einlaßöffnung 17 in Fig. 1 für Primärgas j wobei sich ein übliches Wasserstoff-Erdgas-Plasma bildet. Für beide Verfahrensweisen, d.h. die Verfahrensweise vor dem Vormischen der Gase und nach dem Vormischen der Gase;, betrüg die Reaktionszeit vor dem Äbschrekcen etwa .0,00035 Sekunden.

i)ie Analyse des gebildeten Gases, das die Abschreckzone verließ, ergab folgende Werte:

Erdgaseinspeisung j Einspeisung eines Hp wurde längs der Vörgemlsches aus Reakt orwand züge s et ζ t H^ und Erdgas

Prozent an Kohlenstoff in den eingespeisten Gasmole-

külen, der in G„H ■■---■ '

umgewandelt wurae^ 65 50

Kraftverbrauch in

Kilowattstunden pro kg

(pro Ib) gebildetem 9,2 - 9,5 12,3

C₂H₂ (4,2 - 4,3) -.( 5,6 ) .

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Den obigen Werten Ist zu entnehmen, daß eine Umhüllung des Erdgases durch Wasserstoff im "Vergleich zur Verwendung eines herkömmlichen Wasserstoff—Erdgas-Plasmas eine verbesserte Umwandlung der Beschickung zu dem gewünschten Acetylen ergibt und eine ausgezeichnete Abnahme der zur Herstellung von Acetylen erforderlichen Energiemenge.

Pat entans prüche

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Claims (1)

1. Patentanspräche

   1. Verfahren zur Durchführung von Reaktionen im Lichtbogen, dadurch g e.k e η η ζ e i c h η e t, dass man ein Primärgas durch die Reaktionszone mit dem Bogen führt und ein Sekundärgas durch zuininuest einen Teil der Reaktionszone leibet und dieses zur Umhüllung des Primärgasstromes längs der ¥ände der Reaktorzone führt.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man a*ls Primärgas ein iirbeitsgas, wie Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Ammoniak und Kohlenwasserstoffe mit unter etwa 1o Kohlenstoffatomen, und als Sekundärgas ein Inertgas, wie Argon oder Helium, verwendet.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -■ zeichnet, dass man als Primärgas im wesentlichen ein Inertgas und als Sekundärgas im wesentlichen ein Arbeitsgas verwendet. -

   4· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet, dass man als Primärgas einen iluidisierten Feststoff in einem gasförmigen Träger verwendet.

   5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man wenigstens einen Teil des Sekundärgases nach der Reaktionszone abführt.

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   BAU

   ORIGINAL

   β. ' Verfahren iaucii einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η a ei c Ii η e t, dass man in die Reaktioaszone ein "bereits umgesetztes Arbeitsgas zurückführt.

   7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 "bis 6, mit einem im allgemeinen rohrförmigen Reaktor für die Reaktionszone mit dem Lichtbogen und Elektroden, Zuführungen in die Reaktionszone und Ableitungen für das Reaktionsgemisch, gekennzeich n-e t durch eine Zuführung für Sekundärgas, die so ausgebildet ist, dass das Sekundärgas im wesentlichen längs der Wände von wenigstens einem Teil der Reaktionszoiie strömt.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, dass die Zuführung für Sekundärgas aus einem oder mehreren, im wesentlichen ringförmigen Schlitzen

   besteht. ..-■■■-- ..

   y. Vorrichtung nach einem "der vorhergehenden .Ansprüche, dadurch g e k e u η ζ ei c h η e ü, dass die Zuführung für Sekundärgas ein gaspermeabler Zylinder ist, der als Auskleidung des■-Re.aktionsgehaus.es im Bereich-der Reaktionszone liegt und mit Zuführungen .für das Sekundär gas verseilen ist.

   1o. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch. g e kenn η e .1 c h η e t, daau zumindest eine Elektrode eine im weBeritlichoti zylindrische !iohlelektrode

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   ist, die zumindest teilweise einen Teil der Reaktionszone bildet, und dass die Zuführvorrichtung für Sekundär gas in den ÜlektrodenhQhlrauBi führt»

   11. Vorrichtung nach, einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch, g e k e η η ζ e i c Ii η e t, dass nach der Zuführung für Sekundärgas eine Ableitung zum Austrag eines Teiles des Reaktionsgeniisch.es vorgesehen ist.

   - ■■■■'■ ■ - ζ

   12. Vorrichtung nach, einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η ηζ e lehn e t, dass nach der Zuführung für.Sekundärgas eine weitere Zuführung vorgesehen ist, mit der Gas in die innere Zone der G-asableitung geführt werden kann. .."";-."

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