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Verfahren zum Umpumpen von Gasen oder Dämpfen in geschlossenem Kreislauf
Es wurde gefunden, daß man ohne Zuführung mechanischer Energie, z. B. ohne Anwendung
einer Pumpe, Gase oder Dämpfe in kreisförmig geschlossenen Umlauf setzen kann, wenn
man durch abwechselndes Erwärmen und Abkühlen eines Teiles der in Umlauf zu setzenden
Gasmenge eine Volumvergrößerung bzw. -verringerung dieses Gasteiles bewirkt und
durch Verwendung von geeigneten Ventilen o. dgl. dafür sorgt, daß bei Volumvergrößerung
das erwärmte Gas nur in einer Richtung abfließen kann und daß bei Volumverringerung
ein Teil der gesamten Gasmenge in der gleichen Richtung nachströmt.
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Die Ventile kann man durch die Ausdehnung bzw. Zusammenziehung des
Gases selbst steuern lassen. Die Steuerung kann aber auch von außen, z. B. unter
Zuhilfenahme von Stopfbüchsen oder Elektromagneten, erfolgen. Für das abwechselnde
Erwärmen und Abkühlen kommen die verschiedensten Arten der Heizung und Kühlung in
Frage; die Heizung kann z. B. durch Flammen, durch die Wärme eines elektrischen
Widerstandes, durch heiße Flüssigkeiten, Gase oder Dämpfe usw., die Kühlung durch
Entfernen der Heizquelle mit oder ohne Anwendung kalter Flüssigkeiten, Kälteträger
usw. erfolgen. Man vermeidet hierbei zweckmäßig, insbesondere bei größeren Apparaturen
aus Metall, eine Erwärmung der großen Metallmasse des drucktragenden Gefäßmantels
dadurch, daß man die Heiz-bzw. Kühlvorrichtung im Innern des den periodischen Temperaturänderungen
ausgesetzten Apparateteils anordnet und die Wandung dieses Apparateteils gegen Wärmeübertragungen
vom Innern her isoliert. Beispielsweise kann man vorteilhaft eine im Innern des
genannten Apparateteils eingebaute druckfeste Rohrschlange, durch die man abwechselnd
heißes und kaltes Wasser fließen läßt, oder einen eingebauten elektrischen Heizwiderstand
verwenden.
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Die Umschaltung auf »kalt« oder heiß « läßt sich leicht automatisch
durchführen, z. B. durch Einbau von Thermoregulatoren, die beim Erreichen einer
bestimmten Temperatur einen Umschaltmechanismus betätigen. Statt der Temperaturänderungen
kann man hierfür auch die beim Erwärmen bzw. Abkühlen eintretende Änderung des Drucks
zu Hilfe nehmen, oder man läßt durch ein Uhrwerk in regelmäßigen Zeitabständen umschalten.
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Durch das Folgende und die beiliegende Zeichnung wird das vorliegende
Verfahren weiter veranschaulicht: In eine ringförmig geschlossene Druckapparatur,
die in der Hauptsache aus einem Reaktionsofen R mit Abstreifer besteht, ist ein
an beiden Enden mit geeigneten Ventilen B und C versehener Behälter A eingefügt,
in dem eine druckfeste Rohrschlange eingebaut und dessen Wandung im Innern gegen
Wärmeübertragungen isoliert ist. Die
Apparatur ist mit einem unter
300 at Druck stehenden Reaktionsgasgemisch gefüllt. Die Reaktion zwischen den Gasen
verläuft unter Volumverminderung und unter Bildung flüssiger Produkte. Da das Reaktionsgleichgewicht
wenig günstig liegt, so ist zur Erzielung eines vollständigen Umsatzes die wiederholte
Einführung der Gase in den Reaktionsofen unter jeweiliger Abscheidung des entstandenen
Produktes in dem Abstreifer erforderlich. Das durch die-Reaktion verbrauchte Gas
wird durch Frischgas, das kurz vor dem Reaktionsofen zugeleitet wird, ergänzt. Das
Gefäß A besitzt einen Inhalt von Iol, während der Inhalt der gesamten Apparatur
einschließlich der Rohrleitungen 100 1 beträgt. Das in A befindliche Gas, das Zimmertemperatur
besitzt, wird nun durch etwa 1800 heißen Wasserdampf, der die eingebaute druckfeste
Rohrschlange durchfließt, erwännt. Durch den dadurch entstehenden bberdruck wird
Ventil C geöffnet, und etwa 3 1 des in A befindlichen Gases strömen in den Reaktionsraum
hinüber, während der Druck des in der Apparatur vorhandenen Gases auf rund 310 at
steigt. Nach I bis 2 Minuten läßt man kaltes Wasser durch die Rohrschlange ließen.
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Hierdurch entsteht in A Unterdruck, was ein Schließen des Ventils
C und ein Öffnen des Ventils B zur Folge hat, so daß durch dieses ebensoviel Gas
nachströmt, wie vorhin durch C hinausgedrückt wurde. Der Druck fällt gleichzeitig
wieder auf 300 at. Jetzt wird wieder Dampf durch die Rohrschlange geleitet, und
das Spiel beginnt von neuem.
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Nach etwa 30 Arbeitsperioden ist das Gesamtgas einmal umgepumpt. Um
die im Gefäß A hervorgerufenen Druckschwankungen, die eine gleichmäßige Zuführung
des Frischgases erschweren, zu vermeiden, schaltet man ein zweites gleich großes
Pumpgefäß parallel, dessen Arbeitsperioden um eine halbe Periode gegen die von A
verschoben sind, so daß beispielsweise das zweite Pumpgefäß gerade vom Abstreifer
her Gas ansaugt, während das erste nach dem Reaktionsraum Gas hinüberdrücki. Außerdem
wird durch eine solche Anordnung die Pumpleistung verdoppelt. Unter Umständen ist
es zweckmäßig, noch mehr Pumpgefäße parallel zu schalten, derart, daß man z. B.
ein Gefäß erwärmt, ein zweites abkühlt, ein drittes wieder erwärmt usf. Es ist dies
besonders dann von Vorteil, wenn ein absolut gleichmäßiges Zufließen von Frischgas
erwünscht ist.
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Die vorstehend beschriebene Arbeitsweise kann insbesondere bei solchen
chemischen Prozessen, bei denen mit Rücksicht auf die Erzielung hoher Ausbeuten
die Anwendung möglichst hoher Drucke zweckmäßig ist, z. B. bei der Ammoniaksynthese
oder der Druckhydrierung der Kohle usw., mit Vorteil angewandt werden. In diesen
Fällen ist das umzupumpende Gas ein Stickstoff - Wasserstoff-Gemisch bzw. das Hydriergas,
der Reaktionsofen R enthält den Ammoniakkatalysator bzw. die zu hydrierende Kohle
o. dgl.
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Ein großer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die Verwendung
von Stopfbüchsen oder in die Gasleitung eingebauten Leitungen für die Energiezufuhr
und ähnlichen Vorrichtungen, die bei der Verwendung von Pumpen erforderlich sind
und besonders beim Arbeiten unter hohen Drucken vielfach Anlaß zu Undichtigkeiten
der Apparatur geben und daher die Ursache von Gasverlusten sind, wegfällt. Unter
anderm kann das Verfahren auch vorteilhaft angewandt werden, wenn infolge des Arbeitens
mit aggressiven Gasen oder aus anderen Gründen die Verwendung von Schmiermitteln
ausgeschlossen sein soll.