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Verfahren und Vorrichtung zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen oder
solche enthaltenden Substanzen im flüssigen Zustand Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen oder die
Elementei Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Substanzen im flüssigen Zustand
unter Verwendung von intermittierend in der Flüssigkeit brennenden Lichtbogen.
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Es ist bekannt, Kohlenwassersto:ffe in flüssiger Form durch Verwendung
eines elektrischen: Lichtbogens, der innerhalb der Flüssigkeit brennt, unter Ausnutzung
des starken lokalen Temperaturanstiegs in der Umgebung des. Bogens chemischen Veränderungen,
insbesondere einer Spaltung in gasförmige Produkte mit oder ohne Abscheidung von
festem Kohlenstoff in Form von Ruß zu Unterwerden. Nicht zuletzt infolgei der hohen
Dielektrizitätskons.tante der zu spaltenden Flüssigkeit bereitet dabei die Zündung
und Aufrechterhaltung des Lichtbogens, besonders eines Wechselstrombogens, erhebliche
Schwierigkeiten, denen man beispielsweise durch Erzeugung eines Hilfslichtbogens
zu begegnen versucht hat. Es ist jedoch bisher nicht in allen Fällen möglich gewesen,
eine gleichmäßige Spaltung mit gutem thermischem Wirkungsgrad mit einfachen apparativenm
Mitteln zu erreichen.
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Es sind: auch schon Verfahren beschrieben worden, nach denen. flüssige
Kohlenwasserstoffe durch mit Hilfe rotierender Elektroden erzeugte Lichtbogen gespalten
werden. Der relativ hohle Aufwand für den regelbaren Elektromotor und die wegen
der Notwendigkeit, den Luftsauerstoff vom Spaltraum vollständig fern zu halten,
technisch unvorteilhafte
Durchführung der Rührwelle in das Reaktionsgefäß,
haben, jedoch eine große technische Verwertung dieser Verfahren bisher verhindert.
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Demgegenüber arbeitet das Verfahren der Erfindung mit einem sehr geringe.-,
Aufwand an apparativen Mitteln, so daß eine hohe. Betriebssicherheit gewährleistet
ist, wobei .infolge der Eigenart des Verfahrens eine optimale Ausnutzung der aufgewandten
Energie erreicht wird. Erfindungsgemäß erfolgt die Spaltung der in flüssiger Form
vorliegenden Kohlenwasserstoffe oder kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen mit Hilfe
eines, vorzugsweise einer Vielzahl von intermittierend aufrechterhaltenen Lichtbogen,
die zwischen, den Elektroden mittels einer oder mehrerer beweglicher, als langgestreckte
Körper von beliebiger Querschnittausbildung geformter Hilfselektroden gebildet werden.
Die Hilfselektrode selbst ist mit der Stromquelle nicht verbunden, muß aber zum
mindesten an ihrer Oberfläche aus einem stromleitenden Werkstöff bestehen. Sie ist,
wie erwähnt, beweglich, so daß sie zur Zündung des Bogens, die eigentlichen. Bogenelektroden
überbrücken kann und dann von diesen abgehoben wird, wobei der Bogen bis zum Abreißen
ausgezogen wird. Anschließend bewegt sich die Hilfselektrode wieder gegen die Bogenelektroden:
bis. zur Herstellung des direkten Stromflusses, wird dann wieder abgehoben, wobei
sich der .geschilderte Vorgang peri ; odisch wiederholt. Wählt rnan mehrereoder
eine Vielzahl von Hilfselektroden, so entstehen an jedem Elektrodenpaar eine Vielzahl
von kleinen Lichtbogen, wodurch der Wirkungsgrad des Verfahrens der Erfindung außerordentlich
erhöht und, da der ganze Vorgang sich innerhalb der Flüssigkeit abspielt, eine gute
Wärmeausnutzung gewährleistet wird.
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Nach einer besonders vorteilhaften, Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Gewicht der Hilfselektroden auf die Wichte der zu spaltenden
Flüssigkeit derart abgestimmt, daß die Hilfselektroden, sich unter ihrem Eigengewicht
in der Flüssigkeit nach unten auf die Bogenelektroden zu bewegen und die Bewegungsrichtung
durch den Auftrieb der, gasförmig aus der Flüssigkeit entweichenden Spaltprodukte
umgekehrt wird, wodurch das Abheben der Hilfselektrode von den Bogenelektroden bewirkt
wird. Solange sich die Hilfselektroden nach oben von den Bogenelektroden wegbewegen,
brennt bis zu einer gewissen Entfernung der Lichtbogen, worauf nach Aufhören der
Gasentwicklung die Hilfselektrode sich unter ihrem Eigengewicht auf jeweils ein
Paar der Bogenelektroden auflegt und den Kurzschluß für die Erzeugung eines neuen
Lichtbogens herstellt.
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Als Hilfselektroden werden, wie schon ausgeführt, langgestreckte Körper
von beliebiger Querschnittsausbildung verwendet. Die Dicke dieser Körper soll größer
sein als der Abstand je zweier Elektroden, damit eine sichere Auflage und eine zuverlässige
Herbeiführung des Kurzschlusses zwischen den Bogenelektroden und der Hilfselektrode
gewährleistet ist. Man kann selbstverständlich auch Hilfselektroden von geringer
Stärke verwenden, die dann jedoch mit entsprechenden Fortsätzen versehen sein müssen,
durch die die Auflage auf das Elektrodenpaar bewirkt wird. Man kann sie auch, um
die Berührungsfläche mit den Bogenelektroden zu vergrößern, mit Schneiden versehen,
die zwischen die Hauptelektroden eindringen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein,
diese Schneiden sägezahnartig auszugestalten, wobei der Kurzschluß und die Bogenbildung
nur über die Zähne gehst, so daß an zwei langgestreckten Elektroden gegensätzlicher
Polarität beim Abheben der Hilfselektrode eine Vielzahl von Lichtbögen sich bilden
kann.
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Die Abstimmung des Gewichtes der Hilfselektroden, sofern es sich um
zusammenhängende Formkörper handelt, kann entweder durch Verwendung eines porösen.
Materials, insbesondere eines Metalls, oder durch Anbringung entsprechender Au;snehmungen
oder Gegengewichte vorgenommen werden. Im allgemeinen wird man die Hilfselektroden
oberhalb der Bogenelektroden am Spaltgefäß selber oder an Hilfsvorrichtungen waagebalke-nartig
aufhängen oder lagern, wobei ein möglichst geringer Auflagedruck bei auf den Bogenelektroden
ruhenden Hilfselektroden eingehalten werden muß.
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Die Bewegung der Hilfselektroden nach unten ist erfindungsgemäß stets
durch die Bogenelektroden begrenzt. Eine Begrenzung der Bewegung nach oben kann
erforderlichenfalls dadurch erfolgen, daß oberhalb der Bogenelektroden in dem Spaltgefäß
ein Netz oder Sieb angeordnet wird, durch das gleichzeitig unter Reinigung der gasförmigen
Spaltprodukte mitgerissene Flüssigkeitströpfchen zurückgehalten werden.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung erlaubt in vorteilhafter
Weise eine Hintereinanderschaltung einer größeren Anzahl von Hauptelektroden bzw.
Hauptelektrodenpaaren., durch die eine Stabilisierung der Entladungen bewirkt wird.
Der zeitliche Abstand der einzelnen Lichtbogen oder Lichtbogengruppen kann durch
Größe und Geweicht der Hilfselektroden in einfacher Weise geregelt und auf die Art
der jeweils zu ersetzenden Flüssigkeit abgestimmt werden. Das Verfahren ist einer
vielseitigen Anwendung fähig und besonders geeignet beispielsweise für die Zersetzung
von kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen aller Art, z.. B. Paraffinen., Aromaten
oder Naphthenen sowie entsprechender Rückstände unter Erzeugung von Wasserstoff
und Acetylen enthaltenden Gasgemischen.
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Es bereitet keine Schwierigkeiten, in den Spaltprodukten ein Verhältnis
von Wasserstoff zu Acetylen größer als i einzustellen. Eine typische Gaszusammensetzung
für das Verfahren der Erfindung ist beispielsweise:
| Volumprozent |
| Acetylen .. .. .. .. .. .. .. ........ 30 |
| Wasserstoff .................... 50 |
| Methan ................ ...... 5 |
| Äthan ....................... 5 |
| andere Kohlenwasserstoffe ..... io |
Daß diese Gaszusammensetzung vom Ausgangsstoff weitgehend unabhängig
ist, ergibt sich daraus, daß bei der Spaltung von im wesentlichen Paraffine enthaltenden
Ausgangsstoffen das Verhältnis Wasserstoff zu Acetylen 50:3o, bei Aromaten 6o:33
und bei Naphthenen 55 :3o beträgt.
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Man kann nach dem Verfahren der Erfindung leicht zu einem Produkt
gelangen, das als. acetylenhaltiges Schweißgas für die Autogenschweißung besonders
geeignet ist. Worden schwefelhaltige Rückstände, beispielsweise solche der Erdöl-
oder Teerverarbeitung, der Spaltung unterworfen, so entstehen, mit Schwefel verunreinigte
gasförmige Spaltprodukte, die jedoch, ohne die Eignung für den obenerwähnten Verwendungszweck
nachteilig zu beeinflussen, in an sich bekannter Weise in über Schwefel absorbierenden
Massen gereinigt werden können.
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Ein weiteres vorteilhaftes Anwendungsgebiet für die Erfindung bietet
sich in der gleichzeitigen Erzeugung von Ruß und ungesättigten gasförmigen
Kohlenwasserstoffeh bzw. solche enthaltenden Gasen. Das Gewichtsverhältnis zwischen:
Ruß und Gas im Spaltprodukt ist durch passende Wahl der Ausgangsprodukte in weiten
Grenzen wählbar. Die Ausbeuten sind, bezogen auf den Stoffeinsatz, beim Lichtbogenverfahren
größer als bei der bekannten pyrogenen Rußherstellung, da der eingesetzte Ausgangsstoff
praktisch vollständig als Ruß und Gas wiedergewonnen werden kann. Die Energieausbeute
ist für aromatisch- Kohdenwasserstoffe besonders hoch.
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Eine Vorrichtung, wie sie zur Ausübung des Verfahrens mit vorgeformten
Hilfselektroden nach der Erfindung beispielsweise verwendet werden. kann, ist in
der Abbildung schematisch wiedergegeben. Darin bedeutet i das die zu spaltende Flüssigkeit
aufnehmende Gefäß, in: dem eine Reihe kammartig ineinandergreifender Bogenelektroden
2 und 3 in der Nähe der Bodenfläche und parallel zu dieser angebracht ist. Aus Sicherheitsgränden
ist es empfehlenswert, die Stromzuführung zu diesen Elektroden unterhalb des. Flüssigkeitsspiegels
im Gefäß anzubringen. Im Rand des Gefäßes i sind die gekröpften stabsförmigen Hilfselektroden;
4 nach Art eines Waagebalkens leicht beweglich byei 5 gelagert derart, daß sie in
ihrer tiefsten, Stellung mit dem innerhalb des Spaltgefäßes befindlichen Abschnitt
ganz oder teilweise auf je zwei Bodenelektroden aufliegen oder mit ihren Schneiden
zwischen, diesen eingreifen.
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Eine andere Ausführungsform ist in Abb. 2 dargestellt. Hierbei sind
die Hilfselektroden in dem auf den Hauptelektroden liegenden Teil mehrfach kugelig
ausgebildet, so daß beim Abheben zwischen den kugeligen Teilen und den Hauptelektroden.
eine Vielzahl von Lichtbogen entsteht. In der Abbildung bedeuten 2i und 22 die Hauptelektroden,
23 die HilfselektrGde, die mehrere kugelartige Verdickungen 24 trägt. In der Abbildung
3 ist im Schnitt die schneidenförmige Ausbildung der Hilfselektrode 3 i dargestellt,
die in den Zwischenraum zwischen den Hauptelektroden 32 eingreift. In ähnlicher
Weise zeigt Abb. ¢ die Ausgestaltung der Hilfselektrode 41 mit einer sägezalma.rtigen
Schneide 42.