Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Durchführung photochemischer Synthesen mit einem Photoreaktor und einer Einkoppelung von Strahlungsenergie einer Lichtquelle in den Photoreaktor.
Eine photochemische Reaktion setzt die Absorption elektromagnetischer Strahlung durch einen Reaktionspartner, einen Sensibilisator oder einen Photokatalysator voraus. Von dem Licht eines breitbandig oder Licht unterschiedlicher Wellenlängen emittierenden Strahlers kann häufig nur ein Teil für die photochemische Reaktion genutzt werden. Kurzwelliges Licht kann unerwünschte Nebenreaktionen verursachen oder zur Zerstörung der Zielprodukte führen. Licht grösserer Wellenlängen ist für die elektronische Anregung nicht energiereich genug. Auch innerhalb des für die photochemische Reaktion geeigneten Wellenlängenbereiches werden einige Photonen in höherem Grad absorbiert als andere; solche, die nicht für die gewünschte photochemische Reaktion genutzt werden, können zur unerwünschten Erwärmung des Reaktionsgemisches führen.
Die Durchführung einer bestimmten photochemischen Reaktion hängt damit in erheblichem Masse von der Auswahl einer geeigneten Lichtquelle und der Art der Einbringung des Lichtes geeigneter Wellenlänge ab. Insbesondere kann die Güte einer photochemischen Reaktion, quantitativ erfasst durch Reaktionsumsatz und Selektivität, durch die Anordnung der Strahlungsquelle, ihre Leistung und spektrale Verteilung beeinflusst werden. Fortschritte in der technischen Ausführung photochemischer Synthesen sind daher parallel zu der Entwicklung geeigneter Strahlungsquellen und zu Methoden zur Ausblendung der nicht benötigten Strahlung zu sehen.
Zu den zur Zeit in industriellem Massstab verwirklichten photochemischen Prozessen gehören Photohalogenierungen, Photosulfochlorierungen, Photosulfoxidationen, Photonitrosierungen, Photoisomerisierungen, Photohydrodimerisierungen, Photodesulfonierungen, Photodesulfonylierungen und Photooxygenierungen.
Zur Durchführung dieser Synthesen stehen verschiedene Lichtquellen zur Verfügung, so z.B. Gasentladungslampen, Glühlampen, fluoreszierende Lampen oder Röhren sowie Laser.
Jede dieser Lichtquellen besitzt charakteristische Eigenschaften bezüglich der Art des emittierten Spektrums (kontinuierlich oder linienhaft, Maximum im UV-, sichtbaren oder NIR-Bereich) und der Leuchtstärke. Das Spektrum kann nur in begrenztem Umfang durch Manipulationen an der Lampe, wie z.B. Verwendung verschiedener Leuchtmedien, Dotierungen oder Druckänderungen, beeinflusst werden. Ferner kann durch Filtergläser oder Flüssigfilter (z.B. Lösungen bestimmter Salze oder organischer Komponenten) ein Teil des Spektrums absorbiert werden. Solche Massnahmen können jedoch eine Verkürzung der Lebensdauer der Lampen oder einen höheren apparativen Aufwand und damit höhere Kosten verur sachen. Auch eine Erhöhung der Leuchtstärke ist nur begrenzt möglich und in der Regel mit höherem Stromverbrauch und einer Zunahme des Lampenvolumens verbunden.
Mit Lasern kann man zwar intensive Strahlung einer gewünschten Wellenlänge zur Verfügung stellen, aber ihre Installation und ihr Betrieb sind mit so hohen Kosten verbunden, dass ihr Einsatz aus wirtschaftlichen Gründen nur in sehr speziellen Fällen zu rechtfertigen ist.
Die Lampen sind bei den herkömmlichen, industriell eingesetzten Photoreaktoren zumeist in den Reaktor integriert, um Abstrahlungsverluste in die Umgebung zu vermeiden. Dabei ist in der Regel eine aufwendige Kühlung der Lampen vorzusehen, die das Lampenspektrum nicht nachteilig beeinflussen darf. Der Platzbedarf der Lampen lässt die Raum-Zeit-Ausbeute der Reaktion sinken, ein Up-Scaling der Anlage wird erschwert und ist oftmals nur durch parallel geschaltete Reaktoren realisierbar.
Anstelle elektrisch betriebener Lichtquellen kann auch die Sonnenstrahlung zur Durchführung photochemischer Synthesen genutzt werden. Für die Durchführung der photochemischen Reaktionen wurden grossflächige und voluminöse transparente Reaktionsgefässe verwendet, die der Sonnenstrahlung ausgesetzt werden. In jüngerer Zeit wurden auch linienfokussierende Konzentratoren eingesetzt, durch deren Brennlinie ein transparentes Reaktionsrohr geführt wird. Auch bei diesen mit Sonnenlicht betriebenen Photoreaktoren ist es von Nachteil, dass das komplette Spektrum in den Reaktor eingetragen wird.
Eine Vorrichtung, von der der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeht, ist bekannt aus JP 5-96 155 A2 (Patent Abstracts of Japan C-1096, August 12, 1993, Vol. 17/No. 436). Bei dieser Vorrichtung wird das Licht einer Lichtquelle auf einen Hohlspiegel gelenkt, der Licht einer bestimmten Wellenlänge in eine Kammer leitet, welche an beiden Enden durch lichtdurchlässige Scheiben begrenzt ist und eine lichtdurchlässige Flüssigkeit enthält. Auch hierbei ergibt sich ein erheblicher Platzbedarf, insbesondere für Lichtquelle und Spiegel.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung der eingangs definierten Art eine Vorrichtung zur Einkopplung von Strahlungsenergie einer Lichtquelle in einen Photoreaktor zu schaffen, die es ermöglicht, den gewünschten Wellenlängenbereich ohne Verwendung spezieller wellenselektiver Lichtquellen und ohne Filterung auszuwählen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Die erfindungsgemässe Einrichtung enthält eine fokussierende holographische Vorrichtung, die einfallendes Licht entsprechend den darin enthaltenen Wellenlängen mit unterschiedlichen Fokaldistanzen bündelt. Es ist daher möglich, den Photoreaktor mit einem derartigen Abstand zur holographischen Vorrichtung zu positionieren, dass die gewünschte Wellenlänge bzw. der gewünschte Wellenlängenbereich im Innenraum des Photoreaktors konzentriert wird, während alle übrigen Wellenlängen ausserhalb des Photoreaktors konzentriert werden. Auf diese Weise gelingt es, den für die Photosynthese geeigneten Wellenlängenanteil breitbandig einfallenden Lichts auf den Reaktionsraum des Photoreaktors zu konzentrieren, während alle anderen Spektralanteile des Lichts nur einen relativ geringen Energieanteil im Photoreaktor liefern.
Das wellenselektive Übertragungsverhalten holographischer Vorrichtungen hängt damit zusammen, dass die betreffenden Hologramme erzeugt werden, indem zwei kohärente Lichtstrahlen einer bestimmten Wellenlänge auf einer photoempfindlichen Schicht einander überlagert werden. Wenn auf diese Weise ein fokussierendes Hologramm (als Transmissionshologramm oder als Reflexionshologramm) erzeugt worden ist, fokussiert das Hologramm in dem der Hologrammerzeugung entsprechenden Brennpunkt nur diejenige Wellenlänge, die gleich der hologrammerzeugenden Wellenlänge ist. Wellenlängen in einem spektralen Bereich um eine zentrale Wellenlänge, die durch die Aufnahme in weiten Grenzen wählbar ist, werden ebenfalls fokussiert, jedoch mit anderen Brennweiten. Die Techniken zur Erzeugung fokussierender Hologramme sind bekannt und brauchen daher nicht im Einzelnen erläutert zu werden.
Als Lichtquelle kommt jede Strahlungsquelle in Betracht, die den für die Photoreaktion benötigten Wellenlängenbereich emittiert. Insbesondere ist der Direktstrahlungsanteil der Sonne von Interesse. Die holographische Vorrichtung kann punkt- oder linienfokussierend wirken. Sie befindet sich wie die Lichtquelle ausserhalb des Photoreaktors und lenkt selektiv den für die Reaktion idealen Wellenlängenbereich in den Reaktor. Die nicht benötigte Strahlung fällt neben den Reaktor und kann ggf. einer anderen Verwendung zugeführt werden. Im Falle der Verwendung von Transmis sionshologrammen befindet sich die holographische Vorrichtung zwischen Lichtquelle und Reaktor. Im Falle der Verwendung von Reflexionshologrammen befindet sich der Reaktor zwischen Lichtquelle und holographischer Vorrichtung.
Durch Variation der Grösse der holographischen Vorrichtung kann die Bestrahlungsstärke auf den Reaktor eingestellt werden. Ein Up-Scaling ist daher unter Beibehaltung der Lichtquelle und unter Umständen ohne Reaktorvolumenzunahme sehr gut möglich. Die holographische Vorrichtung kann ein einziges Hologramm aufweisen, oder bei grösserer Flächenausdehnung auch mehrere in einer gemeinsamen Ebene liegende Hologramme. Bei mehreren Hologrammen sind die Brennweiten sämtlicher Hologramme für dieselbe Wellenlänge einander gleich.
Als Photoreaktor kommen verschiedene Reaktortypen in Betracht, die dem Strahlengang des Systems und den reaktionskinetischen Belangen angepasst werden müssen. Linienfokussierende holographische Linsen bieten die Verwendung von Strömungsrohrreaktionen an, die parallel zur holographischen Vorrichtung in variablen Abständen im gewünschten Wellenlängenbereich angeordnet werden. Auf diese Weise können mit einer optischen Anordnung simultan mehrere, in unterschiedlichen Wellenlängen sensible photochemische Reaktionen durchgeführt werden.
Viele photochemische Reaktionen benötigen UV-Licht und kurzwelliges, sichtbares Licht. Wird die Sonne als Lichtquelle genutzt, kann der für die Reaktion nicht genutzte, erhebliche Anteil langwelliger Strahlung von einem Absorberrohr aufgefangen werden und z.B. zur Prozesswärmeerzeugung dienen. Das erreichbare Temperaturniveau liegt in dem System deutlich oberhalb des Temperaturniveaus, das bei der Kühlung von Lampen bei der herkömmlichen Technik anfällt. Es bietet sich die Verwendung einer reflektierenden, holographischen Einheit in Kombination mit einem Plattenabsorber oder die Verwendung einer solchen mit einer nachgeschalteten konzentrierenden holographischen Vorrichtung in Kombination mit einem Rohrabsorber an. Die Fensterbreite der reflektierten oder transmittierten Wellenlängen kann in weiten Grenzen variiert werden.
Bei einem in Richtung des Lichteinfalls transparenten Reaktor können die an der Reaktion beteiligten Stoffe in paralleler Stromrichtung oder Gegenstromrichtung geführt werden. Der in den Reaktor eingekoppelte, gewünschte Wellenlängenbereich lässt sich sowohl durch die Eigenschaften der holographischen Vorrichtung, als auch durch das Durchmesser-/Längenverhältnis des Reaktors steuern.
Ein senkrecht zur optischen Achse aufgestellter Reaktor kann durch entsprechende Einbauten als Fallfilmreaktor konstruiert werden. So lassen sich kurze Aufenthaltszeiten der Reaktionsmischung in der Strahlungszone realisieren, die oftmals notwendig sind, um Folgereaktionen der Reaktionsprodukte zu vermeiden. Die Anregung der Moleküle durch Absorption eines Photons geschieht hingegen sehr rasch.
Absorbieren die Reaktionspartner, Sensibilisatoren oder Photokatalysatoren das eingestrahlte Licht nicht vollständig, kann eine Verspiegelung der Reaktorwände Lichtverluste minimieren.
Durch Anbringen eines weiteren holographischen Systems auf das Strahlungseingangsfenster des Photoreaktors lässt sich der Strahlengang im Reaktor beeinflussen. Auf diese Weise kann z.B. die Strahlungsflussverteilung homogenisiert werden.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die lichtlenkende Wirkung eines fokussierenden Transmissionshologramms für unterschiedliche Wellenlängen,
Fig. 2 die lichtlenkende Wirkung eines fokussierenden Reflexionshologramms für unterschiedliche Wellenlängen,
Fig. 3 eine Ausführungsform mit drei rohrförmigen Photoreaktoren,
Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der unter Verwendung eines Reflexionshologramms die das Hologramm durchdringende langwellige Strahlung einem Absorber zugeführt wird,
Fig. 5 eine Ausführungsform ähnlich derjenigen von Fig. 3, bei der der das Reflexionshologramm durchdringende Strahlungsanteil von einem Transmissionshologramm auf einen Photoreaktor konzentriert wird,
Fig.
6 eine Ausführungsform mit einem Reaktor, dessen Achse in Richtung der optischen Achse der holographischen Vorrichtung verläuft, wobei das Produkt im Mitstrom mit dem in den Reaktor einfallenden Licht geführt wird,
Fig. 7 eine Ausführungsform entsprechend Fig. 6, wobei das Produkt im Gegenstrom zu dem einfallenden Licht geführt wird,
Fig. 8 eine Ausführungsform mit kastenförmigem Reaktor, und
Fig. 9 eine Ausführungsform mit einer lichtlenkenden optischen Vorrichtung vor dem Strahlungseinfallfenster eines Reaktors, dessen Achse entlang der optischen Achse der holographischen Vorrichtung verläuft.
In Fig. 1 ist eine holographische Vorrichtung HT dargestellt, die als Transmissionshologramm ausgebildet ist. Die holographische Vorrichtung HT besteht aus einer lichtdurchlässigen Scheibe oder Folie, die an einer Seite mit einer holographischen Schicht versehen ist. Diese holographische Schicht wurde bei der Hologrammerzeugung mit zwei kohärenten Strahlen belichtet, wobei ein Modulationsmuster entstanden ist, das ausgehärtet wurde. Es ist auch möglich, das Hologramm dadurch zu erzeugen, dass von einem Master-Hologramm Kopien, z.B. im Abdruckverfahren oder durch optisches Kopieren, hergestellt werden.
Die holographische Vorrichtung HT wird aus der Einfallsrichtung mit Licht L beaufschlagt, das entweder von einer natürlichen Lichtquelle (Sonne) oder einer künstlichen Lichtquelle (Lampe) erzeugt wird. Dieses polychromatische Licht, das sich aus Anteilen zahlreicher Wellenlängen zusammensetzt, wird auf der Einfallsseite gegenüberliegenden Ausfallsseite fokussiert. Licht der Wellenlänge R1 wird mit einer Fokalweite f1 fokussiert und Licht einer Wellenlänge lambda 2 wird mit der Fokalweite f2 fokussiert. Wenn lambda 1 grösser als lambda 2 ist, die Fokalweite f2 grösser als die Fokalweite f1. Die Differenz der beiden Fokalweiten ist relativ gross, was durch die Erfindung ausgenutzt wird, um die Behandlung des Reaktionsmediums bevorzugt mit einer ganz bestimmten Wellenlänge vorzunehmen.
Das einfallende Licht kann im jeweiligen Fokus um einen Faktor von 1 bis 10<4> konzentriert werden.
Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 1, wobei die holographische Vorrichtung HR ein Reflexionshologramm ist. Licht einer Wellenlänge lambda 1 wird mit der Fokalweite f1 fokussiert und Licht einer Wellenlänge lambda 2 wird mit der Fokalweite f2 fokussiert, wobei die beiden Foki auf derselben Seite der holographischen Vorrichtung HR liegen, auf der der Lichteinfall erfolgt. Wenn die Wellenlänge lambda 1 grösser ist als die Wellenlänge lambda 2 ist die Fokalweite f1 kleiner als die Fokalweite f2. Das Reflexionshologramm lässt einen Lichtanteil als Transmissionslicht LT durch. Die Wellenlängen des Transmissionslichts LT sind zum überwiegenden Teil grösser als die längste oder kleiner als die kürzeste Wellenlänge, die von dem Reflexionshologramm reflektiert werden.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel, bei dem das einfallende Licht durch eine holographische Vorrichtung HT, die ein Transmissionshologramm ist, entlang der optischen Achse OA fokussiert wird, wobei sich unterschiedliche Fokaldistanzen für die Wellenlängen lambda 1, lambda 2 und lambda 3 ergeben. Im Abstand der jeweiligen Fokaldistanz ist ein Reaktor R1, R2, R3 parallel zur holographischen Vorrichtung HT angeordnet. Diese Reaktoren sind Rohre aus lichtdurchlässigem Material, z.B. Glas. Die holographische Vorrichtung HT ist im vorliegenden Fall linienfokussierend, nach Art einer Zylinderlinse. Der Lichtanteil mit der Wellenlänge lambda 1 wird in dem rohrförmigen Reaktor R1 fokussiert, der Lichtanteil mit der Wellenlänge lambda 2 wird in dem rohrförmigen Reaktor R2 fokussiert und der Lichtanteil mit der Wellenlänge lambda 3 wird in dem rohrförmigen Reaktor R3 fokussiert.
In Fig. 4 ist eine linienfokussierende holographische Vorrichtung HR als Reflexionshologramm dargestellt. Auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite der holographischen Vorrichtung HR ist ein rohrförmiger Reaktor R derart angeordnet, dass die von der holographischen Vorrichtung HR reflektierte Strahlung im Innern des Reaktors R fokussiert wird. Transmissionslicht LT, welches die holographische Vorrichtung HR durchdringt, fällt auf einen hinter der holographischen Vorrichtung angeordneten Absorber AB, der von einem wärmeabsorbierenden Fluid durchströmt wird. Auf diese Weise wird z.B. die Wärmestrahlung, die in dem Licht LT enthalten ist, gewonnen und abgeführt.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 entspricht generell demjenigen von Fig. 4, d.h. die holographische Vorrichtung HR ist ein Reflexionshologramm, jedoch wird das Transmissionslicht LT auf einen Photoreaktor R2 gebündelt, der hier als parallel zu der holographischen Vorrichtung verlaufendes Rohr ausgebildet ist. Zwischen der holographischen Vorrichtung HR und dem Photoreaktor R2 ist eine lichtlenkende Vorrichtung HD angeordnet, bei der es sich um ein linienfokussierendes Hologramm handelt, welches die Transmissionsstrahlung auf den Photoreaktor R2 konzentriert.
Gemäss Fig. 6 ist eine holographische Vorrichtung HT als Transmissionshologramm vorgesehen. Hinter der holographischen Vorrichtung HT ist ein rohrförmiger Reaktor R angeordnet, dessen Achse in Richtung der optischen Achse OA der holographischen Vorrichtung verläuft. Der Reaktor R weist an seiner der holographischen Vorrichtung zugewandten Stirnseite ein Strahlungseintrittsfenster F auf und ist im Übrigen lichtundurchlässig und an seiner Innenwand verspiegelt. Der Reaktor R wird von seinem Strömungseinlass E zu seinem Strömungsauslass A in Mitrichtung zur Richtung des einfallenden Lichts von dem zu behandelnden Produkt durchströmt.
Die für die Photosynthese verwendete Wellenlänge lambda s wird von der holographischen Vorrichtung HT etwa im Lichteintrittsfenster F des Reaktors R fokussiert, während die längere Wellenlänge lambda 1 und kürzere Wellenlänge lambda 2 mit kürzerer bzw. längerer Fokaldistanz fokussiert werden.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 7 entspricht demjenigen von Fig. 6, mit Ausnahme der Tatsache, dass Einlass E und Auslass A am Reaktor R vertauscht werden, so dass der Reaktor R im Gegenstrom zum Lichteinfall durchströmt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 8 weist der Reaktor R ein kastenförmiges Gehäuse auf, das auf der der holographischen Vorrichtung HT zugewandten Seite ein Lichteintrittsfenster F aufweist und im Innern mit Einbauten versehen ist. Der Reaktor von Fig. 8 ist als Fallfilmreaktor konstruiert.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 9 entspricht demjenigen von Fig. 6, Fig. 7 oder Fig. 8, wobei im Strahlengang vor dem Lichteintrittsfenster des Reaktors R eine lichtlenkende Vorrichtung D angeordnet ist, die die fokussierend einfallende Reaktionsstrahlung in paralleles Licht umwandelt. Bei der lichtlenkenden Vorrichtung D handelt es sich vorzugsweise ebenfalls um ein Hologramm.
The invention relates to a device for performing photochemical syntheses with a photoreactor and coupling radiation energy from a light source into the photoreactor.
A photochemical reaction requires the absorption of electromagnetic radiation by a reaction partner, a sensitizer or a photocatalyst. Often only a part of the light emitted by a broadband emitter or light of different wavelengths can be used for the photochemical reaction. Short-wave light can cause unwanted side reactions or destroy the target products. Light of longer wavelengths is not high enough for electronic excitation. Even within the wavelength range suitable for the photochemical reaction, some photons are absorbed to a higher degree than others; those that are not used for the desired photochemical reaction can lead to undesired heating of the reaction mixture.
The performance of a specific photochemical reaction thus depends to a considerable extent on the selection of a suitable light source and the type of introduction of the light of a suitable wavelength. In particular, the quality of a photochemical reaction, quantitatively determined by reaction conversion and selectivity, by the arrangement of the radiation source, its performance and spectral distribution can be influenced. Advances in the technical implementation of photochemical syntheses can therefore be seen in parallel with the development of suitable radiation sources and methods for masking out the radiation that is not required.
The photochemical processes currently implemented on an industrial scale include photohalogenation, photosulfochlorination, photosulfoxidation, photonitrosation, photoisomerization, photohydrodimerization, photodesulfonation, photodesulfonylation and photooxygenation.
Various light sources are available for performing these syntheses, e.g. Gas discharge lamps, incandescent lamps, fluorescent lamps or tubes and lasers.
Each of these light sources has characteristic properties with regard to the type of the emitted spectrum (continuous or linear, maximum in the UV, visible or NIR range) and the luminosity. The spectrum can only be limited by manipulations on the lamp, e.g. Use of different lighting media, doping or pressure changes can be influenced. Part of the spectrum can also be absorbed by filter glasses or liquid filters (e.g. solutions of certain salts or organic components). However, such measures can cause a shortening of the life of the lamps or a higher outlay on equipment and thus higher costs. Increasing the luminosity is also only possible to a limited extent and is generally associated with higher power consumption and an increase in the lamp volume.
Although lasers can provide intense radiation of a desired wavelength, their installation and operation are so costly that their use can only be justified in very special cases for economic reasons.
In conventional, industrially used photoreactors, the lamps are mostly integrated into the reactor in order to avoid radiation losses into the surroundings. As a rule, complex cooling of the lamps is to be provided, which must not adversely affect the lamp spectrum. The space requirement of the lamps reduces the space-time yield of the reaction, up-scaling of the system is made more difficult and can often only be achieved by reactors connected in parallel.
Instead of electrically operated light sources, solar radiation can also be used to carry out photochemical syntheses. Large and voluminous transparent reaction vessels that are exposed to solar radiation were used to carry out the photochemical reactions. More recently, line-focusing concentrators have also been used, through the focal line of which a transparent reaction tube is passed. With these photoreactors operated with sunlight, too, it is disadvantageous that the complete spectrum is entered into the reactor.
A device from which the preamble of claim 1 is based is known from JP 5-96 155 A2 (Patent Abstracts of Japan C-1096, August 12, 1993, Vol. 17 / No. 436). In this device, the light from a light source is directed onto a concave mirror, which guides light of a certain wavelength into a chamber which is delimited at both ends by translucent panes and contains a translucent liquid. Here, too, there is a considerable space requirement, in particular for the light source and mirror.
The invention has for its object to provide a device for coupling radiation energy of a light source into a photoreactor in a device of the type defined, which enables the desired wavelength range to be selected without the use of special wave-selective light sources and without filtering.
This object is achieved according to the invention with the features specified in claim 1.
The device according to the invention contains a focusing holographic device which bundles incident light with different focal distances in accordance with the wavelengths contained therein. It is therefore possible to position the photoreactor at such a distance from the holographic device that the desired wavelength or the desired wavelength range is concentrated in the interior of the photoreactor, while all other wavelengths are concentrated outside the photoreactor. In this way, it is possible to concentrate the wavelength portion of broadband incident light suitable for photosynthesis onto the reaction space of the photoreactor, while all other spectral portions of the light only provide a relatively small amount of energy in the photoreactor.
The wave-selective transmission behavior of holographic devices is related to the fact that the relevant holograms are generated by superimposing two coherent light beams of a certain wavelength on a photosensitive layer. If a focusing hologram (as a transmission hologram or as a reflection hologram) has been generated in this way, the hologram focuses in the focal point corresponding to the generation of the hologram only that wavelength which is equal to the wavelength generating the hologram. Wavelengths in a spectral range around a central wavelength, which can be selected within wide limits by the recording, are also focused, but with different focal lengths. The techniques for producing focusing holograms are known and therefore do not need to be explained in detail.
Any radiation source that emits the wavelength range required for the photoreaction can be considered as the light source. The direct radiation component of the sun is of particular interest. The holographic device can have a point or line focus. Like the light source, it is located outside the photoreactor and selectively directs the ideal wavelength range for the reaction into the reactor. The radiation that is not required falls next to the reactor and can be used for other purposes if necessary. In the case of the use of transmission holograms, the holographic device is located between the light source and the reactor. In the case of using reflection holograms, the reactor is located between the light source and the holographic device.
The irradiance can be adjusted to the reactor by varying the size of the holographic device. Up-scaling is therefore very possible while maintaining the light source and under certain circumstances without increasing the reactor volume. The holographic device can have a single hologram or, in the case of a larger surface area, also a plurality of holograms lying in a common plane. If there are several holograms, the focal lengths of all holograms are the same for the same wavelength.
Various types of reactors come into consideration as photoreactors, which have to be adapted to the beam path of the system and the reaction kinetic concerns. Line-focusing holographic lenses offer the use of flow tube reactions which are arranged parallel to the holographic device at variable intervals in the desired wavelength range. In this way, several photochemical reactions sensitive to different wavelengths can be carried out simultaneously with one optical arrangement.
Many photochemical reactions require UV light and short-wave, visible light. If the sun is used as a light source, the significant proportion of long-wave radiation not used for the reaction can be collected by an absorber tube and e.g. serve to generate process heat. The achievable temperature level in the system is clearly above the temperature level that occurs when cooling lamps with conventional technology. The use of a reflective, holographic unit in combination with a plate absorber or the use of such with a downstream concentrating holographic device in combination with a pipe absorber is appropriate. The window width of the reflected or transmitted wavelengths can be varied within wide limits.
In the case of a reactor which is transparent in the direction of the incidence of light, the substances involved in the reaction can be conducted in a parallel current direction or countercurrent direction. The desired wavelength range coupled into the reactor can be controlled both by the properties of the holographic device and by the diameter / length ratio of the reactor.
A reactor set up perpendicular to the optical axis can be constructed as a falling film reactor by means of appropriate internals. In this way, short reaction times of the reaction mixture in the radiation zone can be realized, which are often necessary to avoid subsequent reactions of the reaction products. The excitation of the molecules by absorption of a photon, however, happens very quickly.
If the reactants, sensitizers or photocatalysts do not completely absorb the incident light, mirroring the reactor walls can minimize light losses.
The beam path in the reactor can be influenced by attaching another holographic system to the radiation input window of the photoreactor. In this way e.g. the radiation flow distribution can be homogenized.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings.
Show it:
1 shows the light-directing effect of a focusing transmission hologram for different wavelengths,
2 shows the light-directing effect of a focusing reflection hologram for different wavelengths,
3 shows an embodiment with three tubular photoreactors,
4 shows an embodiment in which, using a reflection hologram, the long-wave radiation penetrating the hologram is fed to an absorber,
5 shows an embodiment similar to that of FIG. 3, in which the radiation component penetrating the reflection hologram is concentrated by a transmission hologram on a photoreactor,
Fig.
6 shows an embodiment with a reactor, the axis of which runs in the direction of the optical axis of the holographic device, the product being guided in the co-current with the light incident into the reactor,
7 shows an embodiment corresponding to FIG. 6, the product being guided in countercurrent to the incident light,
Fig. 8 shows an embodiment with a box-shaped reactor, and
9 shows an embodiment with a light-directing optical device in front of the radiation incidence window of a reactor, the axis of which runs along the optical axis of the holographic device.
1 shows a holographic device HT which is designed as a transmission hologram. The holographic device HT consists of a translucent pane or film which is provided on one side with a holographic layer. This holographic layer was exposed to two coherent beams during hologram generation, resulting in a modulation pattern that was cured. It is also possible to generate the hologram by making copies, e.g. in the impression process or by optical copying.
The holographic device HT is exposed to light L from the direction of incidence, which light is generated either by a natural light source (sun) or an artificial light source (lamp). This polychromatic light, which is composed of components of numerous wavelengths, is focused on the incident side opposite the incident side. Light of the wavelength R1 is focused with a focal width f1 and light of a wavelength lambda 2 is focused with the focal width f2. If lambda 1 is larger than lambda 2, the focal width f2 is larger than the focal width f1. The difference between the two focal widths is relatively large, which is used by the invention to carry out the treatment of the reaction medium preferably with a very specific wavelength.
The incident light can be concentrated in the respective focus by a factor of 1 to 10 <4>.
FIG. 2 shows an arrangement similar to FIG. 1, the holographic device HR being a reflection hologram. Light of a wavelength lambda 1 is focused with the focal width f1 and light of a wavelength lambda 2 is focused with the focal width f2, the two foci lying on the same side of the holographic device HR on which the light is incident. If the wavelength lambda 1 is greater than the wavelength lambda 2, the focal width f1 is smaller than the focal width f2. The reflection hologram transmits a portion of the light as transmission light LT. The wavelengths of the transmission light LT are for the most part longer than the longest or shorter than the shortest wavelength, which are reflected by the reflection hologram.
3 shows an example in which the incident light is focused along the optical axis OA by a holographic device HT, which is a transmission hologram, with different focal distances for the wavelengths lambda 1, lambda 2 and lambda 3. A reactor R1, R2, R3 is arranged parallel to the holographic device HT at a distance from the respective focal distance. These reactors are tubes made of translucent material, e.g. Glass. In the present case, the holographic device HT is line-focusing, in the manner of a cylindrical lens. The light component with the wavelength lambda 1 is focused in the tubular reactor R1, the light component with the wavelength lambda 2 is focused in the tubular reactor R2 and the light component with the wavelength lambda 3 is focused in the tubular reactor R3.
4 shows a line-focusing holographic device HR as a reflection hologram. A tubular reactor R is arranged on the side of the holographic device HR facing the incidence of light such that the radiation reflected by the holographic device HR is focused in the interior of the reactor R. Transmission light LT, which penetrates the holographic device HR, falls on an absorber AB, which is arranged behind the holographic device and through which a heat-absorbing fluid flows. In this way e.g. the heat radiation contained in the light LT is obtained and dissipated.
The embodiment of Fig. 5 generally corresponds to that of Fig. 4, i.e. the holographic device HR is a reflection hologram, but the transmission light LT is focused on a photoreactor R2, which is designed here as a tube running parallel to the holographic device. Arranged between the holographic device HR and the photoreactor R2 is a light-directing device HD, which is a line-focusing hologram which concentrates the transmission radiation on the photoreactor R2.
6, a holographic device HT is provided as a transmission hologram. Arranged behind the holographic device HT is a tubular reactor R, the axis of which runs in the direction of the optical axis OA of the holographic device. The reactor R has a radiation entrance window F on its end face facing the holographic device and is otherwise opaque and mirrored on its inner wall. The product to be treated flows through the reactor R from its flow inlet E to its flow outlet A in the direction of the direction of the incident light.
The wavelength lambda s used for photosynthesis is focused by the holographic device HT approximately in the light entry window F of the reactor R, while the longer wavelength lambda 1 and the shorter wavelength lambda 2 are focused with a shorter or longer focal distance.
The embodiment of FIG. 7 corresponds to that of FIG. 6, with the exception of the fact that inlet E and outlet A are interchanged at the reactor R, so that the reactor R is flowed through in countercurrent to the incidence of light.
In the embodiment of FIG. 8, the reactor R has a box-shaped housing which has a light entry window F on the side facing the holographic device HT and is provided with internals on the inside. The reactor of Fig. 8 is constructed as a falling film reactor.
The embodiment of FIG. 9 corresponds to that of FIG. 6, FIG. 7 or FIG. 8, a light-directing device D being arranged in the beam path in front of the light entry window of the reactor R, which device converts the focusing incident reaction radiation into parallel light. The light-directing device D is preferably also a hologram.