DE10037301A1 - Mikrostrahlreaktor - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung physikalischer und chemischer Prozesse in einem Mikrostrahlreaktor beschrieben, wobei mittels Hochdruckpumpen Flüssigkeiten durch je eine Hartstoffdüse gepreßt und dabei jeweils auf über 700 m/sec beschleunigt werden und den gebildeten Flüssigkeitsstrahlen in einem Abrasivschneidkopf feste Stoffe zugeführt und die feststoffhaltigen Flüssigkeitsstrahlen unter Stoffveränderung miteinander kollidieren.

Description

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung physikalischer und chemischer Prozesse in einem Mikrostrahlreaktor beschrieben. Mittels Hochdruckpumpen werden Flüssigkeiten durch je eine Hartstoffdüse aus Diamant, Saphir, Rubin oder einem Oxid, Carbid, Nitrid oder Silicid oder einem Hartstoffgemisch gepreßt und dabei jeweils auf eine hohe Geschwindigkeit von über 100 m/sec, bevorzugt über 500 m/sec, besonders bevorzugt über 700 m/sec beschleunigt. Die Hartstoffdüsen sind dabei in einen Abrasivschneidkopf, wie er beispielsweise in der Wasserstrahlschneidtechnik verwendet wird, eingebaut. In diesem Abrasivschneidkopf werden erfindungsgemäß dem in der Düse gebildeten Flüssigkeitsstrahl feste Stoffe in dem gleichen Sinne und mit den gleichen Hilfsmitteln zugeführt, wie analog beim Wasserstrahlschneiden dem Wasser Abrasivstoffe zugeführt werden. In der Wasserstrahlschneidtechnik wird die zum Einmischen des Feststoffes vorgesehene Mimik innerhalb des Abrasivschneidkopfes als Mischkammer bezeichnet. Ebenfalls Bestandteil des Abrasivschneidkopfes ist die sich an die Mischkammer anschließende sogenannte Fokussierdüse, die den nunmehr Feststoffe enthaltenden Flüssigkeitsstrahl vor dem Austritt aus dem Schneidkopf stabilisiert, bzw. fokussiert. Erfindungsgemäß handelt es sich bei den festen Stoffen um Stoffe, die im Mikrostrahlreaktor zerkleinert, dispergiert, deagglomeriert, mikronisiert oder chemisch oder physikalisch verändert werden sollen oder in der Kristallisationsform verändert oder vom amorphen in den kristallinen Zustand überführt werden sollen.

Erfindungsgemäß können die beschriebenen Prozesse derart realisiert werden, daß jeweils ein Flüssigkeitsstrahl, dem im sogenannten Abrasivschneidkopf zuvor feste Stoffe zugeführt wurden mit zumindest einem zweiten Flüssigkeitsstrahl zusammenprallt, wobei der Aufprallwinkel 180 Grad oder weniger beträgt. Ein geringerer Aufprallwinkel als 180 Grad erniedrigt die Gefahr der gegenseitigen Düsenzerstörung, erniedrigt aber auch die Effizienz des gewünschten chemischen oder physikalischen Effektes beim Aufprall. Günstig ist auch der Zusammenprall dreier Strahlen im Winkel von 120 Grad, wobei die drei Strahlen innerhalb oder außerhalb einer gemeinsamen geometrischen Ebene verlaufen. Alternativ kann zumindest ein Flüssigkeitsstrahl gegen eine Prallwand oder in einen Flüssigkeitsbehälter geführt werden.

Die zumindest zwei aufeinanderprallenden Flüssigkeitsstrahlen können als freie Strahlen in einem Gasraum innerhalb oder außerhalb eines umgebenden Gehäuses oder aber in einem Flüssigkeitsraum aufeinandertreffen. Das Gehäuse kann auf seiner Flüssigkeitsaustrittsseite mit zumindest einem Druckhalteventil ausgerüstet sein, wobei dazu eine Hartstoffdüse verwendet werden kann.

Das Gehäuse kann einen zusätzlichen Eingang für Flüssigkeit oder Gas besitzen. Diese Flüssigkeit oder dieses Gas dient zur Kühlung des aus freigewordener Reaktionsenergie erwärmten Gemisches oder durch die beim Zusammenprall freiwerdende Wärme aus Umwandlung von kinetischer Strahlenergie. Das Gas kann auch zur Aufrechterhaltung der Gasatmosphäre oder zum Abtransport von Reaktionsprodukt dienen.

Der Energieinhalt der Strahlen kann auch durch Erhöhen des Pumpendruckes auf über 3000 bar und der daraus resultierenden erhöhten Strahlgeschwindigkeit von über 2-facher Schallgeschwindigkeit so weit gesteigert werden, daß durch die beim Zusammenprall der Strahlen im Kollisionspunkt auftretende hydrodynamische Kavitation Energie für den Ablauf physikalischer und chemischer Reaktionen frei wird.

Der besondere Vorteil aus der Durchführung solcher Reaktionen im Kollisionspunkt von aus den Edukten gebildeten Mikrostrahlen hoher Geschwindigkeit ergibt sich

• - aus der intensiven Vermischung der Edukte im Kollisionspunkt, bedingt durch die für das Verfahren typische Feinheit der Strahlen und deren hoher Aufprallgeschwindigkeit.
• - aus der guten Steuerbarkeit der einzutragenden Energie durch die Wahl des Druckes und der daraus resultierenden Strahlgeschwindigkeit
• - aus der trotz feiner Düsen zu erzielenden hohen Stoffumsätze, bedingt durch die hohe Strahlgeschwindigkeit als Folge hoher Drücke
• - aus der trotz hoher Strahlgeschwindigkeiten niedrigen Kavitation an Materialwänden durch die Zuführung des Feststoffes in der Mischkammer des Schneidkopfes, also hinter der Düse und Kollision der Strahlen außerhalb von festen Materialwänden im Mikrostrahlreaktor in einer Flüssigkeit, bevorzugt aber in Gas oder Luft
• - durch die Führung der Flüssigkeitsstrahlen in einem Gasraum und damit der Vermeidung von Energieverlust durch das Abbremsen der Strahlen in einem flüssigen Medium.

Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß exotherm ablaufenden Reaktionen die beim Aufeinandertreffen der Strahlen auftretende thermische Energie entzogen wird. Dies kann dadurch geschehen, daß das Reaktorgehäuse mit einer Kühlung versehen wird. Wesentlich effizienter kann jedoch die Kühlung der Reaktionsedukte und vor allem aber der temperaturerhöhten Reaktionsprodukte im Reaktorgehäuse derart gestaltet werden, daß über zumindest eine zusätzliche Bohrung dem Reaktorgehäuse ein Kühlgas oder eine Kühlflüssigkeit zugeführt wird. Dabei kann der Aggregatzustand des Kühlmediums temperaturbedingt oder druckbedingt oder temperatur- und druckbedingt sein. Es kann sich also beispielsweise um Kohlendioxid oder um Ammoniak oder Stoffe mit ähnlichem Aggregatverhalten unter erhöhtem Druck oder um Wasser handeln, wobei der Übergang des Kühlmediums vom flüssigen in den gasförmigen Zustand im Reaktor selbst dadurch stattfinden kann, daß die bei der Reaktion freiwerdende Wärme den Wechsel des Aggregatzustandes bewirkt. Es ist aber auch eine Ausführung möglich, bei der die Verdunstungskälte eines aus einer Druckgasflasche austretenden Gases, wie z. B. Kohlendioxid dadurch genutzt wird, daß der Reaktorinnendruck mittels des Druckhalteventils unterhalb des Druckes der Druckgasflasche gehalten wird oder, daß auf ein Druckhalteventil verzichtet wird.

Es ist möglich, daß es sich bei den aus den verschiedenen Düsen austretenden Flüssigkeiten (wobei hier und nachfolgend der Status der Flüssigkeiten jeweils vor Zugabe von Feststoff in der Mischkammer gemeint ist) um die gleichen oder aber ineinander mischbare Lösungsmittel handelt oder aber, daß diese Flüssigkeiten miteinander Emulsionen bilden.

Es ist möglich, daß die in den Flüssigkeiten befindlichen Reagenzien in diesen Flüssigkeiten entweder gelöst, emulgiert oder dispergiert vorliegen.

Es ist möglich, daß es sich bei zumindest einer der Flüssigkeiten um eine instabile Emulsion handelt, deren Emulsionsstabilität nur kurzzeitig aufrechterhalten wird und diese Emulsionsstabilisierung durch Umwälzen durch die erfindungsgemäße Anordnung geschieht.

Es ist möglich, daß es sich bei zumindest einer der Flüssigkeiten um eine Dispersion handelt, wobei die dispergierten Stoffe nach dem beschriebenen Verfahren zerkleinert, deagglomeriert, disaggregiert oder homogenisiert werden. Dabei kann es sich um organische, anorganische oder organisch-anorganische Inhaltsstoffe handeln.

Es ist möglich, daß es sich bei zumindest einer der Flüssigkeiten um eine Flüssigkeit mit temporär gelösten Inhaltsstoffen handelt, wobei die Inhaltsstoffe im Reaktor ausfallen, auskristallisieren oder eine Phasentrennung durchlaufen und mittels einer weiteren in den Reaktor eingespritzten Flüssigkeit oder der in der Flüssigkeit enthaltenen Inhaltsstoffe an einem weiteren Größenwachstum durch chemische oder physikalische Effekte gehindert werden. Unter einem physikalischen Effekt wird in diesem Zusammenhang das Coaten der Oberfläche entstehender oder auskristallisierender Partikel oder separierender Tröpfchen verstanden, wobei das Coaten dem Verhindern eines weiteren Größenwachstums, dem Schutz gegen weitere Reaktionen im Reaktor, dem Schutz gegen weitere Reaktionen außerhalb des Reaktors, so wie der Oxidation des fertigen Produktes an der Luft dienen kann. Die temporäre Lösung der Inhaltsstoffe kann dadurch herbeigeführt worden sein, daß die gelösten Inhaltsstoffe vor dem Einspritzen in den Reaktorraum thermisch gelöst wurden.

Es ist aber auch möglich, daß der temporär zu lösende und zu mikronisierende Feststoff sich nicht in der durch die Düse gepreßten Flüssigkeit befindet, sondern in der Mischkammer nach der Düse beigefügt wird.

Sofern die entstehenden Produkte emulgiert oder dispergiert vorliegen sollen, kann es sinnvoll sein, zur Stabilisierung dieser Emulsionen oder Dispersionen zusätzlich Tenside zu verwenden. Sinnvoll kann die Verwendung zweier tensidstabilisierter Wasser-in-Öl-Mikroemulsionen sein. Dabei befinden sich die reaktionsfähigen Reagenzien in den jeweiligen, emulgierten Wassertröpfchen der beiden Emulsionen. Beim Zusammentreffen der kinetisch energiereichen Flüssigkeitsstrahlen werden die Tröpfchen zunächst stark zerkleinert. Durch den Stoffaustausch von jeweils mindestens zwei der zerkleinerten Emulsionströpfchen, also dem gelösten, reaktiven Inhalt der Flüssigkeitsphasen, bildet sich daraus jeweils ein etwas größeres Emulsionströpfchen mit dem Reaktionsprodukt aus den beiden ursprünglichen Tröpfchen.

Der Reaktor kann auf seinem Außenmantel thermostatisierbar ausgelegt sein, so daß überschüssige Energie, die aus der Reaktion selbst oder aus der Kavitationsenergie entsteht, abgeführt werden kann oder daß zusätzliche Energie zugeführt werden kann.

Dabei treffen sich im Falle einer 2-Strahl-Anordnung zwei Strahlen von aus zwei Düsen austretenden Flüssigkeiten in einem gemeinsamen Kollisions- oder Kavitationspunkt. Die hydrodynamische Energie der Strahlen führt dabei am Kavitationspunkt der Flüssigkeits- oder Lösungsmittelstrahlen in Abhängigkeit von den eingesetzten Substanzen und der Geschwindigkeit der Strahlen zum Auftreten hoher Scher- und Kavitationskräfte. Die in den Flüssigkeiten gelösten, emulgierten oder dispergierten Reagenzien homogenisieren oder reagieren dabei chemisch oder physikalisch zu dem gewünschten Endprodukt.

Die Zufuhr zusätzlicher Energie kann statt im Reaktor in einer oder mehreren der eduktzuführenden Leitungen geschehen.

Die Zufuhr zusätzlicher Energie ist nützlich, wenn z. B. schlecht lösliche aber thermisch empfindliche Eduktkomponenten in einem der Eduktstrahlen gelöst werden sollen um zeitlich in sehr kurzem Abstand danach im Reaktor abgekühlt und die dabei wieder ausfallenden oder auskristallisierenden Kristalle oder Tröpfchen während des Abkühlens mit einer aus einer weiteren Düse stammenden Komponente fixiert werden soll. Durch die Wahl eines sehr engen Durchmessers der produktzuführenden, geheizten Lanze kann so die Verweilzeit des empfindlichen Produktes bei erhöhter Temperatur niedrig gehalten werden.

Die gewählte Temperatur kann grundsätzlich, wegen des hohen Druckes in der Lanze, erheblich über dem Siedepunkt des Lösungsmittels bei Raumtemperatur liegen. Als Lösungsmittel kommen danach auch Medien als Lösungsmittel in Frage, die bei Raumtemperatur als Gase vorliegen.

Optional wird der Reaktor als Mikroreaktor ausgelegt, der durch sein großes Verhältnis von Oberfläche zu Reaktorvolumen eine rasche Abfuhr überschüssiger Energie ermöglicht. Die Wände des Reaktionsbehälters sind in diesem Fall so ausgelegt, daß der Transport der thermischen Energie durch Kühlmedien oder Heizmedien erfolgt, die günstigerweise in einem separaten Kreislauf geführt werden.

Der Reaktionsbehälter ist neben den als Düsen gestalteten Eintrittsöffnungen nicht nur mit einem Produktablauf versehen, sondern enthält auch zumindest noch einen weiteren Eingang, der das Begasen zur Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Atmosphäre im Reaktor ermöglicht. Hierbei kann es sich um Inertgas, aber auch um ein gasförmiges Reagenz handeln. Der Produktablauf ist mit einem geregelten Druckhalteventil versehen, so daß der Reaktorinnendruck auf einem Level gehalten werden kann, bei dem das Gas im flüssigen, oder überkritischen oder unterkritischen Zustand vorliegt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Herstellung sogenannter "mikronisierter" Produkte. Gegenüber dem Stand der Technik gelangt man so beispielsweise zu mikronisiertem β- Karotin. Dabei werden Edukte, die in einer der Zuführlanzen unter Druck heiß gelöst wurden durch den Zusammenprall mit einer geeigneten, z. B. mit Schutzkolloiden versehenen, kühleren Flüssigkeit, gleichzeitig im Stadium der kleinsten, ausfallenden Kristallen schockartig mit einer weiteres Wachstum verhindernden Schicht, im Falle des zuvor in Alkohol oder einem anderen Lösungsmittel heiß gelösten β-Carotin, mit einer hydrohilisierenden Gelatineschicht überzogen.

Diese Vorgehensweise wird dabei jeweils angepaßt auf den jeweiligen Anwendungsfall in Chemie, Pharmazie, Medizin oder Kosmetik.

Durch die in der erfindungsgemäßen Anordnung im Strahlenschnittpunkt stattfindende Umwandlung der kinetischen Energie in Scher- und Kavitationskräfte sollen mehrere Ziele in Lösungen, Emulsionen, Dispersionen und Suspensionen erreicht werden.

Claims (4)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung chemischer und physikalischer Prozesse in einem Mikrostrahlreaktor, gekennzeichnet dadurch, daß mittels Hochdruckpumpen Flüssigkeiten durch je eine Hartstoffdüse gepreßt und dabei jeweils auf über 100 m/sec, bevorzugt über 500 m/sec, besonders bevorzugt über 700 m/sec beschleunigt werden und den gebildeten Flüssigkeitsstrahlen in einem Abrasivschneidkopf feste Stoffe zugeführt und die feststoffhaltigen Flüssigkeitsstrahlen unter Stoffveränderung miteinander kollidieren.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die flüssigen Medien über Pumpen, bevorzugt Hochdruckpumpen durch zumindest zwei Düsen, bevorzugt keramische Düsen oder Diamantdüsen mit Durchmessern von < 1 mm, bevorzugt < 0,2 mm unter einem Druck von < 50 bar, bevorzugt < 500 bar, besonders bevorzugt von 1000 bis 4000 bar nach Zugabe von Feststoffen zu zumindest einer der Flüssigkeiten in einem sogenannten Abrasivschneidkopf, in einen von einem Reaktorgehäuse eingeschlossen Raum, bevorzugt einen Gasraum auf einen gemeinsamen Flüssigkeitsschnittpunkt gespritzt werden und der hohe Energieinhalt der Strahlen das Initiieren chemischer oder physikalischer Prozeßabläufe im Kollisionspunkt bewirkt.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die flüssigen Medien über Pumpen, bevorzugt Hochdruckpumpen durch zumindest zwei Düsen, bevorzugt keramische Düsen oder Diamantdüsen mit Durchmessern von < 1 mm, bevorzugt < 0,2 mm unter einem Druck von < 50 bar, bevorzugt < 500 bar, besonders bevorzugt von 1000 bis 4000 bar nach Zugabe von Feststoffen zu zumindest einer der Flüssigkeiten in einem sogenannten Abrasivschneidkopf, in einen von einem Reaktorgehäuse eingeschlossen Raum, bevorzugt einen Gasraum auf einen gemeinsamen Flüssigkeitsschnittpunkt gespritzt werden und der hohe Energieinhalt der Strahlen das Initiieren chemischer oder physikalischer Prozeßabläufe im Kollisionspunkt bewirkt und gleichzeitig über eine zusätzliche Öffnung in den Reaktorraum zumindest ein Gas oder eine verdampfende Flüssigkeit eingeleitet wird, wobei das Gas zur Aufrechterhaltung der Gasatmosphäre im Reaktorinneren, insbesondere im Kollisionspunkt der Flüssigkeitsstrahlen und zusätzlich zur Kühlung der entstehenden Produkte dient und die entstehenden Produkte und überschüssiges Gas durch eine weitere Öffnung aus dem Reaktorgehäuse entfernt werden.

4. Verfahren und Vorrichtung nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, daß es sich bei den physikalischen oder chemischen Prozessen in einem oder mehreren Aspekten um
Homogenisierung in einer oder verschiedenen Flüssigkeiten emulgierter, suspendierter, agglomerierter, aggregierter oder dispergierter Stoffe
Zellaufschluß oder Sterilisierung
Durchführung chemischer oder physikalischer Reaktionen bei inniger Durchmischung der Reaktionskomponeten
Herstellung mikronisierter, oberflächengecoateter oder oberflächenmodifizierter Produkte
Reaktionsführung mit zusätzlichem Energieeintrag durch flüssigkeitsinterne Kavitation oder kavitationsähnlicher Energieform
jeweils unter Ausschluß von Materialverschleiß an den inneren Oberflächen des Reaktors durch materialferne Verlagerung des Kavitationspunktes, handelt.