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Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenreaktor zur mikrowellenunterstützten katalytischen Stoffumsetzung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, bei dem die eingekoppelten elektromagnetischen Wechselfelder (Mikrowellen) homogen in dem Mikrowellenreaktor verteilt werden, wie dies gattungsgemäß in der
DE 103 29 411 B4 offenbart ist.
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Das Prinzip der Verwendung von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen von 1 mm bis 1 m und Frequenzen von 300 MHz bis 300 GHz, den sogenannten Mikrowellen, für eine berührungsfreie und schnelle Erwärmung von für Mikrowellen absorbierende Materialien in einem gegen den ungewollten Austritt der Mikrowellen geschützten Raum ist aus der Produktion (z. B. Industriemikrowellen) und dem Haushalt (z. B. Haushaltsmikrowelle) hinreichend bekannt. Dabei besteht die Aufgabe, die durch die Mikrowellen transportierte Energie gleichmäßig in einen zu erwärmenden Körper einzubringen und die Entstehung von räumlich inhomogenen Energieverteilungen, z. B. von sogenannten „hot-spots” (Bereiche hoher Energiedichte), zumindest zu reduzieren.
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Inhomogene Energieverteilungen können durch das Zusammenwirken verschiedener Eigenschaften der Mikrowellen (z. B. Interferenzen), der Absorption und Reflexion des zu erwärmenden Körpers sowie des Raumes, in dem sich der zu erwärmende Körper befindet und in den die Mikrowellen eingekoppelt werden, entstehen.
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Der Begriff Mikrowellen als Synonym für elektromagnetische Wechselfelder verwendet werden, mit deren Hilfe Energie in Form von Strahlung übertragen wird. Im Weiteren wird der Begriff Mikrowellen vereinfachend synonym für den Begriff Energie verwendet.
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Mikrowellen können zur Erwärmung von Katalysatoren verwendet werden, die aus Mikrowellen absorbierenden Material bestehen, wie dies beispielhaft bei Will et al. (2002 in: Chemie Ingenieur Technik 74: 1057–1067), Fälsch et al. (2004 in: Chemie Ingenieur Technik 76: 1–8) und Hartmann et al. (2005 in: Chemie Ingenieur Technik 77: 1609–1617) beschrieben ist. Dazu strömen die mikrowellenunterstützt und katalytisch umzusetzenden Stoffe in einem Medium an dem durch Mikrowellen erwärmten Katalysator vorbei oder durch ihn hindurch.
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Für die Verwendung von Mikrowellen zur Erwärmung von Katalysatoren ist es von großer Bedeutung, dass die Erwärmung gleichmäßig und steuerbar erfolgt. Nur dadurch ist eine sichere katalytische Umsetzung von Stoffen gewährleistet. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass ein Teil der umzusetzenden Stoffe, z. B. Schadstoffe, in kalten Bereichen an dem Katalysator vorbeiströmen (sog. „Bypass oder Schlupf”) und nicht oder nicht ausreichend umgesetzt werden oder gar ungewollte Produkten, wie weitere Schadstoffe, entstehen. Ferner besteht das Erfordernis, gute „Kaltstart”-Eigenschaften der Katalysatoren zu erzielen, also die fehlende oder ungenügende Umsetzung von Stoffen in der Zeit bis zur Erreichung einer optimalen Temperatur des Katalysators so weit als möglich zu vermeiden.
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Es sind verschiedene Lösungsansätze zur gleichmäßigen Erwärmung von Körpern durch Mikrowellen und zur Verbesserung der Kaltstart-Eigenschaften bekannt.
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In der
JP 5-168950 A wird die Verwendung von Metalloxiden und von komplexen Oxiden vom Perowskit-Typ als Katalysatormaterial offenbart, die durch eine direkte Bestrahlung mit elektromagnetischer Wellen in kurzer Zeit auf eine bestimmte Temperatur erwärmt werden können. Dies ist im vorgesehenen Anwendungsgebiet der
JP 5-168950 A , der Reinigung von Verbrennungsabgasen, bei einem Kaltstart von Bedeutung.
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Eine weitere Möglichkeit wird in der
DE 693 04 383 T2 (
EP 0 564 359 B1 ) aufgezeigt. Die Mikrowellen werden durch senkrechte, in einem ringförmigen Hohlleiter vorhandene und um einen Innenraum angeordnete Austrittsöffnungen eingekoppelt, wobei die Abmessungen des ringförmigen Hohlleiters und der Austrittsöffnungen auf die verwendeten Wellenlängen abgestimmt sind. Durch eine solche Anordnung soll eine gleichmäßige, im Wesentlichen radial nach innen erfolgende Abgabe von Mikrowellen in den Innenraum erreicht werden. Nachteilig an dieser Lösung ist ein hoher Platzbedarf und die spezifische Abstimmung der Abmessungen des Hohlleiters auf die verwendete Wellenlänge, wodurch nur eine geringe Flexibilität bei sich verändernden Anwendungsbedingungen gegeben ist.
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Ein die Gestaltung einer Heizkammer (fortan: Innenraum) betreffenden Ansatz wird in der
DE 43 13 806 A1 beschrieben. In dem Innenraum sind zusätzliche Reflexionswandungen aus Mikrowellen reflektierendem Material vorhanden, die so geformt und zueinander ausgerichtet sind, dass in den Innenraum eingekoppelte Mikrowellen im Wesentlichen nur zwischen diesen Reflexionswandungen statisch reflektiert werden. Durch den Innenraum und in den Bereich der umlaufend reflektierten Mikrowellen werden kontinuierlich oder diskontinuierlich zu erwärmende Körper bewegt. Die Lösung gemäß der
DE 43 13 806 A1 erlaubt eine recht homogene Verteilung von Mikrowellen zwischen den Reflexionswandungen. Allerdings ist auch hier eine verhältnismäßig große Abmessung des Innenraums nötig, um die Reflexionswandungen unterbringen zu können und um die Ausbildung einer homogenen Verteilung durch eine alleinige Reflexion an den Reflexionswandungen überhaupt erst zu ermöglichen.
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Eine Kombination von statischen Reflexionen der Mikrowellen an den einen Innenraum begrenzenden Wänden eines Gehäuses und einer dynamischen Reflexion der Mikrowellen mittels mindestens einem Modenrührer ist in der
DE 103 29 411 B4 offenbart. Der Innenraum ist als ein hochmodiger Resonator ausgebildet, wobei der Resonatordurchmesser mindestens fünfmal, besser aber wenigstens zehnmal größer als die Wellenlänge der Mikrowellen ist. In den Innenraum, der einfach, aber nie rund, gestaltet ist, werden Mikrowellen über mindestens ein gleichartiges Einkoppelstrukturpaar (ein Paar Hohlleiter) eingekoppelt, die jeweils mit der den Innenraum begrenzenden Wand bündig abschließen und die Schlitze zum Einkoppeln der Mikrowellen (fortan Austrittsöffnungen) aufweisen. Die Hohlleiterachsen eines Paares von Hohlleitern sind immer in einem spitzen Winkel zueinander verlaufend ausgerichtet und treffen auf einen gemeinsamen Modenrührer, der sich über nahezu die gesamte Innenraumlänge erstreckt und der um seine Längsachse (fortan: Rotationsachse) tordiert ist. Tordierten Modenrührer können entlang ihrer Rotationsachse je eine Schraubenlinie beschreiben und sind so geformt, dass Mikrowellen höchstens punktweise in die Hohlleiter zurück reflektiert werden. Die Mikrowelten werden unter wechselnden Winkellagen sowohl an dem rotierenden Modenrührer als auch an den Wänden reflektiert, wodurch eine weitgehend homogene Verteilung der Mikrowellen in dem Innenraum erreicht wird. In den Innenraum kann ein gegen den Innenraum abgeschlossener Hohlraum, hier ist es ein Autoklav, eingebracht werden, in dem sich durch die Mikrowellen zu erwärmende und thermisch zu prozessierende Stoffe oder Körper befinden. Die Prozessführung kann durch sowohl im Autoklaven als auch im Resonator vorhandene mess- und regeltechnische Signalleitungen gesteuert werden.
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In der
DE 103 29 411 B4 wird die vorzugsweise Verwendung einer Wellenlänge von etwa 12 cm genannt, wonach der Resonatordurchmesser mindestens 60 cm, besser aber darüber, beträgt. Sehr kompakte Abmessungen des Innenraumes und des Gehäuses sind daher mit der angegebenen Lösung nicht zu erreichen. Weiterhin wird es regelmäßig erforderlich sein, mehr als ein Paar Hohlleiter auf dem Umfang des Innenraums anzuordnen, um einen Körper gleichmäßig über seine gesamte Oberfläche zu erwärmen, wie dies beispielhaft in
9 der
DE 103 29 411 B4 gezeigt ist. Damit ist diese Lösung technisch verhältnismäßig aufwendig und beansprucht viel Raum.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie eine homogene Verteilung von Mikrowellen in einem Innenraum erreicht werden kann, um katalytisch vermittelte chemische Reaktionen gezielt steuerbar durchführen zu können und dabei die Abmessungen des Innenraums gering gehalten werden können.
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Die Aufgabe wird durch einen Mikrowellenreaktor zur mikrowellenunterstützten katalytischen Stoffumsetzung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, bestehend aus einem, einen Innenraum umschließenden, Gehäuse mit Wänden aus für Mikrowellen reflektierendem Material, aufweisend mehrere Hohlleiter mit jeweils einer stirnseitigen Austrittsöffnung im Innenraum zum Einkoppeln der Mikrowellen, sowie im Innenraum vorhandene und jeweils um eine Rotationsachse tordierte erste und zweite Modenrührer, dadurch gekennzeichnet,
dass ein, mit einem Katalysator gefüllter, Hohlzylinder aus einem für Mikrowellen transmissiven Material vorhanden ist, der entlang seiner Hohlzylinderachse und über seine Hohlzylinderlänge vom Innenraum umschlossen wird, wobei der Hohlzylinder zur Durchführung des Mediums stirnseitig mit einer Medienzuführungsöffnung und mit einer Medienabführungsöffnung, die im Gehäuse vorgesehen sind, in Verbindung steht,
dass die Rotationsachsen des ersten Modenrührers und des zweiten Modenrührers parallel zu der Hohlzylinderachse liegen,
dass ein erster Hohlleiter und ein zweiter Hohlleiter durch eine erste Wand hindurch in den Innenraum ragen und erster und zweiter Hohlleiter zueinander parallele erste und zweite Hohlleiterachsen aufweisen, welche, außerhalb des Hohlzylinders verlaufend, senkrecht auf die Rotationsachse eines jeweils anderen Modenrührers auftreffen,
dass die Modenrührer, von der ersten Wand ausgehend, hinter der Hohlzylinderachse angeordnet sind und
dass eine erste Austrittsöffnung von der ersten Wand ausgehend vor der Hohlzylinderachse und eine zweite Austrittsöffnung hinter der Hohlzylinderachse liegt.
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Kern der Erfindung ist die Anordnung von Hohlleitern und Modenrührern in einem Mikrowellenreaktor in Relation zu einem zu erwärmenden Körper, hier einem Katalysator, wodurch eine allseitige und gleichmäßige Erwärmung des Körpers erreicht wird und gleichzeitig die Abmessungen des Mikrowellenreaktors gering gehalten werden können.
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Unter einer katalytischen Stoffumsetzung werden nachfolgend alle unter Anwesenheit mindestens eines Katalysators ablaufenden chemischen Reaktionen verstanden, insbesondere Redoxreaktionen. Die umzusetzenden Stoffe sind in einem Medium enthalten und werden durch das Medium transportiert. Es kann jedoch auch zusätzlich oder ausschließlich das Medium selbst umgesetzt werden. Wird nachfolgend von einer Umsetzung des Mediums gesprochen, sind alle die genannten Möglichkeiten umfasst.
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Die Abmessungen des Gehäuses und des Innenraumes können weitgehend unabhängig von den verwendeten Wellenlängen der Mikrowellenstrahlung gewählt werden. Ebenso sind die Form des Innenraums und die Anzahl, Größe und Ausrichtung der Wände nicht festgelegt. Vorzugsweise ist der Innenraum jedoch als hohler Quader ausgebildet. Insbesondere brauchen die Abmessungen des Innenraumes nicht die Anforderungen eines Resonators erfüllen, wodurch sehr kompakte Bauweisen des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors möglich sind. Zu berücksichtigen sind bei der Wahl der Abmessungen jedoch die erreichbare Eindringtiefe der Mikrowellen in den Katalysator und die ausreichend große Gestaltung des freien Innenraumes zur Gewährleistung einer homogenen Verteilung der Mikrowellen sowie die Eigenschaften der verwendeten Materialien bei Einwirkung von Mikrowellen.
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Der Hohlzylinder kann aus jedem für Mikrowellen transmissiven Material, wie z. B. Quarzglas, bestehen, wobei erreichte Transmissionsraten von 90% und höher besonders vorteilhaft sind. Der Hohlzylinder ist vorteilhafterweise über seine gesamte Umfangsfläche zu den Wänden des Gehäuses beabstandet. Die Abstände zwischen Hohlzylinder und den Wänden sind mindestens so groß, dass sich die Mikrowellen innerhalb sich des damit ergebenden freien Innenraumes frei ausbreiten können.
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In einer ersten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorteilhaft, wenn der Hohlzylinder über sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Hohlzylinders mit der Medienzuführungsöffnung und der Medienabführungsöffnung in Verbindung steht.
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Eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, wenn der Hohlzylinder über eine seiner Stirnseiten mit der Medienzuführungsöffnung und mit der Medienabführungsöffnung in Verbindung steht und an seiner anderen Stirnseite für das Medium dicht verschlossen ist und die Medienzuführungsöffnung und die Medienabführungsöffnung durch ein koaxial zu der Hohlzylinderachse ausgerichtetes, offenes Rohr, welches kürzer als die Hohlzylinderlänge ist, voneinander getrennt sind, so dass die Medienabführungsöffnung und die Medienzuführungsöffnung in einer sich senkrecht zur Hohlzylinderachse erstreckenden Ebene koaxial zur Hohlzylinderachse liegend, angeordnet sind.
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Durch eine solche Ausführung wird die Strömungsrichtung des Mediums an der verschlossenen Stirnseite des Hohlzylinders dergestalt verändert, dass das Medium im Inneren des Katalysators zur Medienabführungsöffnung strömt. Mit einer solchen Gestaltung der Vorrichtung können mehrere Vorteile erzielt werden. Zum einen können Medienzuführungsöffnung und Medienabführungsöffnung an ein und derselben Wand des Gehäuses vorgesehen sein, wodurch ein platzsparender Einbau der Vorrichtung und eine gute Zugänglichkeit, beispielsweise im Falle einer nötigen Wartungsarbeit, ermöglicht wird. Damit ist eine sehr kompakte Bauweise möglich. Zum anderen ist nur noch eine Abdichtung des Hohlzylinders auf einer Seite notwendig. Ein weiterer Vorteil ist eine verbesserte Ausnutzung der Abwärme des gereinigten Mediums durch Ausnutzung des Prinzips des Wärmetauschers. Das durch das offene Rohr zur Medienabführungsöffnung strömende Medium gibt seine Abwärme zumindest teilweise durch Wärmeleitung an den Katalysator ab, wodurch dieser vorgewärmt wird und sich die Energieeffizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter verbessert.
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Als Katalysator kann jedes Material eingesetzt werden, welches durch Mikrowellen erwärmt werden kann und Katalysatoreigenschaften aufweist. In weiteren Ausführungen kann das durch Mikrowellen erwärmte Material auch mit weiteren katalytisch aktiven Materialien verbunden sein, die sich nicht durch Mikrowellen erwärmen lassen.
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Der Katalysator kann den Hohlzylinder vorzugsweise in Form einer Schüttung ausfüllen, es sind aber auch poröse oder mit Strömungskanälen versehene und an den Hohlzylinder angepasste Formkörper verwendbar.
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Für die Erzeugung der Rotation der Modenrührer um ihre jeweiligen Rotationsachsen sind diese mit Antrieben verbunden. Die Drehzahl der Modenrührer kann unabhängig von den Eigenschaften der Mikrowellen in weiten Bereichen variieren. Die Gestaltung der Form der tordierten Modenrührer kann verschieden sein und umfasst sowohl gleichmäßig verlaufende, als auch sich stetig verändernde und unterbrochene Verläufe der Konturen der tordierten Modenrührer in Richtung der Rotationsachse, sowie Kombinationen der genannten Verläufe. Die Querschnitte und Konturen der Modenrührer können gemäß des bekannten Standes der Technik gestaltet sein.
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Es ist eine äußerst vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Modenrührer auf verschiedenen Seiten der Hohlzylinderachse angeordnet sind. Eine solche Anordnung ist für die homogene Verteilung der eingekoppelten Mikrowellen im Innenraum außerordentlich vorteilhaft.
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Zur Vermeidung eines ungewollten Austrittes von Mikrowellen aus der Vorrichtung ist es äußerst günstig, wenn der Hohlzylinder an jeder seiner für das Medium offenen Stirnseiten mit Lochplatten verschlossen ist. Bei einer Ausführung, bei der Medienzuführungsöffnung und Medienabführungsöffnung in einer gemeinsamen Ebene einer Stirnseite des Hohlzylinders liegen, kann auch nur eine entsprechend dimensionierte und gestaltete Lochplatte vorhanden sein.
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Die Lochplatten sind so gestaltet und aus einem solchen Material, dass sie ein Austreten von Mikrowellenstrahlung aus dem Innenraum verhindern, gleichzeitig jedoch ein weitgehend ungehinderter Durchtritt eines Mediums durch die Medienzuführungsöffnung bzw. durch die Medienabführungsöffnung erlauben. Ein gewisser Strömungswiderstand der Lochplatte gegenüber dem Medium kann zumindest auf der Seite der Medienzuführungsöffnung vorteilhaft sein, da dadurch eine Verwirbelung des Mediums bewirkt und die Ausbildung einer laminaren Strömung innerhalb des Hohlzylinders vermieden wird. Die Lochplatten sind gegenüber dem Medium und den umzusetzenden Stoffen vorzugsweise inert.
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Die Wände des Gehäuses, die Modenrührer sowie die Hohlleiter bestehen aus einem die Mikrowellen reflektierendem Material, wie beispielsweise Stahlblech.
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Die Anordnung der Austrittsöffnungen vor bzw. hinter der Hohlleiterachse gewährleistet im Zusammenwirken mit den Modenrührern eine homogene Verteilung der in den Innenraum eingekoppelten Mikrowellen. Dabei wird durch die Anordnung einer der Austrittsöffnungen vor der Hohlleiterachse im Wesentlichen eine Einkopplung von Mikrowellen in den vor der Hohlleiterachse liegendem Bereich des Innenraums erreicht, während durch die hinter der Hohlleiterachse angeordnete Austrittsöffnung Mikrowellen bevorzugt in dem hinter der Hohlleiterachse liegenden Bereich des Innenraums verteilt werden.
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Die Hohlleiter können in vorbekannter Weise angeordnete und ausgebildete Transformationseinrichtungen zur Beeinflussung der elektromagnetischen Eigenschaften der Mikrowellen, wie z. B. Dreistifttuner, aufweisen.
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Die Auswahl der Materialien für die einzelnen Komponenten des Mikrowellenreaktors erfolgt in Hinblick auf die vorgesehene Anwendung und in Abhängigkeit von den Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen der verwendeten Mikrowellen sowie der Größe der in den Mikroreaktor einzukoppelnden Energien. Das Material der Komponenten wird weiterhin so gewählt, dass unerwünschte chemische Reaktionen ausgeschlossen oder zumindest so weit als möglich reduziert werden. Die Dimensionierung der Vorrichtung wird im Wesentlichen durch die Erfordernisse der Mediendurchführung und der mikrowellenunterstützten katalytischen Stoffumsetzung, nämlich sowohl einer genügend hohen Durchsatzrate des Mediums als auch einer ausreichend langen Verweildauer zur möglichst vollständigen Stoffumsetzung des Mediums, bestimmt.
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Es ist ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegend, dass Komponenten des Mikrowellenreaktors mit Dichtungen sowie mit Befestigungselementen in Verbindung stehen können.
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Um unerwünschte Wirkungen der Mikrowellen, wie beispielsweise Antennenwirkungen von in den Innenraum hinein ragender Komponenten des Mikrowellenreaktors, weitestgehend zu vermeiden, ist es von Vorteil, wenn deren Kanten abgerundet werden und weitere Komponenten wie z. B. Befestigungselemente bündig mit den umgebenden Oberflächen abschließend oder versenkt angeordnet sind.
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An der Medienzuführung kann ein Adapter vorhanden sein, der für zuzuführende Medien als Diffusor wirkt. Ein solcher Adapter kann beispielsweise ein sich zur Medienzuführungsöffnung hin erweiternder Trichter sein.
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In einem freien Querschnitt eines solchen Adapters können diffusionsunterstützende Strukturen vorhanden sein, durch welche das jeweils zuzuführende Medium bei Durchströmen des Adapters zusätzlich diffus im Adapter verteilt wird. Eine solche Diffusorwirkung unterstützt in sehr vorteilhafter Weise die mikrowellenunterstützte katalytische Stoffumsetzung durch die Erzeugung turbulenter Strömungen in dem jeweiligen Medium. Die diffusionsunterstützenden Strukturen sind vorzugsweise auf die Lochplatten und deren Wirkungen abgestimmt. Diffusionsunterstützende Strukturen können beliebige, in den Strömungsverlauf des Mediums hineinragende Strukturen, aber auch speziell gestaltete Oberflächen, wie z. B. raue oder strukturierte Oberflächen, des Adapters sein.
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Die Hohlleiter sind in einer bevorzugten Ausführung des Mikrowellenreaktors in weniger als der halben, vorteilhaft sogar in einer möglichst geringen, Hohlzylinderlänge von der Medienzuführung entfernt angeordnet. Die Erwärmung des Katalysators erfolgt zwar vollumfänglich und über die gesamte Hohlzylinderlänge, es ist jedoch von Vorteil, wenn eine maximale Absorption in einem Bereich nahe der Medienzuführungsöffnung erfolgt. In diesem Bereich tritt (noch) nicht auf Reaktionstemperatur erwärmtes Medium mit dem Katalysator in Kontakt, was zu einer ausbleibenden oder unvollständig ablaufenden Stoffumsetzung führen kann. Dies wird durch eine ausreichende Erwärmung des Katalysators in diesem Bereich verhindert. Gleichzeitig wird das Medium für seine weitere Passage durch den Katalysator volumetrisch erwärmt. Es ist daher ein großer Vorteil dieser Anordnung, dass der Mikrowellenreaktor nahezu ohne Vorlaufzeit betrieben werden kann, er also nicht über einen längeren Zeitraum vorgeheizt werden muss.
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Zur Reduzierung möglicherweise auftretender ungünstiger (Antennen-)wirkungen von in den Innenraum ragender Komponenten ist es vorteilhaft, wenn die erste Austrittsöffnung bündig mit der ersten Wand des Gehäuses abschließt.
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In einer äußerst vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors ist der Innenraum mit einem dielektrischen, für Mikrowellen transmissiven Füllstoff so ausgefüllt, dass der Hohlzylinder von dem Füllstoff gegen die Wände des Gehäuses abgestützt wird. In dem Füllstoff sind Aussparungen so vorhanden, dass die Modenrührer weiterhin frei rotierbar sind. Ein solcher Füllstoff kann ein geschäumtes Material sein, welches vorzugsweise in entsprechend der Abmessungen des Innenraumes vorgefertigten Körpern in den Innenraum eingebracht wird. Weiterhin sind bekannte Techniken zur Einbringung solcher Materialien wie beispielsweise das Ausschäumen anwendbar. Als Vorteil einer solchen Ausführung sind zum Einen die stoß- und vibrationsdämpfenden Wirkungen eines solchen Füllstoffes zu nennen. Ferner stellt der Füllstoff eine Wärmedämmung dar, wodurch die Energieeffizienz des Mikrowellenreaktors positiv beeinflusst wird. Auch wird eine Steuerung der Temperaturen in dem Innenraum und in dem Hohlzylinder durch eine weitgehende Entkopplung von den Temperaturen der Umgebung des Mikrowellenreaktors wesentlich effizienter und präziser möglich. Transmissive Füllstoffe erlauben in der Regel keine 100% Transmission der Mikrowellen, sondern es wird ein gewisser Anteil der Mikrowellen auf äußeren und inneren Oberflächen der Füllstoffe reflektiert. Durch Brechung und Reflektion wird die Lauflänge der Mikrowellen erhöht und das Volumen gleichmäßiger durchstrahlt.
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Neben den beschriebenen Komponenten des Mikrowellenreaktors kann eine Steuerung vorhanden sein, die beispielsweise mit den Antrieben der Modenrührer, einer Mikrowellenquelle, einer das Medium bewegende Pumpe und mit Transformationseinrichtungen in Verbindung steht und diese ansteuern kann. Weiterhin können in und an dem Mikrowellenreaktor mit der Steuerung verbundene Sensoren vorhanden sein, durch die beispielsweise Temperaturen und Strahlungsenergien erfasst werden. Weiterhin kann die Steuerung mit Einrichtungen zur Analyse verbunden sein, durch welche die stoffliche Zusammensetzung des zuzuführenden Mediums und/oder die erreichte Stoffumsetzung qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden. Diese Informationen können als Ist-Daten für die Steuerung z. B. in einem Soll-Ist-Vergleich dienen.
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Während eines Betriebes eines erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors werden über die Hohlleiter und deren Austrittsöffnungen Mikrowellen in den Innenraum eingekoppelt. Die Mikrowellen breiten sich als Wellenfront entlang der Hohlleiterachse aus, wobei sich die Wellenfront aufgrund von Beugungseffekten ab der jeweiligen Austrittsöffnung auch räumlich um die Hohlleiterachse ausbildet. Treffen Mikrowellen auf eine Wand des Gehäuses oder auf einen der Modenrührer, werden die Mikrowellen reflektiert. Treffen die Mikrowellen dagegen auf den Hohlzylinder, durchdringt ein Anteil der auftreffenden Mikrowellen den Hohlzylinder und wird weitgehend von dem Katalysator absorbiert.
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Durch die Anordnung der verschiedenen Komponenten des Mikrowellenreaktors wird gezielt Energie in Form von eingekoppelten Mikrowellen in den Innenraum eingebracht und homogen verteilt, wodurch bei geringen Abmessungen des Innenraumes eine gleichmäßige und vollumfängliche Erwärmung des in dem Innenraum befindlichen Katalysators erreicht wird. Dadurch können die in einem an dem Katalysator vorbei- oder durch diesen hindurchströmenden Medium enthaltenen Stoffe, oder gar das Medium selbst, umgesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert.
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Die Abbildungen zeigen in
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1 eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors in Explosionsdarstellung,
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2 eine erste Ausführung eines Adapters im Teilschnitt,
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3 eine perspektivische und schematische Darstellung einer zweiten Ausführung des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors im Teilschnitt mit einem Füllstoff im Innenraum,
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4 eine schematische Veranschaulichung der Verteilung der Mikrowellen in der ersten Ausführung des Mikrowellenreaktors als Schnittdarstellung a) in der Draufsicht und b) in der Seitenansicht und
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5 eine schematische Darstellung eines Hohlzylinders mit verschlossener Stirnseite.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors 1 mit seinen wesentlichen Komponenten dargestellt. Der Mikrowellenreaktor 1 umfasst ein Gehäuse in dessen Innenraum 2, ein erster Hohlleiter 5.1 mit einer ersten Hohlleiterachse 6.1 und einer ersten Austrittsöffnung 7.1 sowie ein zweiter Hohlleiter 5.2 mit einer zweiten Hohlleiterachse 6.2 und einer zweiten Austrittsöffnung 7.2, ragt und in dem ferner zwei, um je eine Rotationsachse 8 tordierte, erste und zweite Modenrührer 9.1, 9.2, und ein mit einem Katalysator 11 gefüllter Hohlzylinder 12 angeordnet sind. Stirnseitig grenzt der Hohlzylinder 12, an eine Medienzuführungsöffnung 14 und eine Medienabführungsöffnung 15, die im Gehäuse ausgebildet sind.
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Das Gehäuse ist ein Quader aus Stahlblech mit einer ersten, zweiten, dritten und vierten Wand 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 als Seitenwände sowie einer oberen Wand 4.5 und einer unteren Wand 4.6. Die erste Wand 4.1 ist lösbar mit den angrenzenden Wänden 4.2, 4.4, 4.5, 4.6 verbunden.
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Der Hohlzylinder 12 besteht aus Quarzglas, ist für Mikrowellen transmissiv und erstreckt sich in der Mitte des Gehäuses durch den Innenraum 2 entlang einer Hohlzylinderachse 12.1 und mit einer Hohlzylinderlänge 12.2 von der Medienzuführungsöffnung 14 in der zweiten Wand 4.2 zu derer Medienabführungsöffnung 15 in der vierten Wand 4.4. Der Hohlzylinder 12 kann auch aus anderen für Mikrowellen transmissiven Gläsern, Kunststoffen oder Materialverbänden bestehen. Der Hohlzylinder 12 ist über seine gesamte Umfangsfläche zu den Wänden 4.1, 4.3, 4.5, 4.6 hin beabstandet und schließt in Richtung der Hohlzylinderachse 12.1 mit der zweiten Wand 4.2 und der vierten Wand 4.4 ab.
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Der Durchmesser des Hohlzylinders 12 ist vorteilhaft nicht größer als die doppelte, empirisch festgestellte Eindringtiefe der Mikrowellen in den Katalysator 11 gewählt. Die minimalen Abmessungen des Innenraums 2 sind durch den Durchmesser des Hohlzylinders 12 und einen minimal erforderlichen Abstand der gesamten Umfangsfläche des Hohlzylinders 12 von den Wänden 4.1, 4.3, 4.5, 4.6 bestimmt.
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Bei einer Eindringtiefe der Mikrowellen in den Katalysator 11 von beispielsweise 10 cm weist der Hohlzylinder 12 einen Durchmesser von 20 cm auf. Der senkrechte Abstand zwischen Hohlzylinder 12 und den Wänden 4.1, 4.3, 4.5, 4.6 beträgt in diesem Fall in jeder Richtung mindestens 10 cm. Bei einer würfelförmigen Gestaltung des Gehäuses betragen die Kantenlängen der Wände 4.1 bis 4.6 daher etwa 40 cm.
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Im Inneren des Hohlzylinders 12 befindet sich eine Schüttung eines Katalysators 11 aus einem Mikrowellen absorbierendem Material. Der Katalysator 11 kann ein Metalloxid, ein Metallmischoxid, z. B. auf Basis von Perowskit- oder Spinellstruktur, oder ein anderes katalytisch aktives und Mikrowellen absorbierendes Material sein.
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Die Rotationsachsen 8 des ersten Modenrührers 9.1 und des zweiten Modenrührers 9.2 verlaufen zueinander und zur Hohlzylinderachse 12.1 parallel. Der erste Modenrührer 9.1 ist seitlich oberhalb des Hohlzylinders 12 und vor der dritten Wand 4.3 vorhanden, während der zweite Modenrührer 9.2 sowohl senkrecht unterhalb des ersten Modenrührers 9.1 als auch unterhalb des Hohlzylinders 12 angeordnet ist. Erster und zweiter Modenrührer 9.1, 9.2 sind in der zweiten und vierten Wand 4.2, 4.4 gelagert und jeweils mit einem außerhalb des Innenraumes 2 angeordneten Antrieb 10 verbunden. Die tordierten ersten und zweiten Modenrührer 9.1, 9.2 beschreiben entlang ihrer Rotationsachsen 8 je eine Schraubenlinie und sind so geformt, dass Mikrowellen höchstens punktweise in den ersten Hohlleiter 5.1, beziehungsweise den zweiten Hohlleiter 5.2, reflektiert werden.
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In der ersten Wand 4.1 des Gehäuses sind der erste Hohlleiter 5.1 und der zweite Hohlleiter 5.2 senkrecht übereinander angeordnet. Die erste Hohlleiterachse 6.1 und die zweite Hohlleiterachse 6.2 verlaufen zueinander und zu der zweiten und der vierten Wand 4.2, 4.4 sowie der oberen und der unteren Wand 4.5, 4.6 parallel und sind von der zweiten Wand 4.2 lediglich mit einem Viertel der Hohlzylinderlänge 12.2 beabstandet. Die erste Hohlleiterachse 6.1 verläuft oberhalb des Hohlzylinders 12 und trifft senkrecht auf die Rotationsachse 8 des ersten Modenrührers 9.1, die zweite Hohlleiterachse 6.2 verläuft unterhalb des Hohlzylinders 12 und trifft senkrecht auf die Rotationsachse 8 des zweiten Modenrührers 9.2.
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Die erste Austrittsöffnung 7.1 des ersten Hohlleiters 5.1 ist bündig mit der ersten Wand 4.1 abschließend ausgeführt. Die zweite Austrittsöffnung 7.2 des zweiten Hohlleiters 5.2 ist, von der ersten Wand 4.1 ausgehend, hinter der Hohlzylinderachse 12.1 angeordnet. Die erste Austrittöffnung 7.1 und die zweite Austrittsöffnung 7.2 entsprechen dem freien inneren Querschnitt des ersten und des zweiten Hohlleiters 5.1, 5.2.
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In weiteren Ausführungen der Erfindung können die Querschnitte des ersten und/oder zweiten Hohlleiters 5.1, 5.2 anders geformt sein. Es kann auch eine andere Anzahl von Hohlleitern vorhanden sein.
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Der erste Hohlleiter 5.1 und der zweite Hohlleiter 5.2 weisen in einem außerhalb des Gehäuses befindlichen Bereich jeweils einen Dreistifttuner 23 als Transformationseinrichtung auf. Durch entsprechende Betätigung des Dreistifttuners 23 können die elektromagnetischen Eigenschaften der Mikrowellen eingestellt und an die Betriebsbedingungen des Mikrowellenreaktors 1 angepasst werden.
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Stirnseitig wird der Hohlzylinder 12 von je einer Lochplatte 13 aus legiertem Stahlblech abgeschlossen, die so gestaltet ist, dass Mikrowellen an einem Austritt aus dem Innenraum 2 gehindert werden, ein zuzuführendes Medium aber leicht durchtreten kann. Das Medium ist im Ausführungsbeispiel mit Kohlenmonoxid und flüchtigen Kohlenwasserstoffen angereicherte Luft. Es können jedoch auch andere gasförmige (z. B. inerte Trägergase, Abgase) oder flüssige Medien (z. B. Wasser oder wässrige Lösungen) mit anderen gasförmigen, flüssigen oder festen Stoffen sowie Mischungen dieser (Aerosole, Stäube) umgesetzt werden.
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An die Medienzuführungsöffnung 14 ist ein Adapter 16 angesetzt, der als ein zu der Medienzuführungsöffnung 14 hin erweiterter Trichter ausgebildet ist und eine Zuleitung (nicht gezeigt) mit der Medienzuführungsöffnung 14 verbindet. Es ist auch möglich, einen Adapter 16 an der Medienabführungsöffnung 15 vorzusehen. Alle mikrowellen- oder mediumleitende Komponenten des Mikrowellenreaktors 1 weisen an ihren Kontaktstellen zu jeweils anderen Komponenten geeignete Dichtungen 22 auf.
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Um eine effiziente katalytische Stoffumsetzung zu unterstützen, sind in dem Adapter 16 diffusionsunterstützende Strukturen 16.1 vorhanden, die gemäß 2 als ein über den freien Querschnitt des Adapters 16 reichende Lochscheibe ausgebildet sind. Die diffusionsunterstützende Strukturen 16.1 können jedoch auch beliebige anders geformte und in den freien Querschnitt des Adapter 16 ragende Strukturen oder aber Oberflächenstrukturen sein, durch die eine Ausbildung einer laminaren Strömung verhindert wird.
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In einer weiteren Ausführung des Mikrowellenreaktors 1 gemäß 3, die in ihrem Aufbau ansonsten der in 1 gezeigten Ausführung entspricht, ist der Innenraum 2 mit einem dielektrischem und für Mikrowellen transmissiven Füllstoff 17 ausgefüllt, wobei der Hohlzylinder 12 durch den Füllstoff 17 gegen die Wände 4.1 bis 4.6 abgestützt wird. In den Bereichen des ersten und zweiten Modenrührers 9.1, 9.2 ist der Füllstoff 17 so ausgespart, dass diese weiterhin frei rotierbar sind. Der Füllstoff 17 ist ein geschäumtes und in Blöcken und Platten geformtes Aluminiumoxid. Die Blöcke und Platten können bereits bei der Montage des Mikrowellenreaktors 1 in den Innenraum 2 eingebaut oder aber nachträglich, z. B. bei sich verändernden Anforderungen an den Mikrowellenreaktor 1 und/oder sich verändernden Betriebsbedingungen, ein- oder ausgebaut werden. Als weiterer Füllstoff kann SiO2 verwendet sein. Weiterhin ist vorteilhaft eine Steuerung 18 vorhanden, die mit Sensoren 19 im Innenraum 2 und an der Medienabführungsöffnung 15, mit einer Mikrowellenquelle 20, mit einer das Medium bewegenden Pumpe 21 und den Antrieben 10 der Modenrührer 9.1, 9.2 in signalleitender Weise verbunden ist (stark schematisch dargestellt). Zum Betreiben eines Mikrowellenreaktors 1, wie er in 3 dargestellt ist, werden durch eine Mikrowellenquelle 20 Mikrowellen erzeugt und mittels des ersten und des zweiten Hohlleiters 5.1, 5.2 zu den Austrittsöffnungen 7.1, 7.2 geleitet. Dabei können die Eigenschaften der in den Innenraum 2 einzukoppelnden Mikrowellen mittels der Dreistifttuner 23 eingestellt werden, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Füllstoff 17 besteht zwar aus einem für Mikrowellen transmissiven Material, jedoch wird an den inneren und äußeren Oberflächen der Blöcke und Platten des Füllstoffs 17 ein Anteil der auftreffenden Mikrowellen reflektiert. Dieser Umstand begünstigt eine diffuse und homogene Verteilung der Mikrowellen in dem Innenraum 2. Zugleich wird aufgrund der wärmedämmenden Wirkung des Füllstoffs 17 wenig Wärme an die Umgebung des Mikrowellenreaktors 1 abgegeben. Auch wirken sich schwankende Umgebungstemperaturen nur sehr gering auf die Temperaturen im Innenraum 2 aus. Weiterhin schützt der Füllstoff 17 den Hohlzylinder 12 bei auftretenden Belastungen des Mikrowellenreaktors 1 durch Vibrationen oder Stöße.
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In einer weiteren Ausführung des Hohlzylinders 12 gemäß 5 erstreckt sich der Hohlzylinder 12 ausgehend von der Medienzuführungsöffnung 14 in Wand 4.2 entlang der Hohlzylinderachse 12.1 in den Innenraum 2, wobei seine in den Innenraum 2 ragende Stirnseite für das Medium dicht verschlossen ist. Ebenfalls von der Wand 4.2 aus ragt koaxial ein offenes Rohr 24, dessen Länge geringer ist als die Hohlzylinderlänge 12.2 und dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Hohlzylinders 12, in den Hohlzylinder 12. Das offene Rohr 24 steht mit der Medienabführungsöffnung 15 in Verbindung. Zwischen dem offenen Rohr 24 und dem Hohlzylinder 12 befindet sich der Katalysator 11. Die Medienzuführungsöffnung 14 und die Medienabführungsöffnung 15 liegen in der Wand 4.2 in einer Ebene senkrecht zur Hohlzylinderachse 12.1. Die Medienabführungsöffnung 15 ist durch die Medienzuführungsöffnung 14 umfangen. Medienzuführungsöffnung 14 und Medienabführungsöffnung 15 sind durch eine gemeinsame Lochplatte 13 in der Wand 4.2 verschlossen.
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Die Funktionsweise des Mikrowellenreaktors 1 soll anhand der stark vereinfachten 4 erläutert werden. Der gezeigte Aufbau entspricht grundsätzlich den Ausführungen gemäß 1, 3 und 5. Gemäß 4a, b werden die Mikrowellen mittels des ersten und des zweiten Hohlleiters 5.1, 5.2 nahe und parallel der zweiten Wand 4.2 in den Innenraum 2 eingekoppelt, wodurch ein Anteil der Mikrowellen auf denjenigen Bereich des Hohlzylinders 12 auftrifft, der sich in räumlicher Nähe zu der Medienzuführungsöffnung 14 befindet. Dieser wird daher am direktesten durch die eingekoppelten Mikrowellen erwärmt, während der Hohlzylinder 12 in seinen von der zweiten Wand 4.2 entfernter liegenden Bereichen durch diffus reflektierte Mikrowellen getroffen wird.
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Die an der ersten Austrittsöffnung 6.1 eingekoppelten Mikrowellen breiten sich als Wellenfront entlang der ersten Hohlleiterachse 6.1 aus, wobei sich die Wellenfront aufgrund von Beugungseffekten ab der ersten Austrittsöffnung 7.1 auch räumlich um die erste Hohlleiterachse 6.1 ausbildet, wie dies in 4b angedeutet ist. Ein Anteil dieser Wellenfront trifft auf den der ersten Wand 4.1 zugewandten Bereich des Hohlzylinders 12 und wird dort im Wesentlichen von dem Katalysator 11 absorbiert. Ein anderer Anteil der Wellenfront trifft auf die Wände 4.1, 4.2 und 4.4 bis 4.6, von wo er in den Innenraum 2 zurück reflektiert wird. Dort kommt es entweder zur Absorption durch den Katalysator 11 oder zu weiteren Reflexionen an den Wänden 4.1 bis 4.6. Die reflektierten Mikrowellen können den Hohlzylinder 12 nun bereits aus einer Vielzahl von Richtungen und unter verschiedenen Winkellagen treffen, wodurch eine gleichmäßige Erwärmung des Katalysators 11 erreicht wird. Wiederum ein Anteil der Wellenfront dringt entlang der erste Hohlleiterachse 6.1 und zwischen der oberen Wand 4.5 und dem Hohlzylinder 12 vor und trifft senkrecht auf die Rotationsachse 8 des ersten Modenrührers 9.1 und auf die dritte Wand 4.3. Die auftreffenden Mikrowellen werden durch den ersten Modenrührer 9.1 unter ständig wechselnden Winkellagen reflektiert. Die reflektierten Mikrowellen treffen entweder auf eine weitere reflektierende Oberfläche der Wände 4.1 bis 4.6, auf den zweiten Modenrührer 9.2 oder aber sie fallen auf die der dritten Wand 4.3 zugewandten Hälfte des Hohlzylinders 12 und werden durch den Katalysator 11 weitgehend absorbiert.
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Durch die Anordnung der zweiten Austrittsöffnung 7.2 hinter der Hohlzylinderachse 12.1 werden Mikrowellen in den hinteren Bereich des Innenraums 2 eingekoppelt, weitgehend von dem dort ebenfalls angeordneten zweiten Modenrührer 9.2 unter ständig wechselnden Winkellagen reflektiert und homogen im Innenraum 2 verteilt. Die hintere Hälfte des Hohlzylinders 10 wird daher hauptsächlich von an der zweiten Austrittsöffnung 7.2 eingekoppelten Mikrowellen erreicht, während die vordere Hälfte hauptsächlich durch die an der ersten Austrittsöffnung 7.1 eingekoppelten Mikrowellen erreicht wird. Mittels der Steuerung 18 werden die Eigenschaften der eingekoppelten Mikrowellen an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst.
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Der erfindungsgemäße Mikrowellenreaktor 1 ist insbesondere für Anwendungen geeignet, bei denen Wert auf geringe Abmessungen und niedrige Gewichte bei gleichzeitig hoher Effizienz gelegt wird. Zudem erlaubt die kompakte Bauweise des Mikrowellenreaktors 1 den modularen Einsatz sowie eine unkomplizierte Erreichbarkeit aller wichtigen Komponente z. B. für Wartungsarbeiten. Alle für die Einstellung erforderlichen Komponenten können auf einer Seite, z. B. bei der ersten Wand 4.1, untergebracht werden, wodurch der Einbau auch in bestehende Systeme erleichtert wird und eine leichte Bedienbarkeit gegeben ist.
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Der Mikrowellenreaktor 1 kann in allen Bereichen eingesetzt werden, in denen in einem Medium transportierte Stoffe katalytisch umgesetzt werden sollen. Dies können neben Reinigungen (z. B. durch Oxidation und/oder Reduktion) von Medien wie die Umsetzung von Schadstoffen in der Luft, Aerosolen oder Stäuben auch die Prozessierung von Medien und/oder den darin transportierten Stoffen sein. Der erfindungsgemäße Mikrowellenreaktor 1 kann mit einer hohen Effizienz hinsichtlich der aufgewendeten Energien als auch hinsichtlich der pro Energieeinheit umgesetzten Stoffmengen betrieben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mikrowellenreaktor
- 2
- Innenraum
- 4.1
- erste Wand
- 4.2
- zweite Wand
- 4.3
- dritte Wand
- 4.4
- vierte Wand
- 4.5
- obere Wand
- 4.6
- untere Wand
- 5.1
- erster Hohlleiter
- 5.2
- zweiter Hohlleiter
- 6.1
- erste Hohlleiterachse
- 6.2
- zweite Hohlleiterachse
- 7.1
- erste Austrittsöffnung
- 7.2
- zweite Austrittsöffnung
- 8
- Rotationsachse
- 9.1
- erster Modenrührer
- 9.2
- zweiter Modenrührer
- 10
- Antrieb
- 11
- Katalysator
- 12
- Hohlzylinder
- 12.1
- Hohlzylinderachse
- 12.2
- Hohlzylinderlänge
- 13
- Lochplatte
- 14
- Medienzuführungsöffnung
- 15
- Medienabführungsöffnung
- 16
- Adapter
- 16.1
- diffusionsunterstützende Struktur
- 17
- Füllstoff
- 18
- Steuerung
- 19
- Sensor
- 20
- Mikrowellenquelle
- 21
- Pumpe
- 22
- Dichtung
- 23
- Dreistifttuner
- 24
- offenes Rohr
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10329411 B4 [0001, 0011, 0012, 0012]
- JP 5-168950 A [0008, 0008]
- DE 69304383 T2 [0009]
- EP 0564359 B1 [0009]
- DE 4313806 A1 [0010, 0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Will et al. (2002 in: Chemie Ingenieur Technik 74: 1057–1067) [0005]
- Fälsch et al. (2004 in: Chemie Ingenieur Technik 76: 1–8) [0005]
- Hartmann et al. (2005 in: Chemie Ingenieur Technik 77: 1609–1617) [0005]
