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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschleunigung einer chemischen Reaktion zwischen mindestens zwei Reaktanten in einem chemischen Reaktor sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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In der chemischen Industrie werden Reaktoren eingesetzt, um unterschiedliche Reaktanten miteinander reagieren zu lassen. Der vielleicht bekannteste chemische Reaktor ist ein Rührbehälter, auch Rührkessel genannt. In Rührkesseln werden chemische Reaktionen in flüssiger Phase durchgeführt. In Abhängigkeit von den verwendeten Reaktanten kann die Reaktionszeit sehr lang sein. Hierbei spielen auch die Größe des Reaktors als auch die erforderliche Verweilzeit der Reaktanten im Reaktor eine Rolle.
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Rührbehälter sind in der Regel Behälter aus Stahl, die mit einem Rührer und einem Heizmantel ausgestattet sind. Durch Stutzen ragen Stromstörer in den Behälter. Diese verhindern, dass der Inhalt des Behälters mit dem Rührer rotiert, so dass eine Durchmischung der Reaktionspartner bzw. Reaktanten erzielt wird. Darüber hinaus können weitere Stutzen vorgesehen sein, die dem Zulauf der Reaktionsstoffe und/oder dem Einführen von Messinstrumenten dienen. Am Boden des Behälters befindet sich in der Regel ein Ablaufstutzen, der beispielsweise mit einem beweglichen Ventilteller geschlossen wird.
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In einem derartigen Behälter durchgeführte chemische Reaktionen werden üblicherweise in Chargen durchgeführt. Zur Beschleunigung der Reaktion kann bzw. können der Druck und/oder die Temperatur im Behälter erhöht werden. Dennoch besteht ein allgemeiner Bedarf die Reaktionszeit weiter zu verkürzen, um den Vorgang insbesondre in industriellen Anwendungen effizienter zu gestalten. Hier Abhilfe zu schaffen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Beschleunigung einer chemischen Reaktion zwischen mindestens zwei Reaktanten in einem chemischen Reaktor wird zumindest ein Reaktant mit Hochdruck beaufschlagt und unter Hochdruck in den chemischen Reaktor eingespritzt. Zum Einspritzen des Reaktants wird dabei ein Hochdruckeinspritzventil mit einer Düse und einer mit der Düse zusammenwirkenden hubbeweglich Düsennadel verwendet.
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Derartige Hochdruckeinspritzventile sind aus der Kraftstoffeinspritztechnik bekannt, so dass auf diese Technik zurückgegriffen werden kann. Die Einspritzung mittels derartiger Ventile ermöglicht eine definierte Tröpfchengröße sowie Tröpfchenverteilung. Aufgrund der Einspritzung unter Hochdruck können sehr kleine Tröpfchen eines Reaktanten erreicht werden, so dass eine Oberflächenvergrößerung erfolgt, die zu einer Beschleunigung der gewünschten chemischen Reaktion im Reaktor beiträgt. Beispielsweise können auf diese Weise Synthesen und/oder Oxidationsreaktionen begünstigt werden.
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Mindestens ein weiterer Reaktant kann bereits im Reaktor vorhanden sein oder ebenfalls unter Hochdruck in den Reaktor eingespritzt werden. Bei den Reaktanten kann es sich um flüssige und/oder gasförmige Stoffe handeln. Im Falle eines in den Reaktor einzubringenden gasförmigen Reaktanten umfasst der Begriff „Einspritzen“ auch das üblicherweise als „Einblasen“ bezeichnete Einbringen gasförmiger Stoffe.
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Das Einspritzen mindestens eines Reaktanten unter Hochdruck in den Reaktor stellt einen deutlich dynamischeren Prozess als das aus dem Stand der Technik bekannte Rühren dar. Mittels der Hochdruckeinspritzung können hohe Impulse eingebracht werden, die zu einer gründlichen Durchmischung der Reaktanten im Reaktor und damit zu einer Beschleunigung der chemischen Reaktion führen. Vorzugsweise liegt der Einspritzdruck über 1.400 bar, weiterhin vorzugsweise über 1.600 bar und besonders bevorzugt über 2.000 bar.
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Die Einspritzung eines Reaktanten mittels eines Hochdruckeinspritzventils erfolgt vorzugsweise in einem gepulsten Verfahren. Das heißt, dass über die Hubbewegung der Düsennadel mehrere aufeinanderfolgende Einspritzvorgänge gesteuert werden. Auf diese Weise können auch stabile Kleinstmengen dargestellt werden, so dass die Zumessung bzw. die Dosierung des einzuspritzenden Reaktanten verbessert wird. Über die Parameter Ansteuerdauer, Einspritzdruck und Düsengeometrie des Hochdruckeinspritzventils kann die Zumessung bzw. Dosierung des Reaktanten einfach variiert werden. Ein gepulstes Verfahren besitzt zudem den Vorteil, dass die Abstimmung erleichtert wird. Ferner sind kleinere und damit Energie einsparende Komponenten zur Bereitstellung von Druck und/oder Volumenstrom einsetzbar.
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Für großindustrielle Prozesse können große Einspritzmengen durch hohe Schaltzahlen und/oder parallele Anordnung mehrerer Einspritzventile erreicht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zumindest zwei Reaktanten jeweils mit Hochdruck beaufschlagt und unter Verwendung eines Hochdruckeinspritzventils unter Hochdruck in den Reaktor eingespritzt. Das heißt, dass am Reaktor mindestens zwei Hochdruckeinspritzventile angeordnet sind. Die Düsen der Hochdruckeinspritzventile werden vorzugsweise schräg zueinander ausgerichtet, so dass die Reaktanten im Reaktor aufeinandertreffen. Dabei werden Scherkräfte erzeugt, die zu einem sehr feinen Zerstäuben der Reaktanten führen. Auf diese Weise wird eine weitere Beschleunigung der gewünschten chemischen Reaktion erreicht.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Reaktant in einen bereits im Reaktor vorhandene weiteren Reaktanten eingespritzt wird. Der in den Reaktor eingespritzte Reaktant dringt dabei tief in den bereits vorhandenen Reaktanten ein, so dass hohe Scherraten erzielt werden, die zu einer schnellen Vermischung und damit zu einer beschleunigten chemischen Reaktion der Reaktanten beitragen. Mittels der Hochdruckeinspritzung können zudem gezielt Kavitationsblasen in den bereits vorhandenen Reaktanten eingebracht werden, die anschließend kollabieren und dabei Turbulenzen im Reaktor erzeugen, die ebenfalls zu einer Beschleunigung der gewünschten chemischen Reaktion beitragen. Der bereits im Reaktor vorhandene Reaktant wird vorzugsweise über einen seitlichen Zulauf dem Reaktor zugeführt, wobei weiterhin vorzugsweise die Zuführung kontinuierlich erfolgt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Reaktor lediglich teilweise mit einem Reaktanten gefüllt wird, in den dann mindestens ein weiterer Reaktant eingespritzt wird. In Abhängigkeit vom Füllstand des Reaktors bildet sich oberhalb des vorhandenen Reaktanten eine Gasschicht, insbesondere Luftschicht, aus, durch die hindurch der weitere Reaktant eingespritzt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Düse des Hochdruckeinspritzventils zum Einspritzen des weiteren Reaktanten nicht in Kontakt mit dem im Reaktor bereits vorhandenen Reaktanten gelangt.
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Bei den Reaktanten kann es sich jeweils um eine Flüssigkeit handelt. Darüber hinaus kann aber auch mindestens ein Reaktant ein Gas sein. Beispielsweise kann ein gasförmiges Medium als Reaktant verwendet werden, der unter Hochdruck in den Reaktor eingespritzt wird. Aus dem Stand der Technik ist ein sogenannter Blasensäulenreaktor bekannt, der die Einblasung eines Gases in eine Flüssigkeit ermöglicht. Dabei entstehen vergleichsweise große Blasen. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Hochdruckeinspritzung können beim Einspritzen des gasförmigen Mediums sehr kleine Bläschen erzeugt werden, so dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht.
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Als weiterbildende Maßnahme wird ferner vorgeschlagen, dass zumindest ein Reaktant beim Einspritzen in den Reaktor durch eine Mischkammer geleitet wird, in der ein weiteres Medium enthalten ist, das vom Reaktanten mitgerissen wird. Auf diese Weise kann mit Hilfe des Hochdruckeinspritzventils mindestens ein weiteres Medium mit eingebracht und gleichmäßig verteilt werden. Das weitere Medium kann insbesondere ein Hilfs- oder Zusatzstoff, beispielsweise in Form eines Feststoffs, sein. Als Feststoff können insbesondere Nanopartikel eingesetzt werden, da diese besonders klein und leicht sind, so dass sie vom einzuspritzenden Reaktanten mitgerissen werden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ferner eine Vorrichtung vorgeschlagen, die einen Reaktor sowie mindestens ein dem Reaktor zugeordnetes Hochdruckeinspritzventil umfasst. Das Hochdruckeinspritzventil weist eine Düse und eine mit der Düse zusammenwirkende hubbewegliche Düsennadel zum Einspritzen eines Reaktanten in den Reaktor unter Hochdruck auf.
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Bei dem Hochdruckeinspritzventil kann es sich insbesondere um ein aus der Kraftstoffeinspritztechnik bekanntes Ventil handeln, das Einspritzdrücke über 2.000 bar ermöglicht. Das heißt, dass hohe Impulse im Reaktor erzeugbar sind, die zu einer Beschleunigung der gewünschten chemischen Reaktion beitragen. Ferner sind Kleinstmengen darstellbar, die eine exakte Zumessung bzw. Dosierung des einzuspritzenden Reaktanten ermöglichen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung mindestens eine Hochdruckpumpe zum Verdichten eines Reaktanten umfasst. Die Hochdruckpumpe kann beispielsweise als Kolbenpumpe analog einer Kraftstoffhochdruckpumpe ausgeführt sein. Insofern kann wiederum auf bekannte Komponenten aus der Kraftstoffeinspritztechnik zurückgegriffen werden, so dass sich die Vorrichtung vergleichsweise kostengünstig umsetzen lässt.
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Um zumindest einen Reaktanten in einen Reaktanten einzuspritzen, der bereits im Reaktor vorhanden ist, wird vorgeschlagen, dass der Reaktor einen Zulauf für einen weiteren Reaktanten aufweist. Der Zulauf kann insbesondere seitlich in Bezug auf den Reaktor angeordnet sein, während das mindestens eine Hochdruckeinspritzventil bevorzugt oberhalb der Reaktors angeordnet ist. Die Schwerkraft unterstützt in diesem Fall ein tiefes Eindringen des eingespritzten Reaktanten in den bereits im Reaktor vorhandenen Reaktanten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Düse eine Mischkammer nachgeschaltet. In der Mischkammer kann ein weiteres Medium vorhanden sein, das beim Einspritzen des Reaktanten von diesem mitgerissen wird. Auf diese Weise kann mit dem Reaktant ein zusätzlicher Stoff, insbesondere Hilfsstoff, in den Reaktor mit eingebracht werden. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Feststoff, vorzugsweise um einen Feststoff in Form von Nanopartikeln handeln. Zur Ausbildung der Mischkammer ist vorzugsweise auf die Düse ein Adapter aufgesetzt, so dass die Düse und der Adapter gemeinsam die Mischkammer begrenzen. Auf diese Weise kann auf eine separate Armatur für die Zugabe des weiteren Stoffes verzichtet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
- 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform und
- 5 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte Vorrichtung umfasst einen Reaktor 3, oberhalb dessen ein Hochdruckeinspritzventil 4 angeordnet ist. Das Hochdruckeinspritzventil 4 weist eine Düse 5 und eine mit der Düse 5 zusammenwirkende hubbewegliche Düsennadel 6 auf, über deren Hub mindestens eine in der Düse 5 ausgebildete Einspritzöffnung 14 freigebbar ist. Über die Einspritzöffnung 14 ist ein hochdruckbeaufschlagter Reaktant 1 in den Reaktor 3 einspritzbar. Die Hochdruckbeaufschlagung des Reaktanten 1 erfolgt mittels einer vorgeschalteten Hochdruckpumpe 10. Über einen Zulauf 13 wird der Reaktant der Hochdruckpumpe 10 zugeführt.
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Im Reaktor 3 ist ein weiterer Reaktant 2 aufgenommen, in den der erste Reaktant 1 mit Hilfe des Hochdruckeinspritzventils 4 eingespritzt wird. Dabei dringt der erste Reaktant 1 tief in den zweiten Reaktanten 2 ein, so dass Scherkräfte zu einem Aufbrechen des zweiten Reaktanten 2 führen. Auf diese Weise wird eine gute Durchmischung der beiden Reaktanten 1, 2 erreicht, die zu einer Beschleunigung der gewünschten chemischen Reaktion führt.
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In der 2 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Hier taucht die Düse 5 des Hochdruckeinspritzventils 4 nicht in den im Reaktor 3 bereits vorhandenen zweiten Reaktanten 2 ein, so dass ein Kontakt der Düse 5 mit dem Reaktanten 2 vermieden wird.
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Der 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Reaktor 3 mit einem seitlichen Zulauf 7 für den weiteren Reaktanten 2 zu entnehmen. Über den seitlichen Zulauf 7 ist der weitere Reaktant 2 dem Reaktor 3 zuführbar. Bodenseitig weist der Reaktor einen Auslass 12 auf, über den die Reaktanten 1, 2 nach der chemischen Reaktion aus dem Reaktor 3 abgeführt werden.
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Wie beispielhaft in der 4 dargestellt, kann neben den beiden Reaktanten 1, 2 in einfacher Weise ein weiteres Medium 9 in den Reaktor 3 mit eingebracht werden. Vor die Düse 5 wird hierzu ein Adapter 11 angeordnet, in dem eine Mischkammer 8 ausgebildet ist, in welcher das weitere Medium 9 aufgenommen ist. Der erste Reaktant 1 wird dann über die Mischkammer 8 in den Reaktor 3 eingespritzt. Dabei reißt der Reaktant 1 das weitere Medium 9 mit.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der 5 zu entnehmen. Hier werden zwei Reaktanten 1, 2 jeweils mittels einer Hochruckpumpe 10 mit Hochdruck beaufschlagt und jeweils unter Hochdruck mittels eines Hochdruckeinspritzventils 4 in den Reaktor 3 eingespritzt. Die Düsen 5 der beiden Hochdruckeinspritzventile 4 sind schräg zueinander ausgerichtet, so dass die Sprühstrahlen aufeinandertreffen bzw. sich kreuzen. Auf diese Weise wird eine sehr feine Zerstäubung beider Reaktanten 1, 2 erreicht, so dass eine Oberflächenvergrößerung bewirkt wird, die zu einer Beschleunigung der gewünschten chemischen Reaktion führt.
