DE102019006639A1

DE102019006639A1 - Continuous process for heating media by means of microwave radiation and a suitable microwave system

Info

Publication number: DE102019006639A1
Application number: DE102019006639.1A
Authority: DE
Inventors: Hans Jürgen Scholz; Rudolf Emmerich; Markus Schönwald
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2021-03-25
Also published as: WO2021052618A1

Abstract

Beschrieben wird ein kontinuierliches Verfahren zum Erhitzen eines Mediums in einer Kavität, durchgeführt in einer Mono-Mode-Mikrowellenanlage mit den Schritten:a) in einem Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt wird eine stehende elektromagnetische Welle im TE10 Mode ausgebildet, wobei die Länge des Hohlleiters eine halbe bis sechs Wellenlängen der stehenden elektromagnetischen Welle beträgt,b) das Medium enthält mindestens 1 Gewichtsprozent eines polaren oder polarisierbaren Bestandteiles, bezogen auf das Gesamtgewicht des Mediums,c) das Medium bewegt sich durch mindestens eine Kavität, die das Innere des Hohlleiters ganz oder teilweise durchläuft, so dass das Medium sich in Ausbreitungsrichtung der stehenden elektromagnetischen Welle bewegt, oder das Medium durchläuft mindestens eine Kavität, die senkrecht zur Längsachse des Hohlleiters durch den Hohlleiter verläuft, so dass das Medium sich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der stehenden elektromagnetischen Welle bewegt, wobei die senkrecht durch den Hohlleiter verlaufende Kavität so angeordnet ist, dass ein Maximum des elektrischen Feldes der stehenden Welle in der Kavität auftritt,d) das Medium wird innerhalb von 0,1 Sekunden bis 10 Minuten durch den der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzten Teil der Kavität hindurchgeführt,e) das Medium absorbiert 10% bis 99% der eingespeisten Mikrowellenenergie, undf) das Medium erreicht in der Kavität eine Temperatur von 30 °C bis 300°C.Das Verfahren und die Mikrowellenanlage zeichnen sich durch eine hohe Energieeffizienz bei gleichzeitig schonender Behandlung der Inhaltsstoffe des Mediums aus.A continuous process for heating a medium in a cavity is described, carried out in a mono-mode microwave system with the following steps: a) A standing electromagnetic wave in TE10 mode is formed in a waveguide with a rectangular cross-section, the length of the waveguide being half a length is up to six wavelengths of the standing electromagnetic wave, b) the medium contains at least 1 percent by weight of a polar or polarizable component, based on the total weight of the medium, c) the medium moves through at least one cavity that completely or partially passes through the interior of the waveguide , so that the medium moves in the direction of propagation of the standing electromagnetic wave, or the medium passes through at least one cavity that runs perpendicular to the longitudinal axis of the waveguide through the waveguide, so that the medium moves perpendicular to the direction of propagation of the standing electromagnetic wave, the The cavity running vertically through the waveguide is arranged in such a way that a maximum of the electric field of the standing wave occurs in the cavity, d) the medium is passed through the part of the cavity exposed to the electromagnetic radiation within 0.1 seconds to 10 minutes, e ) the medium absorbs 10% to 99% of the microwave energy fed in, and f) the medium reaches a temperature of 30 ° C to 300 ° C in the cavity. The process and the microwave system are characterized by high energy efficiency and gentle treatment of the ingredients of the Medium.

Description

Die Erfindung betrifft kontinuierlich durchgeführte mikrowellenunterstützte chemischen Reaktionen und sonstige Prozesse, wie mikrowellenunterstützte Trenn- und Reinigungsverfahren. Unter Nutzung von spezifisch konfigurierten Kavitäten und Reaktoraufbauten einer Mikrowellenanlage können chemische Reaktionen und sonstige Prozesse sowohl im Labormaßstab als auch im Pilotanlagenmaßstab bis zum industriellen Maßstab mit äußerst effizienter Raum-Zeit-Ausbeute, hervorragender Produktqualität, hoher Selektivität und hoher Energieeffizienz durchgeführt werden.The invention relates to continuously carried out microwave-assisted chemical reactions and other processes, such as microwave-assisted separation and cleaning processes. Using specifically configured cavities and reactor structures of a microwave system, chemical reactions and other processes can be carried out both on a laboratory scale and on a pilot system scale up to an industrial scale with an extremely efficient space-time yield, excellent product quality, high selectivity and high energy efficiency.

In zahlreichen Publikationen und Patentschriften werden mikrowellenunterstütze chemische Reaktionen beschrieben, jedoch mit für kommerzielle Anwendungen unbefriedigenden Umsätzen. Einen umfassenden Überblick gibt die Buchveröffentlichung „Microwave Chemistry“ von G. Cravotto, 2017.Microwave-assisted chemical reactions are described in numerous publications and patents, but with sales that are unsatisfactory for commercial applications. The book publication "Microwave Chemistry" by G. Cravotto, 2017, gives a comprehensive overview.

Das Up-Scaling von mikrowellenunterstützen chemischen Reaktionen vom Labormaßstab in einen technischen Maßstab und damit die Produktion von Tonnen pro Jahr konnte bisher in Batchreaktoren nicht befriedigend realisiert werden. Eine Ursache dafür ist die geringe Eindringtiefe von einigen Millimetern bis wenigen Zentimetern von Mikrowellen in das Reaktionsmedium. Deshalb kann ein Up-scaling nur in kontinuierlichen Reaktoren erfolgreich sein, in denen auch die Feldverteilung der Mikrowellen definiert ist.Up-scaling of microwave-assisted chemical reactions from a laboratory scale to a technical scale and thus the production of tons per year could not be realized in a satisfactory way in batch reactors. One reason for this is the small penetration depth of a few millimeters to a few centimeters of microwaves into the reaction medium. Up-scaling can therefore only be successful in continuous reactors in which the field distribution of the microwaves is also defined.

Für eine besonders effektive Reaktionsführung mit Mikrowellen ist eine Erhöhung der Feldstärken erforderlich. Dem sind jedoch enge Grenzen gesetzt, da in den bisher zum Scale-up chemischer Reaktionen eingesetzten Multi-Mode-Geräten die Feldverteilung undefiniert ist und nur vergleichsweise geringe Feldstärken vorliegen.For a particularly effective reaction with microwaves, an increase in the field strengths is necessary. However, there are narrow limits to this, since in the multi-mode devices used to date for the scale-up of chemical reactions, the field distribution is undefined and only comparatively low field strengths are present.

Inhomogenitäten des Mikrowellenfeldes führen zu lokalen Überhitzungen des Reaktionsmediums und erschweren eine sichere, effektive und reproduzierbare Reaktionsführung.Inhomogeneities in the microwave field lead to local overheating of the reaction medium and make it more difficult to conduct the reaction safely, effectively and reproducibly.

Chemat et al. (J. Microwave Power and Electromagnetic Energy 1998, 33, 88-94) beschreiben verschiedene kontinuierlich durchgeführte Veresterungen in einer Monomode-Mikrowellenkavität, wobei der Mikrowellenleiter senkrecht auf das Reaktionsrohr trifft. Dabei werden bei heterogen katalysierten Veresterungen beschleunigte Umsetzungen beobachtet. Das für die Mikrowellenbestrahlung zur Verfügung stehende Volumen von nur 20 ml erfordert jedoch mehrmaliges Durchfahren der Reaktanden durch die Bestrahlungszone, um interessante Ausbeuten zu erzielen. Eine deutliche Erhöhung des Querschnitts des Reaktionsrohres ist auf Grund der Geometrie des Applikators nicht möglich und wegen der geringen Eindringtiefe von Mikrowellen auch nicht zum Up-Scaling geeignet. Chemat et al. (J. Microwave Power and Electromagnetic Energy 1998, 33, 88-94) describe various continuously carried out esterifications in a single-mode microwave cavity, where the microwave guide hits the reaction tube perpendicularly. Accelerated conversions are observed in the case of heterogeneously catalyzed esterifications. The volume of only 20 ml available for microwave irradiation, however, requires the reactants to be passed through the irradiation zone several times in order to achieve interesting yields. A significant increase in the cross section of the reaction tube is not possible due to the geometry of the applicator and, due to the low penetration depth of microwaves, is also not suitable for up-scaling.

EP 2,480,644 A1 entsprechend WO2011/035853 A1 offenbart kontinuierliche Umesterungsverfahren, EP 2,448,904 A1 entsprechend WO2011/000464 A2 und EP 2,448,905 A2 entsprechend WO2011/000463 A2 offenbaren Veresterungen, EP 2,658,882 A1 entsprechend WO2012/089297 A1 offenbart Polymerisationsreaktionen, EP 2,274,274 A1 entsprechend WO2009/121487 A1 , EP 2,274,271 A1 entsprechend WO2009/121488 A1 , EP 2,448,915 A1 entsprechend WO2011/000462 A1 und EP 2,274,272 A1 entsprechend WO2009/121485 A1 offenbaren Amidierungsreaktionen, jeweils durchgeführt in Mikrowellenreaktoren. In diesen Schriften werden hohe Umsätze und die Eignung zum Up-Scaling offenbart. Die Reaktionen erfolgen in kontinuierlichen Verfahren unter Mikrowellenbestrahlung in einem Reaktionsrohr, dessen Längsachse sich in der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen eines Monomode-Mikrowellenapplikators befindet. EP 2,274,272 A1 lehrt, daß die Amidierungsreaktion durch Bestrahlung der Reaktanten mit Mikrowellen in einem Reaktionsrohr, das sich in einem Hohlleiter befindet, erfolgt. Für dieses Verfahren besonders bevorzugte Mikrowellenapparate sind aus einem Hohlraumresonator, einer Koppeleinrichtung zum Einkoppeln eines Mikrowellenfeldes in den Hohlraumresonator und mit je einer Öffnung an zwei gegenüber liegenden Stirnwänden zum Hindurchführen des Reaktionsrohres durch den Resonator aufgebaut. Die Einkopplung der Mikrowellen in den Hohlraumresonator erfolgt bevorzugt über einen Koppelstift, der in den Hohlraumresonator hineinragt. Bevorzugt ist der Koppelstift als ein als Kopplungsantenne fungierendes, bevorzugt metallisches Innenleiterrohr ausgeformt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ragt dieser Koppelstift durch eine der stirnseitigen Öffnungen in den Hohlraumresonator hinein. EP 2,480,644 A1 corresponding WO2011 / 035853 A1 discloses continuous transesterification processes, EP 2,448,904 A1 corresponding WO2011 / 000464 A2 and EP 2,448,905 A2 corresponding WO2011 / 000463 A2 reveal esterifications, EP 2,658,882 A1 corresponding WO2012 / 089297 A1 discloses polymerization reactions, EP 2,274,274 A1 corresponding WO2009 / 121487 A1 , EP 2,274,271 A1 corresponding WO2009 / 121488 A1 , EP 2,448,915 A1 corresponding WO2011 / 000462 A1 and EP 2,274,272 A1 corresponding WO2009 / 121485 A1 disclose amidation reactions, each carried out in microwave reactors. In these documents high conversions and the suitability for up-scaling are disclosed. The reactions take place in continuous processes under microwave irradiation in a reaction tube whose longitudinal axis is in the direction of propagation of the microwaves of a single-mode microwave applicator. EP 2,274,272 A1 teaches that the amidation reaction takes place by irradiating the reactants with microwaves in a reaction tube which is located in a waveguide. Microwave apparatuses particularly preferred for this method are composed of a cavity resonator, a coupling device for coupling a microwave field into the cavity resonator and each with an opening on two opposite end walls for guiding the reaction tube through the resonator. The microwaves are preferably coupled into the cavity resonator via a coupling pin which protrudes into the cavity resonator. The coupling pin is preferably shaped as a preferably metallic inner conductor tube that functions as a coupling antenna. In a particularly preferred embodiment, this coupling pin protrudes through one of the end openings into the cavity resonator.

Besonders bevorzugt schließt sich das Reaktionsrohr an das Innenleiterrohr des koaxialen Übergangs an und speziell wird es durch dessen Hohlraum hindurch in den Hohlraumresonator geführt. Bevorzugt fluchtet das Reaktionsrohr axial mit einer zentralen Symmetrieachse des Hohlraumresonators, wozu der Hohlraum-resonator bevorzugt je eine zentrische Öffnung an zwei gegenüber liegenden Stirnwänden zum Hindurchführen des Reaktionsrohres aufweist. Die Einspeisung der Mikrowellen in den Koppelstift bzw. in das als Koppelantenne fungierende Innenleitrohr kann beispielsweise mittels einer koaxialen Anschlussleitung erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Mikrowellenfeld über einen Hohlleiter dem Resonator zugeführt, wobei das aus dem Hohlraumresonator herausragende Ende des Koppelstifts in eine Öffnung, die sich in der Wand des Hohlleiters befindet, in den Hohlleiter hineingeführt ist und von dem Hohlleiter Mikrowellenenergie entnimmt und in den Resonator koppelt.The reaction tube particularly preferably adjoins the inner conductor tube of the coaxial transition and, in particular, it is guided through its cavity into the cavity resonator. The reaction tube is preferably aligned axially with a central axis of symmetry of the cavity resonator, for which purpose the cavity resonator preferably has a central opening on two opposite end walls for passing the reaction tube through. The microwaves can be fed into the coupling pin or into the inner guide tube functioning as a coupling antenna, for example, by means of a coaxial connection line. In a preferred embodiment, the microwave field is fed to the resonator via a waveguide, the end of the coupling pin protruding from the cavity resonator into an opening in the wall of the waveguide in the waveguide is introduced and removes microwave energy from the waveguide and couples it into the resonator.

EP 1,839,741 B1 beschreibt eine Mikrowellenanlage für kontinuierliche chemische Reaktionen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß von der TE10-Mode-Mikrowelle in einem ersten rechteckigen Wellenleiter die Übertragung der TM01 Mode Mikrowelle in einen kreisförmigen Wellenleiter erfolgt und von der TM01-Mode-Mikrowelle in dem kreisförmigen Wellenleiter neu umgewandelte TE10-Mode-Mikrowelle für den Verbrauch übertragen wird. Der Aufbau der Mikrowellenanlage entspricht im Wesentlichen dem in EP 2,274,272 A1 beschriebenen Prinzip der Mikrowellenanlage, so wie sie für die dort beschriebene Amidierung genutzt wird. EP 1,839,741 B1 describes a microwave system for continuous chemical reactions, which is characterized in that the TM01 mode microwave is transmitted from the TE10 mode microwave in a first rectangular waveguide into a circular waveguide and from the TM01 mode microwave in the circular waveguide again converted TE10 mode microwave is transmitted for consumption. The structure of the microwave system essentially corresponds to that in EP 2,274,272 A1 described principle of the microwave system, as it is used for the amidation described there.

EP 2,448,663 A1 beschreibt eine Mono-mode Mikrowellenanlage für chemische Reaktionen im kontinuierlichen Verfahren, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sich direkt an die Mikrowellenkavität eine isotherme Verweilzone anschließt, die temperiert wird. Das Reaktionsgut ist damit über einen längeren Zeitraum höheren Temperaturen ausgesetzt, die sich negativ auf die Produktqualität auswirken können. EP 2,448,663 A1 describes a mono-mode microwave system for chemical reactions in a continuous process, which is characterized in that an isothermal dwell zone, which is temperature-controlled, directly adjoins the microwave cavity. The reaction mixture is therefore exposed to higher temperatures over a longer period of time, which can have a negative effect on the product quality.

Es wurde daher ein Verfahren für chemische Reaktionen und sonstige Prozesse gesucht, die möglichst hohe bis zu quantitative Umsätze mit hohem energetischem Wirkungsgrad im industriellen Maßstab ermöglichen. Zudem soll das Verfahren eine sichere und reproduzierbare Prozessführung gewährleisten.A method for chemical reactions and other processes was therefore sought which would enable the highest possible up to quantitative conversions with high energy efficiency on an industrial scale. In addition, the method should ensure safe and reproducible process management.

Darüber hinaus wurde nach einer Mikrowellenanlage gesucht, welche die Durchführung solcher Verfahren für chemische Reaktionen und sonstige Prozesse ermöglicht.In addition, a search was made for a microwave system that enables such methods for chemical reactions and other processes to be carried out.

Es wurde überraschend gefunden, daß chemische Reaktionen und sonstige Prozesse vorteilhaft im kontinuierlichen Verfahren in einer Mono-Mode-Mikrowellenanlage durchgeführt werden können, wobei das Reaktionsmedium oder das Prozessmedium in einer Kavität parallel zur Ausbreitungsrichtung einer stehenden elektromagnetischen Welle im TE10 Mode (transverse electric mode) oder senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer stehenden elektromagnetischen Welle im TE10 Mode durch einen rechteckigen Hohlleiter transportiert wird, wobei sich im rechteckigen Hohlleiter stehende Wellen ausgebildet haben und die Länge des Hohlleiters zwischen einer halben Wellenlänge und bis zu sechs Wellenlängen der stehenden Welle beträgt. Typischerweise weist der Querschnitt des Hohlleiters in der Breite eine halbe Wellenlänge und in der Höhe ein Viertel der Wellenlänge der stehenden elektromagnetischen Welle auf, so dass diese einen TE10 Mode ausbildet.It was surprisingly found that chemical reactions and other processes can advantageously be carried out in a continuous process in a mono-mode microwave system, with the reaction medium or the process medium in a cavity parallel to the direction of propagation of a standing electromagnetic wave in TE10 mode (transverse electric mode). or is transported perpendicular to the direction of propagation of a standing electromagnetic wave in TE10 mode through a rectangular waveguide, standing waves have formed in the rectangular waveguide and the length of the waveguide is between half a wavelength and up to six wavelengths of the standing wave. Typically, the cross section of the waveguide has half a wavelength in width and a quarter of the wavelength of the standing electromagnetic wave in height, so that it forms a TE10 mode.

Es wurde gefunden, dass eine Erhöhung der Anzahl der stehenden Wellen im Hohlleiter über den Wert 6 hinaus nicht zur Erhöhung der Umsatzrate führt bzw. keine Effizienzverbesserung beim Erhitzungsprozess mehr bewirkt. Die Energieeffizienz sinkt durch Eintragung von Energie, die nicht für die chemischen Reaktionen und sonstigen Prozesse verbraucht werden. Bereits durch einmaliges Durchleiten des zu erhitzenden Mediums durch die Kavität führt zu außerordentlich hohen Ausbeuten.It was found that an increase in the number of standing waves in the waveguide was above the value 6th in addition, does not lead to an increase in the conversion rate or no longer brings about an improvement in efficiency in the heating process. Energy efficiency is reduced by the input of energy that is not used for chemical reactions and other processes. Even just passing the medium to be heated through the cavity once leads to extremely high yields.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Produkte von außerordentlicher Qualität und Reinheit hergestellt werden und auch Biomaterialien und Wirkstoffe aus Biomasse ohne Zersetzung oder Umlagerungen der Wirkstoffe isoliert werden.With the method according to the invention, products of extraordinary quality and purity can be produced and biomaterials and active ingredients can also be isolated from biomass without decomposition or rearrangement of the active ingredients.

Durch Variation von Reaktionsrohrquerschnitt und -länge in dem das Reaktions- oder Prozessmedium der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist, Fließgeschwindigkeit, Geometrie des Hohlleiters bzw. Hohlraumresonators, der eingestrahlten Mikrowellenleistung sowie der dabei erreichten Temperatur können die Reaktions- oder Prozessbedingungen so eingestellt werden, dass die gewünschte Reaktions- oder Prozesstemperatur schnellstmöglich erreicht wird und die Verweilzeit bei Maximaltemperatur so kurz bleibt, dass so wenig Neben- oder Folgereaktionen wie möglich auftreten. Die Regelung der für die einzelnen chemischen Reaktionen bzw. sonstigen Prozesse gewünschten Reaktionsbedingungen erfolgt bevorzugt durch Steuerung der Temperatur des Reaktionsgemischs bzw. des im sonstigen Prozess zu behandelndem Gemisch über die eingestrahlte Mikrowellenleistung. Mittels Kurzschlussschieber kann die Verteilung der Energiedichte der elektromagnetischen Welle gesteuert werden.By varying the reaction tube cross-section and length in which the reaction or process medium is exposed to microwave radiation, the flow velocity, the geometry of the waveguide or cavity resonator, the radiated microwave power and the temperature reached, the reaction or process conditions can be set so that the desired reaction - or process temperature is reached as quickly as possible and the residence time at the maximum temperature remains so short that as few secondary or secondary reactions as possible occur. The regulation of the reaction conditions desired for the individual chemical reactions or other processes is preferably carried out by controlling the temperature of the reaction mixture or of the mixture to be treated in the other process via the radiated microwave power. The distribution of the energy density of the electromagnetic wave can be controlled by means of a short-circuit slide.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zum Erhitzen eines Mediums in einer Kavität, durchgeführt in einer Mono-Mode-Mikrowellenanlage mit den Schritten:

a) in einem Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt wird eine stehende elektromagnetische Welle im TE10 Mode ausgebildet, wobei die Länge des Hohlleiters eine halbe bis sechs Wellenlängen der stehenden elektromagnetischen Welle beträgt,
b) das Medium enthält mindestens 1 Gewichts-prozent eines polaren oder polarisierbaren Bestandteiles, bezogen auf das Gesamtgewicht des Mediums,
c) das Medium bewegt sich durch mindestens eine Kavität, die das Innere des Hohlleiters ganz oder teilweise durchläuft, so dass das Medium sich in Ausbreitungsrichtung der stehenden elektromagnetischen Welle bewegt, oder das Medium durchläuft mindestens eine Kavität, die senkrecht zur Längsachse des Hohlleiters durch den Hohlleiter verläuft, so dass das Medium sich senkrecht zur Ausbreitungs-richtung der stehenden elektromagnetischen Welle bewegt, wobei die senkrecht durch den Hohlleiter verlaufende Kavität so angeordnet ist, dass ein Maximum des elektrischen Feldes der stehenden Welle in der Kavität auftritt,
d) das Medium wird innerhalb von 0,1 Sekunden bis 10 Minuten durch den der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzten Teil der Kavität hindurchgeführt,
e) das Medium absorbiert 10% bis 99% der eingespeisten Mikrowellenenergie,
f) das Medium erreicht in der Kavität eine Temperatur von 30 °C bis 300°C, und
g) das Medium ist gegebenenfalls einem Druck von 0,1 bar bis 30 bar in der Kavität ausgesetzt.

The present invention relates to a continuous method for heating a medium in a cavity, carried out in a mono-mode microwave system with the following steps:

a) a standing electromagnetic wave in TE10 mode is formed in a waveguide with a rectangular cross-section, the length of the waveguide being half to six wavelengths of the standing electromagnetic wave,
b) the medium contains at least 1 percent by weight of a polar or polarizable component, based on the total weight of the medium,
c) the medium moves through at least one cavity that completely or partially passes through the interior of the waveguide, so that the medium moves in the direction of propagation of the standing electromagnetic wave, or the medium passes through at least one cavity that is perpendicular to the longitudinal axis of the waveguide the waveguide runs so that the medium moves perpendicular to the direction of propagation of the standing electromagnetic wave, the cavity running perpendicularly through the waveguide being arranged in such a way that a maximum of the electric field of the standing wave occurs in the cavity,
d) the medium is passed through the part of the cavity exposed to the electromagnetic radiation within 0.1 seconds to 10 minutes,
e) the medium absorbs 10% to 99% of the microwave energy fed in,
f) the medium reaches a temperature of 30 ° C to 300 ° C in the cavity, and
g) the medium is optionally exposed to a pressure of 0.1 bar to 30 bar in the cavity.

Vorzugsweise hat der Querschnitt des Hohlleiters eine Breite der halben Wellenlänge und eine Höhe eines Viertels der Wellenlänge der jeweils im Verfahren eingesetzten elektromagnetischen Welle. Das stellt sicher, dass sich im Hohleiter eine stehende elektromagnetische Welle im TE10 Mode ausbildet.The cross section of the waveguide preferably has a width of half the wavelength and a height of a quarter of the wavelength of the electromagnetic wave used in each case in the method. This ensures that a standing electromagnetic wave in TE10 mode is formed in the hollow conductor.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Einsatz einer speziellen Mikrowellenanlage gekennzeichnet. Diese weist ein Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt auf. In diesen Hohlleiter wird Mikrowellenstrahlung eingespeist, welche in einem Generator für Mikrowellen, beispielsweise einem Magnetron oder einer Mikrowellendiode erzeugt worden ist. Die Mikrowellenstrahlung wird so abgestimmt, dass sich im Hohlleiter eine stehende elektromagnetische Welle ausbildet. Der Hohleiter ist darüber hinaus so dimensioniert, dass sich im Innern des Hohlleiters eine Mikrowellenstrahlung im TE10 Mode ausbildet. Zu diesem Zweck weist der Querschnitt des Hohlleiters vorzugsweise die Breite der halben Wellenlänge und die Höhe eines Viertels der Wellenlänge der eingesetzten Mikrowellenstrahlung auf. Etwas geringere oder größere Breiten und/oder Höhen sind ebenfalls möglich.The method according to the invention is characterized by the use of a special microwave system. This has a waveguide with a rectangular cross section. Microwave radiation, which has been generated in a generator for microwaves, for example a magnetron or a microwave diode, is fed into this waveguide. The microwave radiation is tuned in such a way that a standing electromagnetic wave is formed in the waveguide. The waveguide is also dimensioned in such a way that microwave radiation in the TE10 mode is formed inside the waveguide. For this purpose, the cross section of the waveguide preferably has the width of half the wavelength and the height of a quarter of the wavelength of the microwave radiation used. Slightly smaller or larger widths and / or heights are also possible.

Wie dem Fachmann bekannt ist, treten in elektromagnetischen Wellenleitern TE- und TM-Moden auf. Dabei steht TE für transversale elektrische Mode und TM steht für transversale magnetische Mode. Die TE- und TM-Moden treten in Wellenleitern, die aus elektrischem Leitermaterial bestehen, getrennt voneinander auf.As is known to those skilled in the art, TE and TM modes occur in electromagnetic waveguides. TE stands for transverse electrical mode and TM stands for transverse magnetic mode. The TE and TM modes occur separately from one another in waveguides made of electrical conductor material.

Der Begriff TE steht für transversalen elektrischen Modus. Dabei ist das elektrische Feld der Mikrowellenstrahlung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung durch den Hohlleiter und in Richtung der Breite des rechteckigen Querschnitts ausgerichtet. Im TE10-Modus beträgt die Breite des rechteckigen Querschnitts des Hohlleiters etwa eine halbe Wellenlänge der im Hohlleiter vorhandenen Mikrowellenstrahlung.The term TE stands for transverse electrical mode. The electric field of the microwave radiation is aligned perpendicular to the direction of propagation through the waveguide and in the direction of the width of the rectangular cross section. In the TE10 mode, the width of the rectangular cross section of the waveguide is approximately half a wavelength of the microwave radiation present in the waveguide.

Als Mikrowellenstrahlung lassen sich im erfindungsgemäßen Verfahren grundsätzlich elektromagnetische Strahlungen im Zentimeter- bis Dezimeterbereich einsetzen. Für die industrielle Nutzung sind aktuell drei Frequenzen für die Mikrowellenstahlung zugelassen. Die Wellenlänge der vorzugsweise im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Mikrowellenstrahlung beträgt daher ca. 5,17 cm (entsprechend 5,8 GHz), 12,2 cm (entsprechend 2,45 GHz) oder ca. 32,7cm (entsprechend 915 MHz).In principle, electromagnetic radiations in the centimeter to decimeter range can be used as microwave radiation in the method according to the invention. For industrial use, three frequencies are currently approved for microwave radiation. The wavelength of the microwave radiation preferably used in the method according to the invention is therefore approx. 5.17 cm (corresponding to 5.8 GHz), 12.2 cm (corresponding to 2.45 GHz) or approx. 32.7 cm (corresponding to 915 MHz).

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu erhitzende Medium durch mindestens eine Kavität geleitet, welche der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wird. Dazu muss das Material der Kavität aus Material bestehen, das möglichst transparent für Mikrowellen ist und dass temperaturbeständig ist. Beispiele für gängige Materialien sind Glas, Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid. Die Kavität kann beliebige Ausgestaltungen haben, solange diese den Transport des fluiden, pastösen oder festen Mediums durch die Mikrowellenstrahlung im Hohlleiter ermöglichen. Möglich sind beispielsweise runde, ellipsoide, quadratische oder rechteckige Querschnitte der Kavität.In the method according to the invention, the medium to be heated is passed through at least one cavity which is exposed to the microwave radiation. For this purpose, the material of the cavity must consist of material that is as transparent as possible to microwaves and that is temperature-resistant. Examples of common materials are glass, aluminum oxide or silicon nitride. The cavity can have any configuration as long as it enables the fluid, pasty or solid medium to be transported through the microwave radiation in the waveguide. For example, round, ellipsoidal, square or rectangular cross-sections of the cavity are possible.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Kavität durch den gesamten Hohlleiter verlaufen oder auch nur durch einen Teil des Hohlleiters. An den Enden der Kavität sind Zu- und Ableitungen für das Medium vorgesehen. Diese Ableitungen können außerhalb des Hohlleiters an der Kavität angebracht sein oder auch innerhalb des Hohleiters dessen Seitenwände durchqueren, wenn beispielsweise die Kavität nur einen Teil des Hohlleiters durchläuft. Durch den Hohlleiter können ein oder mehrere Kavitäten verlaufen, vorzugsweise eine Kavität. Die Längsachse der Kavität verläuft bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens parallel zur Längsachse des Hohlleiters. Bevorzugt wird nur eine Kavität verwendet, deren Längsachse wiederum bevorzugt mit der Längsachse des Hohleiters zusammenfällt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Kavität um ein Rohr, vorzugsweise mit rundem Querschnitt. Das Medium wird durch die Kavität bewegt. Im Falle von Flüssigkeiten kann diese Bewegung mittels Druckes erfolgen, wodurch die Flüssigkeit in der vorgesehenen Weise durch die Kavität strömt. Im Falle von partikulären Feststoffen kann diese Bewegung mittels einer Verwirbelung in einem Inertgas oder mittels einer Transportvorrichtung erfolgen, welche die partikulären Feststoffe in der vorgesehenen Weise durch die Kavität bewegen.In one embodiment of the method according to the invention, the cavity can run through the entire waveguide or only through part of the waveguide. Inlet and outlet lines for the medium are provided at the ends of the cavity. These discharges can be attached to the cavity outside the waveguide or also pass through its side walls inside the waveguide if, for example, the cavity only passes through part of the waveguide. One or more cavities, preferably one cavity, can run through the waveguide. In this embodiment of the method, the longitudinal axis of the cavity runs parallel to the longitudinal axis of the waveguide. Preferably only one cavity is used, the longitudinal axis of which in turn preferably coincides with the longitudinal axis of the hollow conductor. The cavity is particularly preferably a tube, preferably with a round cross section. The medium is moved through the cavity. In the case of liquids, this movement can take place by means of pressure, as a result of which the liquid flows through the cavity in the intended manner. In the case of particulate solids, this movement can take place by means of swirling in an inert gas or by means of a transport device which moves the particulate solids through the cavity in the intended manner.

In einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Kavität quer zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen im Hohlleiter senkrecht durch den Hohlleiter verlaufen. An den Enden der Kavität sind Zu- und Ableitungen für das Medium vorgesehen. Diese Ableitungen sind in der Regel außerhalb des Hohlleiters an der Kavität angebracht. Auch bei dieser Ausführungsform können durch den Hohlleiter ein oder mehrere Kavitäten verlaufen, vorzugsweise eine Kavität. Die Längsachse der Kavität verläuft bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens senkrecht zur Längsachse des Hohlleiters. Bevorzugt wird nur eine Kavität verwendet, deren Längsachse wiederum bevorzugt die Längsachse des Hohlleiters schneidet. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Kavität um ein Rohr, vorzugsweise mit rundem Querschnitt. Das Medium wird wie oben beschrieben durch die Kavität bewegt.In a second embodiment of the method according to the invention, the cavity can be transverse to the direction of propagation of the electromagnetic Waves in the waveguide run vertically through the waveguide. Inlet and outlet lines for the medium are provided at the ends of the cavity. These leads are usually attached to the cavity outside the waveguide. In this embodiment too, one or more cavities, preferably one cavity, can run through the waveguide. In this embodiment of the method, the longitudinal axis of the cavity runs perpendicular to the longitudinal axis of the waveguide. Preferably only one cavity is used, the longitudinal axis of which in turn preferably intersects the longitudinal axis of the waveguide. The cavity is particularly preferably a tube, preferably with a round cross section. The medium is moved through the cavity as described above.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann wie oben dargelegt in zwei Varianten durchgeführt werden, welche durch den Verlauf der Kavität in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung der Mikrowellenstrahlung gekennzeichnet sind.As set out above, the method according to the invention can be carried out in two variants, which are characterized by the course of the cavity in relation to the direction of propagation of the microwave radiation.

In der einen Variante befindet sich die Kavität innerhalb des Hohlleiters, so dass das Medium sich in Ausbreitungsrichtung der stehenden Mikrowelle bewegt. Die Länge des Teils der Kavität, welcher der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist, beträgt in diesem Falle zwischen ein halben und sechs Wellenlängen der stehenden Welle im Hohleiter.In one variant, the cavity is located within the waveguide, so that the medium moves in the direction of propagation of the standing microwave. The length of the part of the cavity which is exposed to the microwave radiation is in this case between half and six wavelengths of the standing wave in the hollow conductor.

In der anderen Variante verläuft die Kavität senkrecht zum Hohlleiter und durchquert diesen, so dass das Medium sich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der stehenden Mikrowelle bewegt. Der Teil der Kavität, welcher der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist, ist in diesem Falle so angeordnet, dass ein Maximum des elektrischen Feldes der stehenden Welle in der Kavität auftritt.In the other variant, the cavity runs perpendicular to the waveguide and traverses it, so that the medium moves perpendicular to the direction of propagation of the standing microwave. The part of the cavity which is exposed to the microwave radiation is arranged in this case in such a way that a maximum of the electric field of the standing wave occurs in the cavity.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass beliebige, polare oder polarisierbare Stoffe enthaltende Medien äußerst effektiv und gleichzeitig schonend erhitzt werden können.The method according to the invention is characterized in that any media containing polar or polarizable substances can be heated extremely effectively and at the same time gently.

Als Medien eignen sich grundsätzlich fluide, pastöse oder feste Medien, welche durch die Kavität bewegt werden können. Bevorzugte Beispiele für fluide Medien sind Flüssigkeiten, wie Lösungen oder Dispersionen. Beispiele für feste Medien sind stückige Feststoffe, wie Pulver oder Granulate. Bevorzugte Beispiele für fluide Medien sind Flüssigkeiten oder Gemische von Flüssigkeiten oder Lösungen von festen oder flüssigen Verbindungen in Lösungsmitteln. Beispiele für pastöse Medien sind streichfeste Suspensionen von Feststoffen in einer Flüssigkeit.In principle, fluid, pasty or solid media that can be moved through the cavity are suitable as media. Preferred examples of fluid media are liquids, such as solutions or dispersions. Examples of solid media are lumpy solids, such as powder or granules. Preferred examples of fluid media are liquids or mixtures of liquids or solutions of solid or liquid compounds in solvents. Examples of pasty media are spreadable suspensions of solids in a liquid.

Die stückigen Feststoffe können in beliebiger Größe vorliegen. Insbesondere handelt es sich dabei um Nanomaterialien. Darunter sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung Materialien zu verstehen, deren mittels Laserdiffratometer bestimmter Mittelwert D₅₀ der Teilchengröße weniger als 1 µm beträgt, vorzugsweise 50 nm bis 500 nm. Bei dem D₅₀-Wert handelt es sich um den numerischen Durchmesser in einer Teilchenpopulation, bei den 50% der Teilchen einen kleineren bzw. einen größeren Durchmesser als angegeben besitzen.The lumpy solids can be of any size. In particular, these are nanomaterials. In the context of the present description, this is to be understood as meaning materials whose mean _{particle size D 50,} determined by means of a laser diffratometer, is less than 1 μm, preferably 50 nm to 500 nm. The D ₅₀ value is the numerical diameter in a particle population, 50% of the particles have a smaller or larger diameter than specified.

Besonders bevorzugt handelt es sich bei den erfindungsgemäß eingesetzten oder erzeugten Nanomaterialien um natürlich vorkommendes gegebenenfalls bearbeitetes oder um ein synthetisch hergestelltes Material, das Teilchen enthält, die einzeln oder als Aggregat oder als Agglomerat vorliegen, wobei 50 % oder mehr der Teilchen in der Größenverteilung eine Teilchengröße im Größenbereich 1 nm - 100 nm aufweisen.The nanomaterials used or produced according to the invention are particularly preferably naturally occurring, optionally processed or synthetically produced material that contains particles that are present individually or as an aggregate or as an agglomerate, with 50% or more of the particles in the size distribution having one particle size in the size range 1 nm - 100 nm.

Unter fest ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung ist ein nicht verformbarer Feststoff zu verstehen, der bei 25°C und 1013 mbar im festen Aggregatzustand vorliegt.In the context of the present description, solid is understood to mean a non-deformable solid which is in the solid state of aggregation at 25 ° C. and 1013 mbar.

Unter flüssig ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine Flüssigkeit zu verstehen, die bei 25°C und 1013 mbar im flüssigen Aggregatzustand vorliegt.In the context of the present description, liquid is to be understood as meaning a liquid which is in the liquid state of aggregation at 25 ° C. and 1013 mbar.

Unter pastös ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine verformbare Zusammensetzung zu verstehen, welche die Konsistenz einer Paste aufweist. Unter einer Paste ist ein Feststoff-Flüssigkeitsgemisch, z.B. eine Suspension, mit einem hohen Gehalt an Festkörpern zu verstehen. Pasten sind nicht mehr fließfähig, sondern streichfest.In the context of the present description, pasty is to be understood as meaning a deformable composition which has the consistency of a paste. A paste is to be understood as a solid-liquid mixture, e.g. a suspension, with a high solid content. Pastes are no longer flowable, but rather spreadable.

Das Medium kann chemisch reaktive Verbindungen enthalten, so dass durch das erfindungsgemäße Verfahren chemische Reaktionen bewirkt werden. Das Medium kann aber auch chemisch inerte Stoffe oder Stoffgemische enthalten, so dass durch das erfindungsgemäße Verfahren physikalische Prozesse, wie Trennverfahren, bewirkt werden.The medium can contain chemically reactive compounds, so that chemical reactions are brought about by the method according to the invention. However, the medium can also contain chemically inert substances or mixtures of substances, so that physical processes, such as separation processes, are brought about by the method according to the invention.

Chemische Reaktionen und sonstige physikalische Prozesse können mit äußerst effizienten Raum-Zeit-Ausbeuten bei hervorragender Produktqualität, hoher Selektivität und hoher Energieeffizienz durchgeführt werden. Durch exakt definierten Energieeintrag werden Überhitzungen vermieden.Chemical reactions and other physical processes can be carried out with extremely efficient space-time yields with excellent product quality, high selectivity and high energy efficiency. Exactly defined energy input prevents overheating.

Unter chemischen Reaktionen sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung solche Prozesse zu verstehen, bei denen im erfindungsgemäßen Verfahren mindestens eine im Medium vorhandene Substanz eine chemische Umsetzung erfährt. Dabei kann es sich um beliebige Umsetzungen mit beliebigen anorganischen und/oder organischen Verbindungen handeln, solange diese durch das Erhitzen in der erfindungsgemäß eingesetzten Mikrowellenanlage ausgelöst oder gefördert werden. Beispiele für chemische Umsetzungen sind aus der anorganischen und organischen Chemie bekannte Reaktionstypen, wie Umlagerungen, Salzbildungen, Komplexbildungen, Veresterungen, Veretherungen, Amidierungen, Oxidationen, Hydrierungen, Additionen oder Eliminierungen. Neben kleinen Molekülen können auch Oligomere oder Polymere erzeugt werden.In the context of the present description, chemical reactions are to be understood as those processes in which at least one substance present in the medium undergoes a chemical conversion in the method according to the invention. These can be any reactions with any inorganic and / or organic compounds, as long as they are caused by the heating be triggered or promoted in the microwave system used according to the invention. Examples of chemical reactions are reaction types known from inorganic and organic chemistry, such as rearrangements, salt formations, complex formations, esterifications, etherifications, amidations, oxidations, hydrogenations, additions or eliminations. In addition to small molecules, oligomers or polymers can also be produced.

Unter sonstigen physikalischen Prozessen sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung solche Prozesse zu verstehen, bei denen im erfindungsgemäßen Verfahren mindestens eine im Medium vorhandene Substanz eine physikalische Veränderung erfährt, ohne dass dabei zwingend eine chemische Umsetzung dieser Substanz erfolgt. Dabei kann es sich um beliebige physikalische Veränderungen handeln, solange diese durch das Erhitzen in der erfindungsgemäß eingesetzten Mikrowellenanlage ausgelöst oder gefördert werden. Beispiele für sonstige physikalische Prozesse sind Trennverfahren oder Reinigungsverfahren, wie Destillation, Extraktion, Eindampfen, Sintern oder Umkristallisieren.In the context of the present description, other physical processes are to be understood as those processes in which, in the method according to the invention, at least one substance present in the medium undergoes a physical change without a chemical conversion of this substance necessarily taking place. This can be any physical changes as long as they are triggered or promoted by the heating in the microwave system used according to the invention. Examples of other physical processes are separation processes or purification processes, such as distillation, extraction, evaporation, sintering or recrystallization.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können unter anderem natürlich vorkommende Wirkstoffe, beispielsweise Polyphenole aus biobasierten Rohstoffen gewonnen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht Umsätze vom Labormaßstab bis zum Großproduktionsmaßstab, beispielsweise von mehreren Tonnen pro Jahr.With the method according to the invention, among other things, naturally occurring active ingredients, for example polyphenols, can be obtained from bio-based raw materials. The method according to the invention enables sales from the laboratory scale to the large-scale production scale, for example of several tons per year.

Das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Medium enthält mindestens einen polaren oder polarisierbaren Bestandteil. Darunter sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung Verbindungen zu verstehen, die ein elektrisches Dipolmoment aufweisen oder bei denen unter Einwirkung von Mikrowellenstrahlung ein elektrisches Dipolmoment induziert wird. Polare oder polarisierbare Verbindungen sind erforderlich, damit Mikrowellenstrahlung von der Verbindung absorbiert werden kann und dadurch ein Erhitzen bewirkt wird.The medium used in the process according to the invention contains at least one polar or polarizable component. In the context of the present description, this is to be understood as meaning compounds which have an electrical dipole moment or in which an electrical dipole moment is induced under the action of microwave radiation. Polar or polarizable compounds are required so that microwave radiation can be absorbed by the compound and thereby cause heating.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der polare oder polarisierbare Bestandteil ausgewählt aus Wasser, frei oder gebunden, Alkoholen, Säuren und deren Salzen, Laugen oder deren Salzen, Ketonen, Aldehyden, Amiden, Estern, organischen und anorganischen salzartigen Verbindungen oder Mischungen dieser Bestandteile.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the polar or polarizable constituent is selected from water, free or bound, alcohols, acids and their salts, alkalis or their salts, ketones, aldehydes, amides, esters, organic and inorganic salt-like compounds or mixtures of these constituents .

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der polare oder polarisierbare Bestandteil ausgewählt aus Wasser, frei oder gebunden, Methanol, Ethanol, n-Propanol, iso-Propanol, n-Butanol, isoButanol, n-Pentanol, iso-Pentanol, Ethylglycol, Propylenglycol, Methylethylenglycol, Glycolether und ionische Flüssigkeiten, sowie Mischungen aus diesen Bestandteilen. Der polare oder polarisierbare Bestandteil kann ebenso ein Reaktionspartner der chemischen Reaktion sein, beispielsweise eine Carbonsäure, insbesondere eine Fettsäure.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the polar or polarizable component is selected from water, free or bound, methanol, ethanol, n-propanol, iso-propanol, n-butanol, iso-butanol, n-pentanol, iso-pentanol, ethyl glycol, Propylene glycol, methylethylene glycol, glycol ethers and ionic liquids, as well as mixtures of these components. The polar or polarizable component can also be a reactant in the chemical reaction, for example a carboxylic acid, in particular a fatty acid.

In einer außerordentlich bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der polare odere polarisierbare Bestandteil ausgewählt aus Wasser, frei oder gebunden und/oder Methanol und/oder Ethanol.In an extremely preferred embodiment of the method according to the invention, the polar or polarizable component is selected from water, free or bound and / or methanol and / or ethanol.

Vorteilhaft ist die sichere Verwendung von Wasser und Ethanol, sowohl unter ökologischen als auch unter gesundheitsrelevanten Aspekten.The safe use of water and ethanol is advantageous, both under ecological and health-related aspects.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Medium 2 Gew.-% bis 100 Gew.-% eines oder mehrerer polarer oder polarisierbarer Bestandteile, bezogen auf die Gesamtmenge des Mediums.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the medium contains 2% by weight to 100% by weight of one or more polar or polarizable constituents, based on the total amount of the medium.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein polarer oder polarisierbarer Bestandteil oder sind mehrere polare oder polarisierbare Bestandteile des Mediums zugleich Reaktionspartner, wobei der oder die polaren oder polarisierbaren Bestandteile vorzugsweise in Mengen von 5 Gew.-% bis 100 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Mediums vorliegen können.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, a polar or polarizable component or several polar or polarizable components of the medium are at the same time reactants, the polar or polarizable component (s) preferably in amounts of 5% by weight to 100% by weight, based on the total amount of the medium can be present.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die Möglichkeit einer Reduzierung oder Vermeidung von Lösungsmitteln, Extraktionsmitteln und einer Reduzierung von Abfallströmen aus.The process according to the invention is distinguished by the possibility of reducing or avoiding solvents, extractants and a reduction in waste streams.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Medium 1 bis 90 Gew.-%, insbesondere 2 bis 70 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 5 bis 50 Gew.-% eines oder mehrerer polarer oder polarisierbarer Bestandteile, bezogen auf die Gesamtmenge des Mediums.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the medium contains 1 to 90% by weight, in particular 2 to 70% by weight and very particularly preferably 5 to 50% by weight, of one or more polar or polarizable components, based on the total amount of the medium.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Medium innerhalb von 1 Sekunden bis 5 Minuten, insbesondere innerhalb von 2 Sekunden bis 3 Minuten durch den der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzten Teil der Kavität hindurchgeführt.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the medium is passed through the part of the cavity exposed to the electromagnetic radiation within 1 seconds to 5 minutes, in particular within 2 seconds to 3 minutes.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen insbesondere in einer sehr schnellen und trotzdem gezielten Erhitzung des Mediums mittels Mikrowellen auf die angestrebte Reaktions- oder Prozesstemperatur, ohne dass es zu wesentlichen Überschreitungen der durchschnittlichen Temperatur des Mediums zum Beispiel an der Gefäßwand kommt.The advantages of the method according to the invention lie in particular in a very fast and nevertheless targeted heating of the medium by means of microwaves to the desired reaction or process temperature without the average temperature of the medium being significantly exceeded, for example on the vessel wall.

Dabei wird nahezu keine Bildung thermischer Zersetzungsprodukte beobachtet.Almost no formation of thermal decomposition products is observed.

In einer außerordentlich bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Medium innerhalb von 2 Sekunden bis 3 Minuten durch die Kavität hindurchgeführt.In an extremely preferred embodiment of the method according to the invention, the medium is passed through the cavity within 2 seconds to 3 minutes.

Dadurch werden außerordentlich gute Produktqualitäten erzielt. Wirkstoffe aus biologisch basierten Rohstoffen oder anderen chemisch labilen Verbindungen können bis zu 99 % ohne Zersetzung und Umlagerungsreaktionen isoliert werden.As a result, extremely good product qualities are achieved. Active ingredients from biologically based raw materials or other chemically labile compounds can be isolated up to 99% without decomposition and rearrangement reactions.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens absorbiert das Medium 20 % bis 98 %, besonders bevorzugt 80 bis 98 % der eingespeisten Mikrowellenenergie. Damit wird eine sehr gute Energieeffizienz erreicht.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the medium absorbs 20% to 98%, particularly preferably 80 to 98%, of the microwave energy fed in. This achieves very good energy efficiency.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht das Medium in der Kavität eine Temperatur von 40°C bis 250°C, insbesondere von 50°C bis 220°C. Man erreicht außerordentlich hohe Umsetzungen und Ausbeuten chemischer Reaktionen.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the medium in the cavity reaches a temperature of 40.degree. C. to 250.degree. C., in particular from 50.degree. C. to 220.degree. Extremely high conversions and yields of chemical reactions are achieved.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht das Medium in der Kavität eine Temperatur von 80°C bis 140°C Zersetzungen werden so reduziert oder unterbunden und die Produktqualität verbessert.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the medium in the cavity reaches a temperature of 80 ° C. to 140 ° C. decompositions are reduced or prevented and the product quality is improved.

Im Reaktionsrohr können Edukt, Produkt, gegebenenfalls Nebenprodukt und, sofern anwesend, Lösemittel durch die Temperaturerhöhung zu einem Druckaufbau führen, der die chemische Reaktion bzw. den Prozess beschleunigt.In the reaction tube, educt, product, possibly by-product and, if present, solvent can lead to a pressure build-up due to the temperature increase, which accelerates the chemical reaction or the process.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für chemische Reaktionen und Prozesse wird das Medium in der Kavität einem Druck von 0,1 bar bis 30 bar, besonders bevorzugt von 0,2 bis 20 bar ausgesetzt.In a further preferred embodiment of the method according to the invention for chemical reactions and processes, the medium in the cavity is exposed to a pressure of 0.1 bar to 30 bar, particularly preferably 0.2 to 20 bar.

Durch die Druckeinstellung des Reaktions- oder Prozessmediums während der Mikrowellenbestrahlung kann das Verfahren so geführt werden, dass alle flüssigen Komponenten im flüssigen Zustand verbleiben und nicht sieden.By adjusting the pressure of the reaction or process medium during the microwave irradiation, the process can be carried out in such a way that all liquid components remain in the liquid state and do not boil.

Der Druck kann dabei über ein Entspannungsventil (Druckhaltevorrichtung) am Ende der Kavität so hoch eingestellt werden, dass das fluide Medium inklusive anfallender Produkte und Nebenprodukte nicht siedet. Bei Anwesenheit gasförmiger Reaktanden werden deren Konzentration und der Druck in der Kavität bevorzugt so eingestellt, dass die gasförmigen Reaktanden im Medium gelöst oder in verflüssigter Form vorliegen.The pressure can be set so high via an expansion valve (pressure holding device) at the end of the cavity that the fluid medium, including any products and by-products, does not boil. If gaseous reactants are present, their concentration and the pressure in the cavity are preferably set so that the gaseous reactants are dissolved in the medium or are in liquefied form.

Der Druck kann bei der Entspannung zur Verflüchtigung und Abtrennung von überschüssigem Edukt(en), Produkt, Nebenprodukt sowie gegebenenfalls Lösemittel und/oder zur Abkühlung des fluiden, pastösen oder festen Mediums genutzt werden.During the expansion, the pressure can be used to volatilize and separate excess starting material (s), product, by-product and, if appropriate, solvent and / or to cool the fluid, pasty or solid medium.

In einer außerordentlich bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Medium in der Kavität einem Druck von 0,5 bis 15 bar ausgesetzt.In an extremely preferred embodiment of the method according to the invention, the medium in the cavity is exposed to a pressure of 0.5 to 15 bar.

Es wird eine signifikante Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit und der Ausbeuten bei sehr sicherer Prozessführung erreicht.A significant increase in the reaction rate and the yields is achieved with a very reliable process management.

Im erfindungsgemäßen Verfahren können auch Schutzgase, beispielsweise inerte Gase, wie Stickstoff, Argon oder Helium oder gasförmige Edukte, beispielsweise Wasserstoff, Sauerstoff, Chlor, Fluor, Ethylenoxid, Propylenoxid, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Methylamin, Dimethylamin, Hydrazin und Chlorwasserstoff zum Einsatz kommen.Protective gases, for example inert gases such as nitrogen, argon or helium or gaseous starting materials, for example hydrogen, oxygen, chlorine, fluorine, ethylene oxide, propylene oxide, carbon monoxide, carbon dioxide, sulfur dioxide, hydrogen sulfide, ammonia, methylamine, dimethylamine, hydrazine and can also be used in the process according to the invention Hydrogen chloride can be used.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schließt sich nach der Kavität keine Verweilzone an, durch die das erhitzte Medium hindurchgeführt wird. Unter Verweilzone wird eine Zone verstanden, in der das Medium für einen bestimmten Zeitraum auf der Temperatur gehalten wird, die das Medium unmittelbar beim Verlassen der Kavität hat.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the cavity is not followed by a dwell zone through which the heated medium is passed. A dwell zone is understood to mean a zone in which the medium is kept for a certain period of time at the temperature that the medium has immediately when it leaves the cavity.

Das Medium wird vorzugsweise unmittelbar nach Verlassen der Kavität abgekühlt.The medium is preferably cooled immediately after leaving the cavity.

Vorteil der verwendeten Mikrowellentechnologie ist, dass dann keine weitere Energiezufuhr erfolgt und die in der Kavität entstandenen Konzentrationen der Produkte unmittelbar nach Verlassen der Kavität eingefroren werden und eine Veränderung der Produkte unterbleibt.The advantage of the microwave technology used is that there is then no further energy supply and the concentrations of the products created in the cavity are frozen immediately after leaving the cavity and the products are not changed.

Bei vielen chemischen Reaktionen, wie z.B. Veresterungen, Umesterungen, Amidierungen, wird die Gleichgewichtskonzentration der Produkte überschritten und es können somit höhere Ausbeuten als mit herkömmlichen Verfahren erzielt werden.In many chemical reactions, such as esterifications, transesterifications, amidations, the equilibrium concentration of the products is exceeded and thus higher yields than with conventional processes can be achieved.

Das erfindungsgemäße Verfahren für chemische Reaktionen ist für endotherme und exotherme Reaktionen geeignet, vorzugsweise für endotherme Reaktionen.The method according to the invention for chemical reactions is suitable for endothermic and exothermic reactions, preferably for endothermic reactions.

Die für die endotherme Reaktion benötigte Energie wird nahezu konstant und unabhängig der Wärmeleitung zugeführt. Es kommt so zu keiner lokalen Abkühlung.The energy required for the endothermic reaction is supplied almost constantly and independently of the heat conduction. This means that there is no local cooling.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer Mono-Mode-Mikrowellenanlage mit speziell konfigurierter Kavität durchgeführt. Die Erfindung betrifft auch eine solche Anlage gemäß den Ansprüchen 13 bis 15.The method according to the invention is carried out in a mono-mode microwave system with a specially configured cavity. The invention also relates to such a system according to claims 13 to 15.

Der Aufbau einer für das erfindungs-gemäße Verfahren geeigneten Mono-Mode-Mikrowellenanlage bzw. einer erfindungsgemäßen Mono-Mode-Mikrowellenanlage ist beispielhaft in den und wiedergegeben.The structure of a mono-mode microwave system suitable for the method according to the invention or a mono-mode microwave system according to the invention is shown by way of example in FIG and reproduced.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Medium in einer Kavität senkrecht zur Ausbreitungs-richtung einer im rechteckigen Hohlleiter ausgebildeten stehenden elektro-magnetischen Welle transportiert, wie das in dargestellt ist. Die stehende elektromagnetische Welle weist einen TE10 Mode (transverse electric mode) auf.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the medium is transported in a cavity perpendicular to the direction of propagation of a standing electromagnetic wave formed in the rectangular waveguide, as in FIG is shown. The standing electromagnetic wave has a TE10 mode (transverse electric mode).

Die in dargestellte Ausführungsform, der in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten Mikrowellenanlage bzw. einer Variante der erfindungsgemäßen Anlage besteht aus einem Magnetron (2) mit einem Hohlleiterausgang, bevorzugt WR340. Es schließt sich ein Tuningelement (3) an, das die Impedanz der Quelle zur Last anpasst. Es folgt ein Hohlleiter (1), durch den der Reaktor (7) (= Kavität) geführt wird. Der Reaktor (7) besteht aus einem für Mikrowellen transparenten Rohr, das mittig durch den Hohlleiter (1) geführt wird. Zur weiteren Impedanzanpassung ist am Ende des Hohlleiters (1) ein Kurzschlussschieber (4) vorgesehen.In the illustrated embodiment, the microwave system used in a variant of the method according to the invention or a variant of the system according to the invention consists of a magnetron ( 2 ) with a waveguide output, preferably WR340. A tuning element follows ( 3rd ) that matches the impedance of the source to the load. A waveguide follows ( 1 ) through which the reactor ( 7th ) (= Cavity) is performed. The reactor ( 7th ) consists of a tube that is transparent to microwaves and runs through the center of the waveguide ( 1 ) to be led. For further impedance matching, at the end of the waveguide ( 1 ) a short circuit slide ( 4th ) intended.

Vorteilhaft sind sehr kleine Reaktions- bzw. Prozessvolumina, einheitliche Energiedichten, schnelle Aufheizraten und hohe Prozesssicherheiten. Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete und in dargestellte Variante der Mikrowellenanlage ist damit hervorragend geeignet für Laborversuche, Screeningversuche und zur Herstellung kleiner Produktmengen.Very small reaction or process volumes, uniform energy densities, fast heating rates and high process reliability are advantageous. The one used in the method according to the invention and in The variant of the microwave system shown is therefore ideally suited for laboratory tests, screening tests and for the production of small quantities of products.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anlage wird das Medium in einer Kavität transportiert, die sich in einem rechteckigen Hohlleiter befindet und die parallel zur Ausbreitungsrichtung einer im rechteckigen Hohlleiter ausgebildeten stehenden elektromagnetischen Welle verläuft, wie das in dargestellt ist. Die stehende elektromagnetische Welle weist einen TE10 Mode (transverse electric mode) auf. Die durch den Bereich der Mikrowellenstrahlung geführte Kavität ist so dimensioniert, dass deren Länge in diesem Bereich eine halbe bis sechs Wellenlänge(n) der stehenden Welle beträgt.In a further preferred embodiment of the method according to the invention or the system according to the invention, the medium is transported in a cavity which is located in a rectangular waveguide and which runs parallel to the direction of propagation of a standing electromagnetic wave formed in the rectangular waveguide, as shown in FIG is shown. The standing electromagnetic wave has a TE10 mode (transverse electric mode). The cavity guided through the region of the microwave radiation is dimensioned in such a way that its length in this region is half a to six wavelength (s) of the standing wave.

Die in dargestellte Ausführungsform der in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten Mikrowellenanlage bzw. einer erfindungsgemäßen Anlage besteht aus einem Magnetron (2) mit einem Hohlleiterausgang, bevorzugt WR340. Daran schließt sich ein Tuningelement (5) an, das die Impedanz der Quelle zur Last anpasst. Die Anlage weist zwei gebogene Hohlleiter (3a, 3b) verbunden mit einem geraden Hohlleiterstück (1) auf. In den Hohlleiterbogen (3a) wird zentrisch z.B. ein für Mikrowellen transparentes Reaktorrohr, z.B. ein Glasrohr eingeführt, das zentrisch durch die Hohlleiter (1, 3a, 3b) verläuft und diese am anderen gebogenen Hohlleiter (3b) verlässt. In diesem Rohr findet die chemische Reaktion bzw. der sonstige Prozess statt. Zur Regelung des Edukt- bzw. Produktstroms wird das Glasrohr am Anfang und am Ende mit einer Armatur (6, 7) versehen. Zur Impedanz-Anpassung wird die Hohlleiterstrecke (1, 3a, 3b) durch einen Kurzschlussschieber (4) abgeschlossen.In the The illustrated embodiment of the microwave system used in a variant of the method according to the invention or a system according to the invention consists of a magnetron ( 2 ) with a waveguide output, preferably WR340. This is followed by a tuning element ( 5 ) that matches the impedance of the source to the load. The system has two curved waveguides ( 3a , 3b) connected with a straight section of waveguide ( 1 ) on. In the waveguide arch ( 3a) For example, a reactor tube that is transparent to microwaves, e.g. a glass tube, is introduced centrically, which is centrically inserted through the waveguide ( 1 , 3a , 3b) runs and this on the other curved waveguide ( 3b) leaves. The chemical reaction or other process takes place in this pipe. To regulate the educt or product flow, the glass tube is connected at the beginning and at the end with a fitting ( 6th , 7th ) Mistake. The waveguide section ( 1 , 3a , 3b) by a short circuit slide ( 4th ) completed.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anlage wird das Medium in einer Kavität parallel zur Ausbreitungsrichtung einer stehenden elektromagnetischen Welle im TE10 Mode (transverse electric mode), wie in dargestellt, durch einen rechteckigen Hohlleiter transportiert, in dem sich 2 bis 5 stehende Wellen ausgebildet haben.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention or the system according to the invention, the medium is in a cavity parallel to the direction of propagation of a standing electromagnetic wave in the TE10 mode (transverse electric mode), as in FIG shown, transported through a rectangular waveguide in which 2 to 5 standing waves have formed.

Ein stehendes Mikrowellenfeld bildet sich zentrisch um die Kavität, beispielsweise um das Reaktorrohr aus. Diese Feldverteilung bleibt auch für Stoffe mit deutlich unterschiedlichem dielektrischem Verhalten so erhalten. In dem Reaktor können deshalb eine Vielzahl von Stoffen reproduzierbar und effizient umgesetzt und prozessiert werden.A stationary microwave field is formed centrally around the cavity, for example around the reactor tube. This field distribution is also retained for substances with significantly different dielectric behavior. A large number of substances can therefore be converted and processed reproducibly and efficiently in the reactor.

Durch die Bestrahlung des Mediums im Zentrum eines symmetrischen Mikrowellenfeldes innerhalb der Kavität, deren Längsachse sich in der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen eines TE10-Hohlraumresonators befindet, wird ein sehr hoher Wirkungsgrad bei der Ausnutzung der in den Hohlraumresonator eingestrahlten Mikrowellenenergie erzielt. Dieser liegt üblicherweise über 50 %, oftmals über 80 %, teilweise über 90 % und in speziellen Fällen über 95 %, wie beispielsweise über 98 %, der eingestrahlten Mikrowellenleistung und bietet somit ökonomische wie auch ökologische Vorteile gegenüber konventionellen Herstellverfahren wie auch gegenüber Mikrowellenverfahren des Standes der Technik.By irradiating the medium in the center of a symmetrical microwave field within the cavity, the longitudinal axis of which is in the direction of propagation of the microwaves of a TE10 cavity resonator, a very high level of efficiency is achieved in utilizing the microwave energy radiated into the cavity resonator. This is usually over 50%, often over 80%, sometimes over 90% and in special cases over 95%, such as over 98%, of the radiated microwave power and thus offers economic and ecological advantages over conventional manufacturing processes as well as state-of-the-art microwave processes of the technique.

Überhitzungsphänomene durch unkontrollierbare Feldverteilungen, die zu lokalen Überhitzungen durch wechselnde Intensitäten des Mikrowellenfeldes, beispielsweise in Wellenbergen und Knotenpunkten, führen können, werden durch die Fließbewegung des Mediums ausgeglichen.Overheating phenomena due to uncontrollable field distributions, which can lead to local overheating due to changing intensities of the microwave field, for example in wave crests and nodes, are compensated for by the flow of the medium.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch, mit hohen Mikrowellenleistungen von beispielsweise mehr als 10 kW oder mehr als 100 kW zu arbeiten und somit in Kombination mit einer nur kurzen Verweilzeit in der Kavität große Produktionsmengen von beispielsweise 100 und mehr Tonnen pro Jahr in einer Anlage zu bewerkstelligen.The method according to the invention also makes it possible to work with high microwave powers of, for example, more than 10 kW or more than 100 kW and thus, in combination with only a short dwell time in the cavity, to achieve large production quantities of, for example, 100 and more tons per year in a plant.

Durch Ausformung des Hohlleiters als Resonator vom Reflexionstyp wird eine lokale Erhöhung der elektrischen Feldstärke bei gleicher vom Mikrowellengenerator zugeführter Leistung und eine erhöhte Energieausnutzung erzielt.By shaping the waveguide as a resonator of the reflection type, a local increase in the electrical field strength is achieved with the same power supplied by the microwave generator and an increased use of energy.

In einer außerordentlich bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anlage wird das Medium in einer Kavität parallel zur Ausbreitungsrichtung einer stehenden elektromagnetischen Welle im TE10 Mode (transverse electric mode), wie in dargestellt, durch einen rechteckigen Hohlleiter transportiert, in dem sich 3 bis 4 stehende Wellen ausgebildet haben.In an extremely preferred embodiment of the method according to the invention or the system according to the invention, the medium is in a cavity parallel to the direction of propagation of a standing electromagnetic wave in the TE10 mode (transverse electric mode), as in FIG shown, transported through a rectangular waveguide in which 3 to 4 standing waves have formed.

Dadurch kann eine Energieabsorption durch das fluide Medium von >= 90% erreicht werden und es kann die Energieeffizienz optimiert werden.As a result, energy absorption by the fluid medium of> = 90% can be achieved and the energy efficiency can be optimized.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie darauf einzuschränken.The following examples are intended to explain the invention without restricting it to them.

BeispieleExamples

Beispiel 1: Veresterung von Essigsäure mit n-ButanolExample 1: Esterification of acetic acid with n-butanol

In einem 1 I Dreihals-Rundkolben mit Rührer, Innenthermometer wurden 356 g n-Butanol (4,8 mol) vorgelegt und mit 144 g Essigsäure (2,4 mol) sowie 5 g Methansulfonsäure versetzt.356 g of n-butanol (4.8 mol) were placed in a 1 l three-necked round bottom flask with stirrer and internal thermometer, and 144 g of acetic acid (2.4 mol) and 5 g of methanesulfonic acid were added.

Das so erhaltene Gemisch wurde bei einem Arbeitsdruck von 6 bar kontinuierlich mit 0,5 I/h durch das Reaktionsrohr der Mikrowellenanlage gemäß gepumpt und einer Mikrowellenleistung von 250 W ausgesetzt, von der 91% vom Reaktionsgut absorbiert wurde. Die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der Bestrahlungszone betrug ca. 10 Sekunden. Am Ende des Reaktionsrohres hatte das Reaktionsgemisch eine Temperatur von 170 °C. Das Reaktionsgemisch wurde direkt nach Verlassen des Reaktors mittels Eisbades auf Raumtemperatur abgekühlt und zur Neutralisation des Katalysators mit Natrium-Hydrogencarbonat-Lösung versetzt.The mixture thus obtained was at an operating pressure of 6 bar continuously at 0.5 l / h through the reaction tube of the microwave system according to FIG pumped and exposed to a microwave power of 250 W, 91% of which was absorbed by the reaction material. The residence time of the reaction mixture in the irradiation zone was approx. 10 seconds. At the end of the reaction tube, the reaction mixture had a temperature of 170.degree. Immediately after leaving the reactor, the reaction mixture was cooled to room temperature by means of an ice bath and sodium hydrogen carbonate solution was added to neutralize the catalyst.

Es wurde ein Umsatz von 83% d. Th. erreicht. Das Reaktionsprodukt war praktisch farblos. Nach destillativer Abtrennung von Reaktionswasser und nicht umgesetzten Edukten, sowie Destillation des Produktes wurden 225 g Butylacatat mit einer Reinheit von > 99% erhalten.It was a conversion of 83% d. Th. Reached. The reaction product was practically colorless. After the water of reaction and unreacted starting materials had been separated off by distillation and the product had been distilled, 225 g of butyl acetate with a purity of> 99% were obtained.

Beispiel 2: Herstellung von HexansäuremethylesterExample 2: Preparation of methyl hexanoate

In einem 1 I Dreihals-Rundkolben mit Rührer, Innenthermometer wurden 494 g Hexansäure (4,3 mol) vorgelegt und mit 256 g Methanol (8 mol) sowie 7,5 g Methansulfonsäure versetzt.494 g of hexanoic acid (4.3 mol) were placed in a 1 l three-necked round bottom flask with stirrer and internal thermometer, and 256 g of methanol (8 mol) and 7.5 g of methanesulfonic acid were added.

Das so erhaltene Gemisch wurde bei einem Arbeitsdruck von 8 bar kontinuierlich mit 0,75 I/h durch das Reaktionsrohr einer Mikrowellenanlage gemäß gepumpt und einer Mikrowellenleistung von 300 W ausgesetzt, von der 90% vom Reaktionsgut absorbiert wurde.The mixture thus obtained was at an operating pressure of 8 bar continuously at 0.75 l / h through the reaction tube of a microwave system according to pumped and exposed to a microwave power of 300 W, 90% of which was absorbed by the reaction material.

Die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der Bestrahlungszone betrug ca. 20 Sekunden. Am Ende des Reaktionsrohres hatte das Reaktionsgemisch eine Temperatur von 180 °C. Das Reaktionsgemisch wurde direkt nach Verlassen des Reaktors mittels eines Eisbades auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach Neutralisation des Katalysators mit Natrium-Hydrogencarbonat-Lösung, Phasentrennung und destillativer Abtrennung von restlichem Wasser und überschüssigem Methanol wurden 509 g Hexansäuremethylester (91% d. Th.) erhalten.The residence time of the reaction mixture in the irradiation zone was approx. 20 seconds. The reaction mixture had a temperature of 180 ° C. at the end of the reaction tube. Immediately after leaving the reactor, the reaction mixture was cooled to room temperature by means of an ice bath. After neutralization of the catalyst with sodium hydrogen carbonate solution, phase separation and removal of residual water and excess methanol by distillation, 509 g of methyl hexanoate (91% of theory) were obtained.

Beispiel 3: Herstellung von Cocosfettsäure-(N'-N'-dimethylaminopropyl)amidExample 3: Preparation of coconut fatty acid (N'-N'-dimethylaminopropyl) amide

In einem 1 I Dreihals-Rundkolben mit Rührer, Innenthermometer wurden 460 g Cocosfett (0,6 mol/Molekulargewicht 764 g/mol)) vorgelegt und auf 55 °C erwärmt. Bei dieser Temperatur wurden langsam 276 g N,N-Dimethylaminopropylamin (2,7 mol) sowie 7,5 g Methansulfonsäure sowie 10 g Natriummethylat als Katalysator zugegeben und unter Rühren homogenisiert.460 g of coconut fat (0.6 mol / molecular weight 764 g / mol)) were placed in a 1 l three-necked round bottom flask with stirrer and internal thermometer and heated to 55.degree. At this temperature, 276 g of N, N-dimethylaminopropylamine (2.7 mol) and 7.5 g of methanesulfonic acid and 10 g of sodium methylate as catalyst were slowly added and the mixture was homogenized with stirring.

Das so erhaltene Gemisch wurde bei einem Arbeitsdruck von 6 bar kontinuierlich mit 0,5 I/h durch das Reaktionsrohr einer Mikrowellenanlage gemäß gepumpt und einer Mikrowellenleistung von 250 W ausgesetzt, von der 92% vom Reaktionsgut absorbiert wurde.The mixture thus obtained was at an operating pressure of 6 bar continuously at 0.5 l / h through the reaction tube of a microwave system according to pumped and exposed to a microwave power of 250 W, 92% of which was absorbed by the reaction material.

Die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der Bestrahlungszone betrug ca. 10 Sekunden. Am Ende des Reaktionsrohres hatte das Reaktionsgemisch eine Temperatur von 180 °C. Das Reaktionsgemisch wurde direkt nach Verlassen des Reaktors mittels eines Eisbades auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Reaktionsprodukt war leicht gelblich gefärbt. Nach Abtrennen von entstandenem Glycerin und überschüssigem N,N-Dimethylamonpropylamin wurden 540 g Cocosfettsäure-(N'-N'-dimethylaminopropyl)amid mit einer Reinheit von 95% erhalten.The residence time of the reaction mixture in the irradiation zone was approx. 10 seconds. The reaction mixture had a temperature of 180 ° C. at the end of the reaction tube. Immediately after leaving the reactor, the reaction mixture was cooled to room temperature by means of an ice bath. The reaction product was slightly yellow in color. After separating off the glycerol and excess N, N-dimethylamonopropylamine, 540 g of coconut fatty acid (N'-N'-dimethylaminopropyl) amide with a purity of 95% were obtained.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 2480644 A1 [0007]
WO 2011/035853 A1 [0007]
EP 2448904 A1 [0007]
WO 2011/000464 A2 [0007]
EP 2448905 A2 [0007]
WO 2011/000463 A2 [0007]
EP 2658882 A1 [0007]
WO 2012/089297 A1 [0007]
EP 2274274 A1 [0007]
WO 2009/121487 A1 [0007]
EP 2274271 A1 [0007]
WO 2009/121488 A1 [0007]
EP 2448915 A1 [0007]
WO 2011/000462 A1 [0007]
EP 2274272 A1 [0007, 0009]
WO 2009/121485 A1 [0007]
EP 1839741 B1 [0009]
EP 2448663 A1 [0010]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

Chemat et al. (J. Microwave Power and Electromagnetic Energy 1998, 33, 88-94) [0006]

Claims

Continuous process for heating a medium in a cavity, carried out in a mono-mode microwave system with the following steps: a) a standing electromagnetic wave in TE10 mode is formed in a waveguide with a rectangular cross-section, the length of the waveguide being half to six wavelengths of the standing electromagnetic wave, b) the medium contains at least 1 percent by weight of a polar or polarizable component, based on the total weight of the medium, c) the medium moves through at least one cavity that completely or partially passes through the interior of the waveguide, so that the medium moves in the direction of propagation of the standing electromagnetic wave, or the medium passes through at least one cavity that is perpendicular to the longitudinal axis of the waveguide through the Waveguide runs so that the medium moves perpendicular to the direction of propagation of the standing electromagnetic wave, the cavity running perpendicularly through the waveguide being arranged in such a way that a maximum of the electric field of the standing wave occurs in the cavity, d) the medium is passed through the part of the cavity exposed to the electromagnetic radiation within 0.1 seconds to 10 minutes, e) the medium absorbs 10% to 99% of the microwave energy fed in, and f) the medium reaches a temperature of 30 ° C to 300 ° C in the cavity.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the cross section of the waveguide has a width of half the wavelength and a height of a quarter of the wavelength of the electromagnetic wave used in each case in the method.

Method according to at least one of the Claims 1 to 2 , characterized in that the medium in the cavity is exposed to a pressure of 0.1 bar to 30 bar.

Method according to at least one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that solutions, dispersions, spreadable suspensions, powders or granulates are used as media.

Method according to at least one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the medium contains chemically reactive compounds, and that chemical reactions are brought about in the cavity.

Method according to at least one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the medium contains chemically inert substances or mixtures of substances, and that physical processes are brought about in the cavity, which are selected from the group of separation processes or purification processes, preferably distillation, extraction, evaporation or recrystallization.

Method according to at least one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the polar or polarizable component is selected from water, alcohols, acids and their salts, alkalis and their salts, ketones, aldehydes, amides, esters, organic and inorganic salt-like compounds or mixtures of these components.

Method according to at least one of the Claims 1 to 7th , characterized in that the medium is passed within 1 seconds to 5 minutes, in particular within 2 seconds to 3 minutes, through the part of the cavity exposed to the electromagnetic radiation.

Method according to at least one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the medium in the cavity reaches a temperature of 40 ° C to 250 ° C, in particular 50 ° C to 220 ° C.

Method according to at least one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the medium is transported in a cavity perpendicular to the direction of propagation of a standing electromagnetic wave formed in the rectangular waveguide, the standing electromagnetic wave having a TE10 mode and the cavity guided through the region of the microwave radiation being dimensioned so that the Dimension (s) of its cross section amount to half a wavelength of the standing wave, in the case of a round cross section of the cavity the dimension is to be understood as its diameter and in the case of a rectangular cross section of the cavity the smallest length of a side wall.

Method according to at least one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the medium is transported in a cavity which is located in a rectangular waveguide and which runs parallel to the direction of propagation of a standing electromagnetic wave formed in the rectangular waveguide, the standing electromagnetic wave having a TE10 mode and passing through the area of the Microwave radiation guided cavity is dimensioned so that its length in this area is half a to six wavelength (s) of the standing wave.

Procedure according to Claim 11 , characterized in that the length of the cavity in the area guided by the microwave radiation is two to five, in particular three to four wavelengths of the standing wave.

Mono-mode microwave system, which has the following elements: A) a waveguide with a rectangular cross-section, the cross-section of the waveguide having a width of half the wavelength and a height of a quarter of the wavelength of a standing electromagnetic wave formed in the waveguide and wherein the length of the waveguide is half to six wavelengths of the standing electromagnetic wave, B) at least one cavity made of a material transparent to microwaves for the transport of a medium through the waveguide, the cavity running through the interior of the waveguide in whole or in part, so that the medium moves in the direction of propagation of the standing electromagnetic wave, or the cavity is perpendicular runs through the waveguide to the longitudinal axis of the waveguide, so that the medium moves perpendicular to the direction of propagation of the standing electromagnetic wave, the cavity running perpendicularly through the waveguide being arranged in such a way that a maximum of the electric field of the standing wave occurs in the cavity, C) a microwave generator for generating monochromatic microwave radiation, D) Device for coupling the microwave radiation into one end of the waveguide, and E) Short-circuit slide for impedance matching at the other end of the waveguide.

Microwave system after Claim 13 , characterized in that a magnetron (2) with a waveguide output is provided as the microwave generator, to which a tuning element (3) for adapting the impedance of the source to the load is connected, which feeds the microwave radiation into one end of a waveguide (1) that the cavity (7) made of a material transparent to microwaves is guided perpendicular to the longitudinal axis of the waveguide (1), and that a short-circuit slide (4) is provided at the other end of the waveguide (1) for further impedance matching.

Microwave system after Claim 13 , characterized in that a magnetron (2) with a waveguide output is provided as the microwave generator, to which a tuning element (5) for adapting the impedance of the source to the load is connected, which feeds the microwave radiation into one end of a curved waveguide (3a), the part of a waveguide formed from two curved waveguides (3a, 3b) connected to a straight waveguide section (1), a cavity transparent to microwaves running centrally through the waveguide (1, 3a, 3b), which the waveguide on the other curved waveguide (3b), with the heating of a medium transported through the cavity taking place in the cavity, and with the waveguide section (1, 3a, 3b) being provided at the exit of the other curved waveguide (3b) with a short-circuit slide (4) for further impedance matching is.