DE102021132073A1

DE102021132073A1 - Photoreaktorvorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Photoreaktorvorrichtung

Info

Publication number: DE102021132073A1
Application number: DE102021132073.9A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Epp; Wolfgang LAST; Alexander Peschl
Original assignee: EKATO Ruehr und Mischtechnik GmbH; Peschl Ultraviolet GmbH
Current assignee: EKATO Ruehr und Mischtechnik GmbH; Peschl Ultraviolet GmbH
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2023-06-07
Also published as: WO2023104765A1; TW202335740A

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Photoreaktorvorrichtung (10a; 10b; 10c; 10d; 10e) mit zumindest einem Reaktorraum (12a; 12b; 12c; 12d; 12e), insbesondere Reaktorbehälter (14a; 14b) und/oder Rohrreaktor (16b; 16c; 16d; 16e), zur Aufnahme zumindest eines Mediums und mit zumindest einer Bestrahlungseinheit (18a; 18b; 18c; 18d) zur Bestrahlung des Mediums im Reaktorraum (12a; 12b; 12c; 12d; 12e)
Es wird vorgeschlagen, dass die Photoreaktorvorrichtung (10a; 10b; 10c; 10d; 10e) eine Transfereinheit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e) aufweist, welche in einem kontinuierlichen Betrieb das Medium in den Reaktorraum (12a; 12b; 12c; 12d; 12e) von extern kontinuierlich zuführt und welche das Medium aus dem Reaktorraum (12a; 12b; 12c; 12d; 12e) nach extern kontinuierlich abführt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Photoreaktorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Photoreaktorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Photoreaktoren mit zumindest einem Reaktorraum zur Aufnahme von Medien und zur Durchführung photochemischer Reaktionen in dem Reaktorraum bekannt. Bisher bekannte Photoreaktoren sind dabei ausschließlich für einen diskontinuierlichen Betrieb ausgelegt, wodurch eine Effizienz zur Durchführung photochemischer Reaktionen, insbesondere in einem industriellen Maßstab, nachteilig verringert ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit verbesserter Effizienz bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 14 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Photoreaktorvorrichtung mit zumindest einem Reaktorraum, insbesondere Reaktorbehälter und/oder Rohrreaktor, zur Aufnahme zumindest eines Mediums und mit zumindest einer Bestrahlungseinheit zur Bestrahlung des Mediums im Reaktorraum.
Es wird vorgeschlagen, dass die Photoreaktorvorrichtung eine Transfereinheit aufweist, welche in einem kontinuierlichen Betrieb das Medium in den Reaktorraum von extern kontinuierlich zuführt und welche das Medium aus dem Reaktorraum nach extern kontinuierlich abführt.
Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Photoreaktorvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Effizienz bereitgestellt werden. Es kann insbesondere ein kontinuierlicher Betrieb ermöglicht und somit eine besonders effiziente Durchführung photochemischer Reaktionen ermöglicht werden.
Unter einer „Photoreaktorvorrichtung“ soll ein, insbesondere funktionstüchtiger, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente, eines Photoreaktors verstanden werden. Die Photoreaktorvorrichtung kann auch den gesamten Photoreaktor umfassen. Die Photoreaktorvorrichtung und/oder der die Photoreaktorvorrichtung aufweisende Photoreaktor ist, ohne darauf beschränkt zu sein, zur Durchführung photochemischer Reaktionen, beispielsweise zur Depolymerisation von Kunststoffen oder zur Chlorierung von Polyvinylchlorid (PVC) zu PVC-C oder zur photoinitiierten Polymerisation von Monomeren zu Kunstharzen und/oder Klebstoffen, vorgesehen.
Unter einem „Reaktorraum“ soll ein Raum zur Aufnahme des zumindest einen Mediums und zur Durchführung photochemischer Reaktionen verstanden werden, welcher in zumindest zwei Raumrichtungen geschlossen ist. Der Reaktorraum weist zumindest einen Einlass zur Zufuhr des Mediums und zumindest einen Auslass zur Abfuhr des Mediums auf. Ein Wandung des Reaktorraums ist vorzugsweise zumindest teilweise oder vollständig aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung, beispielsweise aus Titan oder Edelstahl, ausgebildet. Denkbar wäre alternativ auch, dass der Reaktorraum zumindest teilweise oder vollständig aus Glas, beispielsweise aus Borosilikatglas oder Quarzglas, oder aus einem Kunststoff, beispielsweise aus Polyetheretherketon (PEEK), ausgebildet ist. Der Reaktorraum kann als ein Reaktorbehälter ausgebildet sein und einen Behälterboden und zumindest eine mit dem Behälterboden verbundene Seitenwandung aufweisen. Der Reaktorbehälter könnte auf einer dem Behälterboden gegenüberliegenden Seite offen sein oder einen fest installierten oder lösbaren Deckel zum Verschließen der dem Behälterboden gegenüberliegenden Seite aufweisen. Alternativ kann der Reaktorraum als ein Rohrreaktor ausgebildet sein, welcher eine rohrförmige Außenwandung aufweist, die einen Innenraum in zumindest zwei Raumrichtungen begrenzt. Der Rohrreaktor kann eine gerade oder eine zumindest teilweise gebogene, insbesondere mäanderförmige, Formgebung aufweisen. Die Außenwandung könnte den Innenraum des Rohrreaktors definieren. Denkbar ist aber auch, dass der Rohrreaktor ein Innenrohr aufweist, welches zu der Außenwandung radial beabstandet ist und den Innenraum in zwei Teilräume unterteilt. Der Einlass kann an einem ersten Ende des Rohrreaktors und der Auslass an einem zweiten Ende des Rohrreaktors angeordnet sein. Der Einlass und der Auslass könnten jedoch auch an demselben Ende des Rohrreaktors angeordnet sein, wobei der Einlass mit einem ersten Teilraum, insbesondere einem Innenrohrraum innerhalb des Innenrohrs, und der Auslass mit einem zweiten Teilraum des Innenraums, insbesondere mit einem Ringraum zwischen dem Innenrohr und der Außenwandung verbunden sein könnte. Die Photoreaktorvorrichtung kann eine Mehrzahl von Reaktorräumen aufweisen, welche allesamt als Reaktorräume oder allesamt als Rohrreaktoren oder teilweise als Reaktorräume und teilweise als Rohrreaktoren ausgebildet sein können und welche in dem kontinuierlichen Betrieb zusammenwirken. Im Falle einer Photoreaktorvorrichtung mit einer Mehrzahl von Reaktorräumen könnte die Transfereinheit in dem kontinuierlichen Betrieb das Medium von extern kontinuierlich in zumindest einen ersten Reaktorraum zuführen, kontinuierlich aus dem ersten Reaktorraum in zumindest einen zweiten Reaktorraum überführen, aus dem zweiten Reaktorraum kontinuierlich nach extern und/oder kontinuierlich in zumindest einen weiteren Reaktorraum der Mehrzahl von Reaktorräumen überführen, wobei es sich bei dem weiteren Reaktorraum um den ersten Reaktorraum oder um zumindest einen dritten Reaktorraum handeln kann, und kontinuierlich aus zumindest einem der Reaktorräume nach extern abführen. Denkbar ist im Falle einer Photoreaktorvorrichtung mit einer Mehrzahl von Reaktorräumen alternativ oder zusätzlich auch, dass einige oder alle der Reaktorräume parallel betrieben werden, wobei die Transfereinheit jeweils ein Teilvolumen des Mediums in jeden der parallel betrieben Reaktorräume von extern kontinuierlich zuführen und jeweils ein Teilvolumen des Mediums aus jedem der parallel betriebenen Reaktorräume kontinuierlich nach extern abführen könnte. Beispielsweise könnte die Photoreaktorvorrichtung eine Vielzahl von Reaktorräumen aufweisen, welche jeweils als Rohrreaktoren ausgebildet sind, und welche zu einem parallelen Betrieb, vergleichbar mit einem Rohrbündelwärmetauscher, vorgesehen sind.
Unter einem „Medium“ soll zumindest eine Substanz und/oder ein Gemisch aus mehreren Substanzen verstanden werden, welche bei der Durchführung einer photochemischen Reaktion zum Einsatz kommt und/oder entsteht. Eine Zusammensetzung des Mediums kann sich während eines Durchlaufens des Reaktionsraums, insbesondere kontinuierlich, ändern. Beispielsweise ist denkbar, dass das sich das Medium bei einer Zufuhr in den Reaktorraum um einen Stoff oder ein Stoffgemisch handelt, welches sich aus einem oder mehrere Reaktanden und insbesondere einen oder mehrere Katalysatoren zusammensetzt, und dass das Medium sich bei einer Abfuhr aus dem Reaktorraum aus einem oder mehreren Produkten, insbesondere Haupt- und/oder Nebenprodukten, welche während des Durchlaufens des Reaktorraums aus dem oder den Reaktanden entstanden sind, sowie gegebenfalls aus nicht reagierten Reaktanden und/oder zu regenerierendem Katalysator, zusammensetzt. Das Medium kann einphasig sein und beispielsweise als eine Lösung vorliegen. Denkbar ist auch, dass es sich bei dem Medium ein Mehrphasengemisch, beispielsweise eine Suspension, eine Emulsion, einen Schaum oder dergleichen handelt. Ferner ist denkbar, dass sich ein Aggregatszustand des Mediums beim Durchlaufen des Reaktionsraums ganz oder teilweise ändert. Beispielsweise könnte das Medium bei der Zufuhr in den Reaktionsraum flüssig vorliegen und bei der Abfuhr aus dem Reaktionsraum ganz oder teilweise gasförmig vorliegen.
Die Bestrahlungseinheit weist zumindest ein Strahlungselement zur Bestrahlung des Mediums auf. Vorzugsweise weist die Bestrahlungseinheit eine Mehrzahl von Strahlungselementen auf. Das Strahlungselement ist dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung zu der Bestrahlung des Mediums innerhalb des Reaktionsraums bereitzustellen. Bei der durch das Strahlungselement bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung kann es sich beispielsweise um infrarote Strahlung und/oder sichtbares Licht und/oder ultraviolette Strahlung handeln. Vorzugsweise handelt es sich bei der durch das Strahlungselement bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung um ultraviolette Strahlung. Die durch das Strahlungselement bereitgestellte elektromagnetische Strahlung könnte polychromatisch sein. Vorzugsweise ist die durch das Strahlungselement bereitgestellte elektromagnetische Strahlung monochromatisch. Eine Wellenlänge der durch das Strahlungselement bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung kann an eine Art der in dem Reaktionsraum durchzuführenden photochemischen Reaktion(en) angepasst und/oder anpassbar sein und, ohne darauf beschränkt zu sein, beispielsweise 365 nm oder 385 nm oder 395 nm oder 405 nm oder 420 nm oder 460 nm oder 525 nm oder 592 nm oder 625 nm betragen. Vorzugsweise ist eine durch das Strahlungselement bereitstellbare Strahlungsleistung, insbesondere stufenlos, einstellbar. Vorzugsweise ist das Strahlungselement, insbesondere werkzeuglos, austauschbar. Das Strahlungselement weist zumindest eine Strahlungsquelle auf, welche, ohne darauf beschränkt zu sein, als beispielsweise eine LED und/oder eine Quecksilberdampflampe und/oder eine Excimer-Lampe und/oder dergleichen, ausgebildet sein könnte. Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle des Strahlungselements als eine LED ausgebildet. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das zumindest eine Strahlungselement als ein explosionsgeschütztes Strahlungselement ausgebildet und umfasst insbesondere zumindest eine explosionsgeschützte LED als Strahlungsquelle. Vorzugsweise ist das explosionsgeschützte Strahlungselement nach ATEX und/oder IECEx zertifiziert. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Photoreaktorvorrichtung zum sicheren Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen bereitgestellt werden. Das zumindest eine Strahlungselement und weitere Strahlungselemente der Bestrahlungseinheit könnten zueinander zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildet sein. Denkbar wäre auch, dass sich das zumindest eine Strahlungselement und das zumindest eine weitere Strahlungselement hinsichtlich zumindest eines Parameters, beispielsweise hinsichtlich einer Art und/oder Größe der Strahlungsquelle zur Bereitstellung der elektromagnetischen Strahlung und/oder hinsichtlich einer Wellenlänge und/oder einer Strahlungsintensität der bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung, unterscheiden. Das Strahlungselement und/oder zumindest ein weiteres Strahlungselement der Bestrahlungseinheit kann als ein externes Strahlungselement ausgebildet und außerhalb des Reaktorraums angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Strahlungselement und/oder ein weiteres Strahlungselement der Bestrahlungseinheit als ein internes Strahlungselement ausgebildet und innerhalb des Reaktorraums angeordnet sein.
Die Transfereinheit ist dazu vorgesehen, das Medium kontinuierlich von extern in den Reaktionsraum zuzuführen und das Medium kontinuierlich aus dem Reaktionsraum nach extern abzuführen und weist hierzu zumindest ein Transferelement auf. Das Transferelement ist dazu vorgesehen, die Zufuhr des Mediums von extern und/oder nach extern zu regeln. Das Transferelement könnte als ein aktives Transferelement ausgebildet sein, welches dazu vorgesehen ist, das Medium zu der Zufuhr von extern und/oder zu der Abfuhr nach extern in Bewegung zu versetzten. Beispielsweise könnte es sich bei dem Transferelement um eine Pumpe handeln. Denkbar ist aber auch, dass es sich bei dem Transferelement um ein passives Transferelement handelt, welches dazu vorgesehen ist, eine Bewegung des Mediums aufgrund einer inhärenten Energie des Mediums, beispielsweise einer Bewegungsenergie des Mediums und/oder eines Druck- und/oder Temperaturunterschieds zwischen dem Reaktionsraum und extern und/oder einer potentiellen Energie des Mediums und/oder einer durch Kapillareffekte bedingten Energie oder dergleichen, zu regeln. Beispielsweise könnte das Transferelement als ein Regelventil ausgebildet sein, welches mit einem Einlass in einem oberen Bereich des Reaktionsbehälters und einem mit Medium gefüllten Reservoir, welches oberhalb des Reaktionsraums angeordnet ist, verbunden ist und eine kontinuierliche Zufuhr von Medium basierend auf der potentiellen Energie des Mediums in den Reaktionsraum regelt. Die Transfereinheit kann mehrere Transferelemente, welche insbesondere zueinander gleichartig oder verschieden ausgebildet sein können, aufweisen.
Unter einem „kontinuierlichen Betrieb“ soll ein Betriebszustand verstanden werden, in welchem die Transfereinheit eine erste Teilmenge des Mediums kontinuierlich von extern in den Reaktorraum zuführt und eine zweite Teilmenge kontinuierlich nach extern aus dem Reaktorraum abführt, wobei die erste Teilmenge und die zweite Teilmenge gleiche oder unterschiedlich Volumenströme aufweisen können und ein Volumenstrom der ersten Teilmenge und/oder ein Volumenstrom der zweiten Teilmenge konstant sein oder zeitlichen Veränderungen unterliegen kann.
In dem vorliegenden Dokument dienen Zahlwörter, wie beispielsweise „erste/r/s“ und „zweite/r/s“, welche bestimmten Begriffen vorangestellt sind, lediglich zu einer Unterscheidung von Objekten und/oder einer Zuordnung zwischen Objekten untereinander und implizieren keine vorhandene Gesamtanzahl und/oder Rangfolge der Objekte. Insbesondere impliziert ein „zweites Objekt“ nicht zwangsläufig ein Vorhandensein eines „ersten Objekts“.
Unter „zumindest im Wesentlichen“ soll in diesem Dokument verstanden werden, dass eine Abweichung von einem vorgegebenen Wert insbesondere weniger als 25%, vorzugsweise weniger als 10% und besonders bevorzugt weniger als 5% des vorgegebenen Werts abweicht.
Unter „vorgesehen“ soll speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Photoreaktorvorrichtung eine innerhalb des Reaktorraums angeordnete Trenneinheit zur Trennung des Reaktorraums in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Effizienz weiter verbessert werden. Es kann insbesondere für photochemische Reaktionen mit niedriger Quantenausbeute eine Verweilzeit des Mediums in dem Reaktionsbehälter auch bei kontinuierlichem Betrieb der Transfereinheit erhöht werden. Die Trenneinheit weist zu der Trennung des Reaktorraums in die zumindest zwei Teilbereiche zumindest ein Trennelement, beispielsweise ein Innenrohr und/oder ein Leitrohr und/oder ein Leitblech oder dergleichen, auf. Die Trenneinheit kann mehrere, insbesondere verschiedene oder gleichartige Trennelement aufweisen. Die Trenneinheit könnte den Reaktorraum in den ersten Teilbereich, den zweiten Teilbereich und zumindest einen weiteren Teilbereich trennen. Der erste Teilbereich könnte zur Durchführung eines ersten Reaktionsschritts einer photochemischen Reaktion und der zweite Teilbereich zur Durchführung eines zweiten Reaktionsschritts der photochemischen Reaktion vorgesehen sein. Beispielsweise wäre denkbar, dass der erste Teilbereich als ein von der Bestrahlungseinheit bestrahlter Bereich und der zweite Teilbereich als von der Bestrahlungseinheit nicht bestrahlter Bereich ausgebildet ist. Vorzugsweise sind der erste Bereich und der zweite Bereich in dem kontinuierlichen Betrieb ständig fluidtechnisch miteinander verbunden. Denkbar ist jedoch auch, dass die Trenneinheit ein Trennelement, beispielsweise ein Ventil, aufweist, welches dazu vorgesehen ist, die fluidtechnische Verbindung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zeitweise zu trennen.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Trenneinheit ein Leitrohr aufweist, welches den als Innenbereich ausgebildeten ersten Bereich von dem als Außenbereich ausgebildeten zweiten Bereich trennt. Hierdurch kann vorteilhaft eine Effizienz weiter verbessert werden. Es kann insbesondere eine effiziente Strömungsführung des Mediums in dem Reaktorraum erreicht werden. Zudem kann vorteilhaft eine Trennung des Reaktionsraums in die zumindest zwei Teilbereiche mit besonders einfachen technischen Mitteln ermöglicht werden. Vorzugsweise weist das Medium in dem Außenbereich eine gegenüber dem Innenbereich gegenläufige Strömungsrichtung auf. Vorzugsweise weist das Leitrohr zumindest einen für elektromagnetische Strahlung der Bestrahlungseinheit durchlässigen Bereich auf. Bevorzugt ist das Leitrohr aus einem für elektromagnetische Strahlung der Bestrahlungseinheit durchlässigen und transparenten Material, beispielsweise aus Glas oder einem Kunststoff wie Polycarbonat oder dergleichen, ausgebildet. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Transfereinheit das Medium kontinuierlich in den Innenbereich von extern zuführt. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Transfereinheit das Medium kontinuierlich aus dem Außenbereich nach extern abführt. Hierdurch kann vorteilhaft eine effiziente Reaktionsführung ermöglicht werden. Alternativ wäre denkbar, dass die Transfereinheit das Medium kontinuierlich in den Außenbereich von extern zuführt und kontinuierlich aus dem Innenbereich nach extern abführt. Denkbar ist auch, dass die Transfereinheit dazu vorgesehen ist eine Zu- und Abfuhrrichtung während des kontinuierlichen Betriebs zu ändern. Beispielsweise könnte die Zufuhreinheit über einen ersten Zeitraum in dem kontinuierlichen Betrieb Medium kontinuierlich von extern in den Innenbereich zuführen und aus dem Außenbereich kontinuierlich nach extern abführen und über einen zweiten Zeitraum in dem kontinuierlichen Betrieb Medium kontinuierlich in den Außenbereich von extern zuführen und kontinuierlich aus dem Innenbereich nach extern abführen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Trenneinheit zumindest ein Leitbleich aufweist, welches den zweiten Bereich in zumindest zwei Teilbereiche unterteilt. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Effizienz weiter erhöht werden. Es kann insbesondere eine Strömungsführung des Mediums in dem zweiten Bereich verbessert und eine Verweilzeitverteilung des Mediums in dem zweiten Bereich optimiert werden. Denkbar ist beispielsweise, dass ein erster Teilbereich des zweiten Bereichs zur Durchführung zumindest eines Teilschritts einer photochemischen Reaktion und ein zweiter Teilbereich des zweiten Bereichs zum Sammeln des Mediums vor einer Abfuhr nach extern durch die Transfereinheit vorgesehen ist.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Photoreaktorvorrichtung eine Umwälzeinheit mit zumindest einem Umwälzelement zur Umwälzung des Mediums in dem Reaktorraum aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Effizienz weiter verbessert werden. Es kann insbesondere eine gleichmäßige Bestrahlung des Mediums erreicht und eine Bildung von Toträumen verhindert werden. Das zumindest eine Umwälzelement der Umwälzeinheit könnte als ein aktives Umwälzelement, beispielsweise als ein Rührelement oder als eine Pumpe, ausgebildet sein. Denkbar ist auch, dass das Umwälzelement als ein passives Umwälzelement, beispielsweise als ein Strömungsleitblech oder dergleichen, ausgebildet ist. Die Umwälzeinheit kann zumindest teilweise einstückig mit der Transfereinheit ausgebildet sein. Darunter, dass die Umwälzeinheit mit der Transfereinheit „zumindest teilweise einstückig“ ausgebildet ist, soll verstanden werden, dass die Umwälzeinheit und die Transfereinheit zumindest ein, insbesondere zumindest zwei oder mehr, gemeinsame Elemente aufweisen, die Bestandteil, insbesondere funktioneller Bestandteil, beider Einheiten sind. Denkbar ist, dass zumindest ein Transferelement der Transfereinheit, beispielsweise eine Transferpumpe, zugleich als ein Umwälzelement der Umwälzeinheit fungiert und in dem kontinuierlichen Betrieb eine Umwälzfunktion des Mediums in dem Reaktorraum ausführt.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Reaktorraum zumindest einen für elektromagnetische Strahlung der Bestrahlungseinheit durchlässigen Wandungsbereich aufweist. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Effizienz, insbesondere eine Bestrahlungseffizienz, verbessert werden. Es können insbesondere photochemische Reaktionen mit einer geringen Quantenausbeute vorteilhaft kontinuierlich und effizient durchgeführt werden. Der für elektromagnetische Strahlung durchlässige Wandungsbereich könnte beispielsweise als ein Bestrahlungsfenster in einer Auswandung des Reaktionsraumes ausgebildet sein. Denkbar ist auch, dass der Reaktionsraum eine bereichsweise oder vollständig für elektromagnetische Strahlung durchlässige Wandung aufweist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Reaktorraum als ein für die elektromagnetische Strahlung der Bestrahlungseinheit durchlässiger Rohrreaktor ausgebildet ist. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Photoreaktorvorrichtung zum kontinuierlichen Betrieb mit einer besonders einfachen und flexiblen apparativen Gestaltung bereitgestellt werden. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Bestrahlungseinheit dazu vorgesehen ist, das Medium von extern durch den durchlässigen Rohrreaktor hindurch zu bestrahlen. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders einfache und effiziente Durchführung photochemischer Reaktionen in dem Rohrreaktor erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Bestrahlungseinheit zumindest ein innerhalb des Reaktorraums angeordnetes internes Strahlungselement aufweist. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Effizienz, insbesondere eine Bestrahlungseffizienz, weiter verbessert werden. Es kann insbesondere eine effiziente Durchführung photochemischer Reaktion mit geringer Quantenausbeute in einem kontinuierlichen Betrieb ermöglicht werden. Das interne Strahlungselement kann innerhalb eines als Reaktionsbehälter ausgebildeten Reaktionsraums, beispielsweise an dem Leitrohr der Trenneinheit, angeordnet sein. Das interne Strahlungselement kann auch innerhalb eines als Rohrreaktor ausgebildeten Reaktorraums angeordnet sein, beispielsweise in einem Ringraum zwischen einem Innenrohr und einer Außenwandung des Rohrreaktors.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Transfereinheit zumindest eine Transferpumpe aufweist. Hierdurch kann vorteilhafte ein besonders einfacher und effizienter Transfer des Mediums in den Reaktorraum von extern und aus dem Reaktorraum nach extern ermöglicht werden. Die Transfereinheit kann mehrere Transferpumpen aufweisen. Beispielsweise könnte eine erste Transferpumpe fluidtechnisch mit dem Einlass des Reaktionsraums verbunden und zu der Zufuhr des Mediums von extern und eine zweite Transferpumpe fluidtechnisch mit dem Auslass des Reaktorraums verbunden und zu der Abfuhr des Mediums nach extern vorgesehen sein. Denkbar ist auch, dass die Transfereinheit nur eine Transferpumpe aufweist, welche mit dem Einlass und/oder dem Auslass verbunden ist und welche sowohl dazu vorgesehen ist das Medium von extern zuzuführen als auch nach extern abzuführen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Photoreaktorvorrichtung, insbesondere nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen, mit zumindest einem Reaktorbehälter zur Aufnahme zumindest eines Mediums, mit zumindest einem Rohrreaktor zur Aufnahme des Mediums, mit zumindest einer Bestrahlungseinheit zur Bestrahlung des Mediums im Reaktorbehälter und im Rohrreaktor und mit einer Transfereinheit, welche in einem kontinuierlichen Betrieb das Medium zwischen dem Reaktorbehälter und dem Rohreaktor kontinuierlich austauscht. Hierdurch kann vorteilhafte eine besonders effiziente Photoreaktorvorrichtung bereitgestellt werden. Es kann vorteilhaft eine Photoreaktorvorrichtung mit einer Kombination aus Reaktorbehälter und Rohrreaktor bereitgestellt werden, welche durch den kontinuierlichen Austausch des Mediums zwischen dem Reaktorbehälter und dem Rohreaktor eine längere Verweilzeit des Mediums und somit eine verbesserte Durchführung photochemischer Reaktionen mit niedriger Quantenausbeute ermöglicht. Die Bestrahlungseinheit weist zumindest ein Strahlungselement auf, welches dem Reaktorraum zugeordnet und zu der Bestrahlung des Mediums in dem Reaktorraum vorgesehen ist. Zudem weist die Bestrahlungseinheit zumindest ein weiteres Strahlungselement auf, welches dem Rohrreaktor zugeordnet und zu der Bestrahlung des Mediums in dem Rohrreaktor vorgesehen ist.
Die Erfindung geht ferner aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Photoreaktorvorrichtung, insbesondere nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen, mit zumindest einem Reaktionsraum zur Aufnahme zumindest eines Mediums und mit zumindest einer Bestrahlungseinheit zur Bestrahlung des Mediums.
Es wird vorgeschlagen, dass kontinuierlich Medium von extern in den Reaktionsbehälter zugeführt und kontinuierlich Medium aus dem Reaktionsbehälter nach extern abgeführt wird. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft ein besonders effizientes Verfahren zum Betrieb einer Photoreaktorvorrichtung bereitgestellt werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Medium kontinuierlich durch zumindest einen mittels der Bestrahlungseinheit bestrahlten Bereich geleitet wird. Hierdurch kann vorteilhaft eine Effizienz noch weiter verbessert werden.
Die erfindungsgemäße Photoreaktorvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Photoreaktorvorrichtung sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Photoreaktorvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind vier Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Photoreaktors mit einer Photoreaktorvorrichtung, welche einen als Reaktionsbehälter ausgebildeten Reaktorraum zur Aufnahme eines Mediums, eine Bestrahlungseinheit zur Bestrahlung des Mediums und eine Transfereinheit zum kontinuierlichen Transfer des Mediums aufweist,
2 ein schematisches Verfahrensfließbild zur Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb der Reaktorvorrichtung,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Photoreaktorvorrichtung mit einem als Rohreaktor ausgebildeten Reaktorraum zur Aufnahme eines Mediums, mit einer Bestrahlungseinheit zur externen Bestrahlung des Mediums und mit einer Transfereinheit zum Transfer des Mediums, in einer schematischen Darstellung,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Photoreaktorvorrichtung mit einem als Rohreaktor ausgebildeten Reaktorraum zur Aufnahme eines Mediums, mit einer Bestrahlungseinheit zur internen Bestrahlung des Mediums und mit einer Transfereinheit zum Transfer des Mediums in einer schematischen Darstellung,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Photoreaktorvorrichtung mit einem Reaktorbehälter zur Aufnahme eines Mediums, mit einem Rohrrektor zur Aufnahme des Mediums, mit einer Bestrahlungseinheit zur Bestrahlung des Mediums und mit einer Transfereinheit zum Transfer des Mediums zwischen dem Reaktorbehälter und dem Rohrreaktor in einer schematischen Darstellung und
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Photoreaktorvorrichtung mit einer Vielzahl von Reaktorbehältern, welche jeweils als Rohrreaktoren ausgebildet und zur Aufnahme eines Mediums vorgesehen sind, mit einer Bestrahlungseinheit zur internen Bestrahlung des Mediums innerhalb der Rohrreaktoren und mit einer Transfereinheit zum Transfer des Mediums in einer schematischen Darstellung .

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Photoreaktorvorrichtung 10a in einer schematischen Darstellung. Die Photoreaktorvorrichtung 10a zur Durchführung photochemischer Reaktionen, beispielsweise zur Depolymerisation von Kunststoffen oder zur Chlorierung von Polyvinylchlorid (PVC) zu PVC-C, vorgesehen.
Die Photoreaktorvorrichtung 10a weist einen Reaktorraum 12a zur Aufnahme zumindest eines Mediums (nicht dargestellt), mit welchem eine photochemische Reaktion durchgeführt werden soll, auf. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Reaktorraum 12a als ein Reaktorbehälter 14a ausgebildet.
Die Photoreaktorvorrichtung 10a weist eine Bestrahlungseinheit 18a zur Bestrahlung des Mediums in dem Reaktorraum 12a auf. Die Bestrahlungseinheit 18a weist zumindest ein in dem Reaktorraum 12a angeordnetes internes Strahlungselement 46a auf. Vorliegend weist die Bestrahlungseinheit 18a drei interne Strahlungselemente 46a auf, welche innerhalb des Reaktorraums 12a angeordnet sind. Vorliegend sind die internen Strahlungselement 46 als LEDs ausgebildet und zur Bereitstellung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere UV-Strahlung, vorgesehen. Zudem weist die Bestrahlungseinheit 18a zumindest ein externes Strahlungselement 56a auf, welches außerhalb des Reaktorraums 12a angeordnet ist. Vorliegend weist die Bestrahlungseinheit 18a zwei externe Strahlungselemente 56a auf, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Reaktorraums 12a angeordnet sind. Die externen Strahlungselement 56a sind als LEDs ausgebildet und zur Bereitstellung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere UV-Strahlung, vorgesehen.
Der Reaktorraum 12a weist zumindest einen für elektromagnetische Strahlung der Bestrahlungseinheit 18a durchlässigen Wandungsbereich 44a auf. Vorliegend weist der Reaktorraum 12a zwei für elektromagnetische Strahlung der Bestrahlungseinheit 18a durchlässige Wandungsbereiche 44a auf, welche auf gegenüberliegenden Seiten einer Wandung 60a des Reaktorraums 12a angeordnet sind. Vorliegend sind die Wandungsbereiche 44a jeweils als Bestrahlungsfenster 58a ausgebildet und in die Wandung 60a integriert. Die externen Strahlungselement 56a der Bestrahlungseinheit 18a sind jeweils an den Außenseiten der Bestrahlungsfenster 58a angeordnet.
Die Photoreaktorvorrichtung 10a weist eine Transfereinheit 20a auf. Die Transfereinheit 20a führt in einem kontinuierlichen Betrieb der Reaktorvorrichtung 10a das Medium in den Reaktorraum 12a von extern kontinuierlich zu und führt das Medium aus dem Reaktorraum 12a nach extern kontinuierlich ab. Die Photoreaktorvorrichtung 10a weist zumindest einen Einlass 62a auf, über welchen in dem kontinuierlichen Betrieb der Photoreaktorvorrichtung 10a das Medium in den Reaktorraum 12a von extern mittels der Transfereinheit 20a kontinuierlich zugeführt wird. Die Photoreaktorvorrichtung 10a weist zumindest einen Auslass 64a auf, über welchen in dem kontinuierlichen Betrieb der Reaktorvorrichtung 10a das Medium aus dem Reaktorraum 12a nach extern mittels der Transfereinheit 20a kontinuierlich abgeführt wird. In dem kontinuierlichen Betrieb der Photoreaktorvorrichtung 10a wird das Medium mittels der Transfereinheit 20a durch zumindest einen bestrahlten Bereich 50a geleitet.
Die Transfereinheit 20a weist zumindest eine Transferpumpe 48a auf. Die Transferpumpe 48a ist außerhalb des Reaktorraums 12a angeordnet und mit einer Saugseite fluidtechnisch mit dem Auslass 64a verbunden. In dem kontinuierlichen Betrieb der Photoreaktorvorrichtung 10a saugt die Transferpumpe 48a kontinuierlich Medium von extern über den Einlass 62a an, leitet das Medium durch den Reaktorraum 12a hindurch und führt es über den Auslass 64a nach extern ab. Die Transfereinheit 20a weist zudem ein Absperrventil 74a auf, mittels dessen der Auslass 64a nach Beendigung des kontinuierlichen Betriebs abgesperrt werden kann.
Die Photoreaktorvorrichtung 10a weist eine innerhalb des Reaktorraums 12a angeordnete Trenneinheit 22a zur Trennung des Reaktorraums 12a in einen ersten Bereich 24a und in einen zweiten Bereich 26a auf. Die Trenneinheit 22a weist ein Leitrohr 28a auf. Das Leitrohr 28a trennt den ersten Bereich 24a, welcher als eine Innenbereich 30a ausgebildet ist, von dem zweiten Bereich 26a, welcher als ein Außenbereich 32a ausgebildet ist. Die internen Strahlungselemente 56a der Bestrahlungseinheit 18a sind an dem Leitrohr 28a außenseitig angeordnet. Das Leitrohr 28a ist aus einem für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material, beispielsweise aus oder einem transparenten Kunststoff wie Polycarbonat, ausgebildet.
Die Trenneinheit 22a weist zumindest ein Leitblech 34a auf. Das Leitblech 34a unterteilt den zweiten Bereich 26a in zumindest zwei Teilbereiche 36a, 38a in einen ersten Teilbereich 36a und in einen zweiten Teilbereich 38a.
In einem Betriebszustand der Photoreaktorvorrichtung 10a strömt das Medium kontinuierlich von extern über den Einlass 62a in den ersten Bereich 24a innerhalb des Leitrohrs 28a. Innerhalb des Leitrohrs 28a strömt das Medium nach oben und wird dabei durch die internen Strahlungselemente 46a bestrahlt. An einem oberen Ende des Leitrohrs 28a wird das Medium umgelenkt und in den zweiten Bereich 26a überführt, wo es zwischen dem Leitblech 34 und einer Außenseite des Leitrohrs nach unten strömt und dabei erneuet von den internen Strahlungselementen 46a bestrahlt wird. In einem unteren Bereich des Reaktorraums 14a wird das Medium erneut umgelenkt und strömt zwischen dem Leitblech 34a und dem Wandungsbereich 44a nach oben zu dem Auslass 64a, wobei das Medium durch das externe Strahlungselement 56a durch den Wandungsbereich 44a hindurch bestrahlt wird. Ein Strömungsverlauf des Mediums durch den Reaktorraum 12a ist in der 1 durch Pfeile 88a dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber nur einer der Pfeile 88a mit einem Bezugszeichen versehen ist.
Die Photoreaktorvorrichtung 10a weist eine Umwälzeinheit 40a auf. Die Umwälzeinheit 40a umfasst zumindest ein Umwälzelement 42a zur Umwälzung des Mediums in dem Reaktorraum 12a. Das Umwälzelement 42a ist vorliegend als eine Rührelement 66a ausgebildet. Die Umwälzeinheit 40a weist eine Antriebseinheit 68a zum Antrieb des Umwälzelements 42a auf. Vorliegend ist das als Rührelement 66a ausgebildete Umwälzelement 42a in dem Leitrohr 28a angeordnet.
Vorliegend führt die Transfereinheit 20a in dem kontinuierlichen Betrieb der Photoreaktorvorrichtung 10a das Medium kontinuierlich in den Innenbereich 30a von extern zu. Außerdem führt die Transfereinheit 20a in dem kontinuierlichen Betrieb der Photoreaktorvorrichtung 10a das Medium kontinuierlich aus dem Außenbereich 32a nach extern ab. Der Einlass 62a ist als ein Verbindungsrohr ausgebildet, welches an das Leitrohr 28a angeschlossen ist und den Innenbereich 30a fluidtechnisch mit extern verbindet. In dem kontinuierlichen Betrieb der Photoreaktorvorrichtung 10a strömt das Medium von dem Innenbereich 30a in den ersten Teilbereich 36a des Außenbereichs 32a und wird von dort durch das Leitblech 28a in den zweiten Teilbereich 38a geleitet und anschließend über den Auslass 64a nach extern abgeführt. Vorliegend sind sowohl der Innenbereich 30a als auch der Außenbereich 32a als bestrahlte Bereiche 50a ausgebildet. Beim Durchströmen des Innenbereichs 30a und des ersten Teilbereichs 36a des Außenbereichs 32a wird das Medium durch die von den internen Strahlungselementen 46a bereitgestellte elektromagnetische Strahlung bestrahlt. Beim Durchströmen des zweiten Teilbereichs 38a des Außenbereichs 32a wird das Medium durch die externen Strahlungselemente 56a durch den Wandungsbereich 44a hindurch bestrahlt. Das Medium, welches in dem kontinuierlichen Betrieb von extern über den Einlass 62a in den Innenbereich 30a zugeführt wird, beinhaltet zumindest ein Reaktant zur Durchführung einer photochemischen Reaktion und kann mehrere verschiedene Reaktanden und/oder zumindest einen Katalysator zur Katalyse der photochemischen Reaktion beinhalten. Beim Durchlaufen des Reaktionsraums 12a ändert sich eine Zusammensetzung, aufgrund der durch die elektromagnetische Strahlung initiierten photochemischen Reaktion, zumindest teilweise oder vollständig. Das Medium, welches in dem kontinuierlichen Betrieb von extern über den Auslass 64a nach extern abgeführt wird, beinhaltet zumindest ein Produkt der photochemischen Reaktion und kann insbesondere mehrere Produkte der photochemischen Reaktion, teilweise nicht abreagierte Reaktanten und/oder zu regenerierenden Katalysator beinhalten. Beispielsweise kann die Photoreaktorvorrichtung 10a zur Durchführung einer photochemischen Depolymerisation von Polyethylenterephthalat (PET) vorgesehen sein, wobei in dem kontinuierlichen Betrieb mittels der Transfereinheit 20a kontinuierlich Medium, welches ein Lösungsmittel, beispielsweise Wasser und/oder Ethanol, in dem Lösungsmittel suspendiertes und/oder gelöstes PET und einen Katalysator, beispielsweise Titandioxid, beinhaltet, über den Einlass 62a von extern in den Innenbereich 30a zugeführt und über den Auslass 64a kontinuierlich Medium, welches Terephthalsäure und Ethylenglycol als Produkte sowie gegebenenfalls weitere Bestandteile beinhaltet, nach extern abgeführt wird.
Die Photoreaktorvorrichtung 10a weist einen weiteren Einlass 70a auf, welcher als ein weiteres Verbindungsrohr ausgebildet ist und den Innenbereich 30a fluidtechnische mit extern verbindet. Über den weiteren Einlass 70a kann kontinuierlich oder diskontinuierlich ein weiteres Medium oder ein weiterer Bestandteil des Mediums, beispielsweise ein weiterer Reaktand oder ein Katalysator, in den Reaktionsraum 12a zugeführt werden. Die Photoreaktorvorrichtung 10a weist einen weiteren Auslass 72a auf. Der weitere Auslass 72a ist an einer Unterseite des Reaktorraums 12a angeordnet und kann beispielsweise dazu verwendet werden nach dem kontinuierlichen Betrieb in dem Reaktorraum 12a verbliebenes Medium abzulassen.
2 zeigt ein schematisches Verfahrensfließbild zur Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb der Photoreaktorvorrichtung 10a. Das Verfahren umfasst zumindest zwei Verfahrensschritte 52a, 54a. In einem ersten Verfahrensschritt 52a des Verfahrens wird kontinuierlich Medium von extern in den Reaktionsbehälter 12a zugeführt und zwar mittels der Transfereinheit 20a. Das Medium wird in dem ersten Verfahrensschritt 52a kontinuierlich durch zumindest einen mittels der Bestrahlungseinheit 18a bestrahlten Bereich 50a geleitet. In einem anschließenden zweiten Verfahrensschritt 54a des Verfahrens wird kontinuierlich Medium aus dem Reaktionsbehälter 12a nach extern abgeführt.
In den 3 bis 5 sind drei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 und 2, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 3 bis 5 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis d ersetzt.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Photoreaktorvorrichtung 10b in einer schematischen Darstellung. Die Photoreaktorvorrichtung 10b weist einen Reaktorraum 12b zur Aufnahme zumindest eines Mediums (nicht dargestellt) auf. In Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel der Photoreaktorvorrichtung 10a ist der Reaktorraum 12b der Photoreaktorvorrichtung 10b als ein Rohreaktor 16b ausgebildet.
Die Photoreaktorvorrichtung 10b weist eine Bestrahlungseinheit 18b zur Bestrahlung des Mediums in dem Reaktorraum 12b auf. Die Bestrahlungseinheit 18b ist dazu vorgesehen das Medium von extern durch den durchlässigen Rohreaktor 16b hindurch zu bestrahlen. Die Bestrahlungseinheit 18b weist zumindest ein externes Strahlungselement 56b auf, welches außerhalb des Reaktorraums 12b angeordnet ist. Vorliegend weist die Bestrahlungseinheit 18b vier externe Strahlungselemente 56b zur externen Bestrahlung des Mediums auf.
Der Reaktorraum 12b weist zumindest einen für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Wandungsbereich 44b auf. Vorliegend ist der Reaktorraum 12b als ein für elektromagnetische Strahlung durchlässiger Rohreaktor 16b ausgebildet. Eine Wandung 60b des Reaktorraums 12b ist aus einem für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Material, beispielsweise aus Glas oder einem transparenten Kunststoff wie Polycarbonat, ausgebildet.
Die Photoreaktorvorrichtung 10b weist eine Transfereinheit 20b mit zumindest einer Transferpumpe 48b auf. Die Transfereinheit 20b führt in einem kontinuierlichen Betrieb der Reaktorvorrichtung 10b das Medium in den Reaktorraum 12b von extern über einen Einlass 62b kontinuierlich zu und führt das Medium aus dem Reaktorraum 12b über einen Auslass 64b nach extern kontinuierlich ab.
Die Photoreaktorvorrichtung 10b weist eine Umwälzeinheit 40b auf. Die Umwälzeinheit 40b umfasst zumindest ein Umwälzelement 42b zur Umwälzung des Mediums in dem Reaktorraum 12b. Vorliegend ist die Umwälzeinheit 40b Teil der Transfereinheit 20b, wobei die Transfereinheit 48b zugleich als Umwälzelement 42b fungiert. Die Umwälzeinheit 40b weist zumindest ein weiteres Umwälzelement 90b auf. Vorliegend ist das weiter Umwälzelement 90b als zumindest eine Windung 92b des Reaktorraums 12b ausgebildet. Durch die als weiteres Umwälzelement 90b ausgebildete Windung 92b kann vorteilhaft eine verbesserte Durchmischung erreicht und die Gefahr einer Bildung von Toträumen verringert werden. Vorliegend ist der Reaktorraum 12b aufgrund der zumindest einen Windung 92b mäanderförmig ausgebildet. Alternativ wäre jedoch auch ein spiralförmig ausgebildeter Reaktorraum mit zumindest einer Windung denkbar (nicht dargestellt).
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Photoreaktorvorrichtung 10c in einer schematischen Darstellung. Die Photoreaktorvorrichtung 10c weist einen Reaktorraum 12c zur Aufnahme zumindest eines Mediums (nicht dargestellt) und zur Durchführung photochemischer Reaktionen auf. Der Reaktorraum 12c ist als ein Rohrreaktor 16c ausgebildet. Der Rohrreaktor 16c weist eine Wandung 60c auf, welche als eine Außenwandung 74c ausgebildet ist. Die Photoreaktorvorrichtung 10c weist einen Innenzylinder 78c auf, welche radial beabstandet zu der Außenwandung 74c in dem Rohreaktor 16c angeordnet ist.
Die Photoreaktorvorrichtung 10c weist eine Bestrahlungseinheit 18c zur Bestrahlung des Mediums in dem Reaktorraum 12c auf. Die Bestrahlungseinheit 18c weist zumindest ein in dem Reaktorraum 12c angeordnetes internes Strahlungselement 46c auf. Vorliegend weist die Bestrahlungseinheit 18c zwei interne Strahlungselemente 46c auf, welche innerhalb des Reaktorraums 12c angeordnet sind. Vorliegend sind die internen Strahlungselemente 46c in einem Ringraum 80c, zwischen der Außenwandung 74c und dem Innenzylinder 78c auf zueinander gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Der Innenzylinder 78c umfasst die Funktion eines Reflektors. In einem Betriebszustand der Photoreaktorvorrichtung 10c werden durch das interne Strahlungselement 46c ausgestrahlten Photonen bei durchtreten des Innenzylinders 78c fokussiert.
Die Photoreaktorvorrichtung 10c weist eine Transfereinheit 20c mit zumindest einer Transferpumpe 48c auf. Die Transfereinheit 20c führt in einem kontinuierlichen Betrieb der Reaktorvorrichtung 10c das Medium in den Reaktorraum 12c von extern kontinuierlich über einen Einlass 62c zu und führt das Medium aus dem Reaktorraum 12c über einen Auslass 64c nach extern kontinuierlich ab. Der Einlass 62c und der Auslass 64c sind jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Rohrreaktors 16c angeordnet und jeweils mit dem Innenzylinder 78c verbunden. In dem kontinuierlichen Betrieb der Reaktorvorrichtung 10c führt die Transfereinheit 20c das Medium von extern kontinuierlich über den Einlass 62c in den innerhalb des Reaktorraums 12c angeordneten Innenzylinder 78c zu und kontinuierlich über den Auslass 64c aus dem Innenzylinder 78c nach extern ab, wobei das Medium nicht in den Ringraum 80c gelangt.
Die Photoreaktorvorrichtung 10c weist eine Umwälzeinheit 40c auf. Die Umwälzeinheit 40c umfasst zumindest ein Umwälzelement 42c zur Umwälzung des Mediums in dem Reaktorraum 12c. Vorliegend ist die Umwälzeinheit 40c Teil der Transfereinheit 20c, wobei die Transfereinheit 48c zugleich als Umwälzelement 42c fungiert. Die Umwälzeinheit 40c kann analog zu der Umwälzeinheit 40b der Photoreaktorvorrichtung 10b des vorhergehenden Ausführungsbeispiels zumindest ein weiteres Umwälzelement (nicht dargestellt) aufweisen, welches als zumindest eine Windung (nicht dargestellt) des Reaktorraums 12c ausgebildet ist.
Der Reaktorraum 12c weist zumindest einen für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Wandungsbereich 44c auf. Vorliegend ist eine Mantelfläche des Innenzylinders 78c als der für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Wandungsbereich 44c ausgebildet, sodass das Medium beim Durchströmen des Innenzylinders 78c durch die von den internen Strahlungselemente 46c der Bestrahlungseinheit 18c bereitgestellte elektromagnetische Strahlung bestrahlt wird.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Photoreaktorvorrichtung 10d gezeigt. Die Photoreaktorvorrichtung 10d umfasst zumindest einen Reaktorbehälter 14d zur Aufnahme eines Mediums (nicht dargestellt) und zumindest einen Rohrreaktor 16d zur Aufnahme des Mediums. Die Photoreaktorvorrichtung 10d umfasst ferner eine Bestrahlungseinheit 18d zur Bestrahlung des Mediums im Reaktorbehälter 14d und im Rohrreaktor 16d. Die Photoreaktorvorrichtung 10d weist außerdem eine Transfereinheit 20d auf, welche in einem kontinuierlichen Betrieb das Medium zwischen dem Reaktorbehälter 14d und dem Rohreaktor 16d kontinuierlich austauscht. Die Photoreaktorvorrichtung 10d kann als eine Kombination aus der Photoreaktorvorrichtung 10a des in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiels und der Photoreaktorvorrichtung 10b des in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiels angesehen werden.
Die Bestrahlungseinheit 18d weist zumindest ein in dem Reaktorbehälter 14d angeordnetes internes Strahlungselement 46d, vorliegend insgesamt drei in dem Reaktorbehälter 14d angeordnete interne Strahlungselemente 46d, auf. Zudem weist die Bestrahlungseinheit 18d zumindest ein externes Strahlungselement 56d auf, welches außerhalb des Reaktorbehälters 14d und außerhalb des Rohreaktors 16d angeordnet ist. Vorliegend weist die Bestrahlungseinheit 18d insgesamt vier externe Strahlungselement 56d auf, wobei zwei der externen Strahlungselemente 56d außerhalb an dem Reaktorbehälter 14d und zwei der externen Strahlungselemente 56d außerhalb an dem Rohrrektor 16d angeordnet sind.
Die Photoreaktorvorrichtung 10d weist zumindest einen Einlass 62d auf, über welchen in dem kontinuierlichen Betrieb der Photoreaktorvorrichtung 10d das Medium in den Reaktorbehälter 14d von extern mittels einer Transferpumpe 48d der Transfereinheit 20a kontinuierlich zugeführt wird. Die Photoreaktorvorrichtung 10d weist zumindest einen Auslass 64d auf, über welchen in dem kontinuierlichen Betrieb der Reaktorvorrichtung 10d das Medium aus dem Rohreaktor 12d nach extern mittels der Transferpumpe 48d Transfereinheit 20a kontinuierlich abgeführt wird.
Die Photoreaktorvorrichtung 10d weist eine innerhalb des Reaktionsbehälters 14d angeordnete Trenneinheit 22d zur Trennung des Reaktionsbehälters 14d in einen ersten Bereich 24d und in einen zweiten Bereich 26d auf. Die Trenneinheit 22d weist ein Leitrohr 28d auf, welches den ersten Bereich 24d welcher als ein Innenbereich 30d ausgebildet ist, von dem zweiten Bereich 26d, welcher als ein Außenbereich 32d ausbildet ist, trennt. Die internen Strahlungselemente 56a der Bestrahlungseinheit 18a sind an dem Leitrohr 28d angeordnet. Der Einlass 62d ist als ein Verbindungsrohr ausgebildet, welches an das Leitrohr 28d angeschlossen ist und den Innenbereich 30d fluidtechnisch mit extern verbindet. Der Auslass 64d ist in einem unteren Bereich des Reaktorraums 14d angeordnet und verbindet den Außenbereich 32d fluidtechnisch mit extern.
Die Photoreaktorvorrichtung 10d weist einen weiteren Einlass 70d auf, über welchen der Reaktorraum 14d fluidtechnisch mit dem Rohrreaktor 16d verbunden ist. Der weiter Einlass 70d ist in einem oberen Bereich des Reaktorraums 14d angeordnet. Die Photoreaktorvorrichtung 10d weist einen weiteren Auslass 72d auf, über welchen der Reaktorraum 14d fluidtechnisch mit dem Rohrreaktor 16d verbunden ist. Der weitere Auslass 72d verbindet den Außenbereich 32d des Reaktorbehälters 14d fluidtechnisch mit dem Rohrreaktor 16d. Die Transfereinheit 20d weist eine weitere Transferpumpe 82d auf. Die weitere Transferpumpe 82d ist zwischen dem weiteren Auslass 72d und dem Rohreaktor 16d angeordnet. In dem kontinuierlichen Betrieb der Photoreaktorvorrichtung 10d tauscht die Transfereinheit 20d kontinuierlich Medium zwischen dem Reaktorbehälter 14d und dem Rohrreaktor 16d aus, indem die weitere Transferpumpe 82d über den weiteren Auslass 72d kontinuierlich Medium aus dem Innenbereich 30d des Reaktorbehälters 14d absaugt, dieses durch den Rohrreaktor 16d hindurchleitet und über den weiteren Einlass 70d in den Außenbereich 32d des Reaktorbehälters 14d pumpt. Ein Strömungsverlauf des Mediums durch den Reaktorraum 12d ist in der 5 durch Pfeile 88d dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber nur einer der Pfeile 88d mit einem Bezugszeichen versehen ist.
Die Photoreaktorvorrichtung 10d weist zumindest einen weiteren Auslass 94d auf, welcher in einem unteren Bereich des Reaktorraums 14d angeordnet und den Außenbereich 32d fluidtechnisch mit extern verbinden kann, beispielsweise um nach einem Betrieb der Photoreaktorvorrichtung 10d in dem Leitrohr 28d verbliebenes Medium abzulassen. Der weiter Auslass 94 kann alternativ zu dem weitern Auslass 72d auch fluidtechnisch mit dem Rohrreaktor 16d verbunden werden.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Photoreaktorvorrichtung 10e. Die Photoreaktorvorrichtung 10e weist zumindest einen Reaktorraum 12e zur Aufnahme zumindest eines Mediums (nicht dargestellt) und zur Durchführung photochemischer Reaktionen auf. Die Photoreaktorvorrichtung 10e weist ein Transfereinheit 20e auf, welche in einem kontinuierlichen Betrieb das Medium in den Reaktorraum 12e von extern kontinuierlich zuführt und welche das Medium aus dem Reaktorraum 12e nach extern kontinuierlich abführt. Der Reaktorraum 12e ist als ein Rohrreaktor 16e ausgebildet. Die Transfereinheit 20e weist zumindest eine, vorliegend genau eine, Transferpumpe 48e auf.
Vorliegend weist die Photoreaktorvorrichtung 10e eine Vielzahl von zueinander im Wesentlichen identischen Reaktorräumen 12e auf, welche jeweils als Rohrreaktoren 16e ausgebildet sind. Vorliegend führt die Transfereinheit 20e in dem kontinuierlichen Betrieb das Medium in zumindest einen der Reaktorräume 12e, vorzugsweise jeweils ein Teilvolumen des Mediums in jeden der Reaktorräume 12e, von extern kontinuierlich zu und das Medium aus zumindest einem der Reaktorräume 12e, vorzugsweise jeweils ein Teilvolumen des Mediums aus jedem der Reaktorräume 12e, nach extern kontinuierlich ab.
Von mehrfach vorhandenen Objekten ist in der 6 jeweils nur eines mit einem Bezugszeichen versehen. In der 6 sind beispielhaft insgesamt zehn im Wesentlichen identische Reaktorräume 12e dargestellt. Alternativ könnte die Photoreaktorvorrichtung 10e jedoch auch eine höhere oder geringere Anzahl von im Wesentlichen identischen Reaktorräumen 12e aufweisen.
Die Photoreaktorvorrichtung 10e weist einen Eingangsflansch 84e auf. Die Photoreaktorvorrichtung 10e weist zumindest einen, vorliegend genau einen, Einlass 62e auf, welcher an dem Eingangsflansch 84e angeordnet ist. Die als Rohrreaktoren 16e ausgebildeten Reaktorräume 12e sind jeweils an einer ersten Seite mit dem Eingangsflansch 84e verbunden.
Die Photoreaktorvorrichtung weist einen Ausgangsflansch 86e auf. Die Photoreaktorvorrichtung 10e weist zumindest einen, vorliegend genau einen, Auslass 64e auf, welcher an dem Ausgangsflansch 86e angeordnet ist. Die als Rohrreaktoren 16e ausgebildeten Reaktorräume 12e sind jeweils an einer zweiten Seite mit dem Ausgangsflansch 84e verbunden.
Die Photoreaktorvorrichtung 10e weist eine Bestrahlungseinheit 18e zur Bestrahlung des Mediums auf. Die Bestrahlungseinheit 18e weist eine Vielzahl von internen Strahlungselementen 46e auf, wobei jeweils eines der internen Strahlungselemente 46e in einem der Rohrreaktoren 16e angeordnet ist. Die internen Strahlungselemente 46e sind jeweils an dem Ausgangsflansch befestigt und ragen in die jeweiligen Rohrreaktoren 16e hinein.
In dem kontinuierlichen Betrieb der Photoreaktorvorrichtung 10e führt die Transfereinheit 20e das Medium kontinuierlich über den Einlass 62e in den Eingangsflansch 84e und von dort in die Reaktorräume 12e zu, wobei das Medium kontinuierlich durch zumindest einen mittels der internen Bestrahlungselement 46e der Bestrahlungseinheit 18e bestrahlten Bereich 50e innerhalb der Reaktorräume 12e geleitet wird. In dem kontinuierlichen Betrieb der Photoreaktorvorrichtung 10e führt die Transfereinheit 20e das Medium kontinuierlich aus den Reaktorräumen 12e über den Ausgangsflansch 86e und von dort über den Auslass 64e nach extern ab.
Die Photoreaktorvorrichtung 10e kann eigenständig betrieben werden. Denkbar wäre auch eine Kombination aus der Photoreaktorvorrichtung 10e mit der Photoreaktorvorrichtung 10d aus dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, wobei der einzelne Rohrreaktor 16d durch die Photoreaktorvorrichtung 10e mit der Vielzahl von Rohreaktoren 16e ersetzt werden könnte.
Bezugszeichenliste

10: Photoreaktorvorrichtung
12: Reaktorraum
14: Reaktorbehälter
16: Rohrreaktor
18: Bestrahlungseinheit
20: Transfereinheit
22: Trenneinheit
24: erster Bereich
26: zweiter Bereich
28: Leitrohr
30: Innenbereich
32: Außenbereich
34: Leitblech
36: erster Teilbereich
38: zweiter Teilbereich
40: Umwälzeinheit
42: Umwälzelement
44: Wandungsbereich
46: internes Strahlungselement
48: Transferpumpe
50: bestrahlter Bereich
52: erster Verfahrensschritt
54: zweiter Verfahrensschritt
56: externes Strahlungselement
58: Bestrahlungsfenster
60: Wandung
62: Einlass
64: Auslass
66: Rührelement
68: Antriebseinheit
70: weiterer Einlass
72: weiterer Auslass
74: Absperrventil
76: Außenwandung
78: Innenzylinder
80: Ringraum
82: weitere Transferpumpe
84: Eingangsflansch
86: Ausgangsflansch
88: Pfeil
90: weiteres Umwälzelement
92: Windung
94: weiterer Auslass

Claims

Photoreaktorvorrichtung (10a; 10b; 10c; 10d; 10e) mit zumindest einem Reaktorraum (12a; 12b; 12c; 12d, 12e), insbesondere Reaktorbehälter (14a; 14b) und/oder Rohrreaktor (16b; 16c; 16d, 16e), zur Aufnahme zumindest eines Mediums und mit zumindest einer Bestrahlungseinheit (18a; 18b; 18c; 18d, 18e) zur Bestrahlung des Mediums im Reaktorraum (12a; 12b; 12c; 12d, 12e), gekennzeichnet durch eine Transfereinheit (20a; 20b; 20c; 20d, 20e), welche in einem kontinuierlichen Betrieb das Medium in den Reaktorraum (12a; 12b; 12c; 12d, 12e) von extern kontinuierlich zuführt und welche das Medium aus dem Reaktorraum (12a; 12b; 12c; 12d, 12e) nach extern kontinuierlich abführt.
Photoreaktorvorrichtung (10a, 10d) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine innerhalb des Reaktorraums (12a; 12d) angeordnete Trenneinheit (22a, 22d) zur Trennung des Reaktorraums (12a; 12d) in einen ersten Bereich (24a; 24d) und einen zweiten Bereich (26a; 26d).
Photoreaktorvorrichtung (10a; 10d) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinheit (22a; 22d) ein Leitrohr (28a; 28d) aufweist, welches den als Innenbereich (30a; 30d) ausgebildeten ersten Bereich (24a; 24d) von dem als Außenbereich (32a; 32d) ausgebildeten zweiten Bereich (26a; 26d) trennt.
Photoreaktorvorrichtung (10a; 10d) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transfereinheit (20a; 20d) das Medium kontinuierlich in den Innenbereich (30a; 30d) von extern zuführt.
Photoreaktorvorrichtung (10a; 10d) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transfereinheit (20a; 20d) das Medium kontinuierlich aus dem Außenbereich (32a; 32d) nach extern abführt.
Photoreaktorvorrichtung (10a; 10d) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinheit (20a; 20d) zumindest ein Leitbleich (34a; 34d) aufweist, welches den zweiten Bereich (26a, 26d) in zumindest zwei Teilbereiche (36a, 38a; 36d, 38d) unterteilt.
Photoreaktorvorrichtung (10a; 10b; 10c; 10d; 10e) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Umwälzeinheit (40a; 40b; 40c; 40d; 40e) mit zumindest einem Umwälzelement (42a, 42b; 42c; 42d, 42e) zur Umwälzung des Mediums in dem Reaktorraum (12a; 12b; 12c; 12d, 12e).
Photoreaktorvorrichtung (10a; 10b; 10c; 10d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorraum (12a; 12b; 12c; 12d) zumindest einen für elektromagnetische Strahlung der Bestrahlungseinheit (18a; 18b; 18c; 18d) durchlässigen Wandungsbereich (44a; 44b; 44c; 44d) aufweist.
Photoreaktorvorrichtung (10b) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorraum (12b) als ein für die elektromagnetische Strahlung der Bestrahlungseinheit (18b) durchlässiger Rohrreaktor (16b) ausgebildet ist.
Photoreaktorvorrichtung (10b) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinheit (18b) dazu vorgesehen ist, das Medium von extern durch den durchlässigen Rohrreaktor (16b) hindurch zu bestrahlen.
Photoreaktorvorrichtung (10a; 10c; 10d; 10e) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinheit (18a; 18c; 18d, 18e) zumindest ein innerhalb des Reaktorraums (12a; 12c; 12d, 12e) angeordnetes internes Strahlungselement (46a; 46c, 46d, 46e) aufweist.
Photoreaktorvorrichtung (10a; 10b; 10c; 10d; 10e) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transfereinheit (20a; 20b; 20c; 20d; 20e) zumindest eine Transferpumpe (48a; 48b; 48c; 48d; 48e) aufweist.
Photoreaktorvorrichtung (10d), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einem Reaktorbehälter (14d) zur Aufnahme zumindest eines Mediums, mit zumindest einem Rohrreaktor (16d) zur Aufnahme des Mediums, mit zumindest einer Bestrahlungseinheit (18d) zur Bestrahlung des Mediums im Reaktorbehälter (14d) und im Rohrreaktor (16d) und mit einer Transfereinheit (20d), welche in einem kontinuierlichen Betrieb das Medium zwischen dem Reaktorbehälter (14d) und dem Rohreaktor (16d) kontinuierlich austauscht.
Verfahren zum Betrieb einer Photoreaktorvorrichtung (10a; 10b; 10c; 10d; 10e), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit zumindest einem Reaktionsraum (12a; 12b; 12c; 12d; 12e) zur Aufnahme zumindest eines Mediums und mit zumindest einer Bestrahlungseinheit (18a; 18b; 18c; 18d; 18e) zur Bestrahlung des Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierlich Medium von extern in den Reaktionsbehälter (12a; 12b; 12c; 12d; 12e) zugeführt und kontinuierlich Medium aus dem Reaktionsbehälter (12a; 12b; 12c; 12d; 12e) nach extern abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium kontinuierlich durch zumindest einen mittels der Bestrahlungseinheit (18a; 18b; 18c; 18d; 18e) bestrahlten Bereich (50a; 50b; 50c; 50d; 50e) geleitet wird.