DE10242797A1

DE10242797A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Phasenumwandlung von Stoffen

Info

Publication number: DE10242797A1
Application number: DE2002142797
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Nagel; Manfred Dr. Dannehl; Britta Dr. Helfgen
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2002-09-14
Filing date: 2002-09-14
Publication date: 2004-03-25

Abstract

Verfahren zur strahlungsinduzierten Phasenumwandlung von Stoffen oder Stoffgemischen, wobei man den Stoff oder das Stoffgemisch in einem Reaktor bewegt, mittels einer elektromagnetischen Strahlungsquelle bestrahlt und das Produkt aus dem Reaktor entfernt. DOLLAR A Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur strahlungsinduzierten Phasenumwandlung, umfassend einen Reaktor mit einer behälter- oder rohrförmigen Reaktorwand, Vorrichtungen zum Zuführen und Entnehmen des umzuwandelnden Stoffes oder Stoffgemisches in beziehungsweise aus dem Reaktor und eine elektromagnetische Strahlungsquelle außerhalb des Reaktors, wobei die Strahlungsquelle ein Infrarot (IR)-, sichtbares Licht (VIS)-, Ultraviolett (UV-Strahler) oder Mikrowellenstrahler ist, DOLLAR A die Reaktorwand zumindest in einem Bereich aus einem strahlungsdurchlässigen Material besteht, DOLLAR A der Strahler geschützt vom Produkt angeordnet ist, DOLLAR A die Strahlungswärme berührungslos übertragen und direkt im Produkt eingekoppelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur strahlungsinduzierten Phasenumwandlung von Stoffen oder Stoffgemischen.

Es ist bekannt, Aluminiumtrichlorid zu verdampfen, indem man einen U-förmigen Trog mit flachen Stirnwänden, der von außen mittels Heizstäben beheizt wird, verwendet ( DE 29 28 805 ).

Nachteiligerweise führt die aggressive Salzschmelze des Aluminiumtrichlorides durch Abrasion und Korrosion des Materials, aus dem der Trog sowie die rotierenden Teile gefertigt sind, zur Verunreinigung des gewünschten gasförmigen Aluminiumtrichlorides.

Das bekannte Verfahren hat weiterhin den Nachteil, daß um einen entsprechenden Durchsatz erzielen zu können, und um eine ausreichend große Wärmemenge sowie Oberfläche für die Phasenwandlung zur Verfügung stellen zu können, ein sehr großes Apparatevolumen zur Verfügung gestellt werden muß. Die damit verbundenen langen Reaktionszeiten zum An- und Abfahren des Apparates wirken sich nachteilig auf das dynamische Verhalten des Systems aus.

Die Handhabung des großen Apparatevolumens erfordert weiterhin ein aufwendiges sicherheitstechnisches Konzept, um zum Beispiel Überdruck, hervorgerufen zum Beispiel durch geschlossene Armaturen bei gleichzeitig betriebenem Heizsystem oder Verkrustung beziehungsweise Blockierung beweglicher, nicht ausreichend beheizter Steuerventile durch Desublimation, zu vermeiden.

Zusätzlich müssen Antriebswellen gasdicht nach außen abgedichtet sein, was nur mit konstruktivem Aufwand und aufwendiger Betreuung zu erreichen ist.

Weitere bekannte Apparatekonzepte beruhen auf rotierenden Teilen im Inneren eines Reaktors ( US 5,711,089 , DE 196 13 125 C1 ), die ebenfalls die Nachteile wie Abrasion beziehungsweise Korrosion aufweisen. Weitere bekannte nach außen offene Systeme ( DE 199 04 196 C1 ) sind für aggressive und korrosive Metallsalze ebenfalls nicht geeignet.

Es bestand somit die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die diese Nachteile nicht aufweisen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur strahlungsinduzierten Phasenumwandlung von Stoffen oder Stoffgemischen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man den Stoff oder das Stoffgemisch in einem Reaktor bewegt, mittels einer elektromagnetischen Strahlungsquelle bestrahlt, die Strahlungsenergie ohne Trägermedium berührungsfrei in das Produkt einkoppelt und dieses in die andere energiereichere Phase überführt und das Produkt in geeigneter Form aus dem Reaktor entfernt beziehungsweise seiner Verwendung zuführt.

Der Stoff oder das Stoffgemisch können als feste Phase, zum Beispiel in granularer Form, als flüssige Phase oder als Suspension in den Reaktor eingebracht werden.

Unter Phasenumwandlung wird die Umwandlung eines Stoffes oder Stoffgemisches verstanden, die dieser erfährt, wenn ihm Energie zugeführt wird.

Phasenumwandlung kann daher insbesondere das Verdampfen, das Sublimieren, das Schmelzen, das Trocknen, und/oder die Bildung von Aerosolen, das heißt einer Mischung aus gasförmiger Phase und flüssiger Phase, bedeuten.

Die Bewegung des Stoffes oder des Stoffgemisches kann durch Rotation des Reaktors, durch Schwingung des Reaktors oder mittels Durchströmen des Stoffes oder Stoffgemisches erfolgen.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Phasenumwandlung in einem Reaktor mit besonderer Atmosphäre, das heißt Vakuum, Normaldruck oder Überdruck erfolgen. Die Gasatmosphäre und der Gasdruck kann frei gewählt werden.

Die Übertragung der Strahlungsenergie erfolgt berührungslos und ohne Trägermedium.

Die Wand des Reaktors kann aus Glas, Quarzglas oder zum Beispiel aus dicht gesintertem Al₂O₃ bestehen. Sie muß jedoch für die eingesetzte elektromagnetische Strahlung transparent sein. Die Reaktorwandtemperatur kann deutlich unter der Produkttemperatur sein.

Die Reaktorwand ist strahlungstransparent. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besitzt die strahlungstransparente Wand des Reaktors die Ausführungsform eines Glasfensters. Die Temperatur des bestrahlten Stoffes oder Stoffgemisches kann 0 bis 2800°C betragen. Der Stoff oder das Stoffgemisch kann mittels eines Levitators (Induktion, Licht, Schall) in Schwebe gehalten werden.

Elektromagnetische Strahlungsquellen können Mikrowelle, Radiostrahlung (zum Beispiel UKW) sowie ferne IR- bis ferne UV-Strahlung sein. Die Materialien des Reaktors sind dann hinsichtlich Strahlungstransparenz entsprechend anzupassen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur strahlungsinduzierten Phasenumwandlung von Stoffen oder Stoffgemischen, umfassend einen Reaktor mit einer behälter- oder rohrförmigen Reaktorwand, Vorrichtungen zum Zuführen und Entnehmen des umzuwandelnden Stoffes oder Stoffgemisches in beziehungsweise aus dem Reaktor und eine elektromagnetische Strahlungsquelle außerhalb des Reaktors, wobei die Strahlungsquelle ein Infrarot (IR)-, sichtbares Licht (VIS)-, Ultraviolett (UV)-Strahler, ein Radiowellenstrahler oder ein Mikrowellenstrahler sein kann, die Reaktorwand zumindest in einem Bereich aus einem strahlungsdurchlässigen Material besteht, der Strahler geschützt vom Produkt, zum Beispiel an der Außenseite der Reaktorwand im Bereich des strahlungsdurchlässigen Bereichs, angeordnet ist, die Strahlungsenergie direkt im Produkt, das heißt ohne Trägermedium, eingekoppelt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Aufreinigung von zum Beispiel sublimierenden Feststoffen und Mehrkomponentensystemen aufgrund unterschiedlicher Phasenübergangstemperaturen möglich.

Die Strahlungsenergie kann gezielt und fokussiert mit hoher Leistungsdichte auf das im Reaktor befindliche Produkt berührungslos, das heißt ohne Trägermedium, übertragen werden, wodurch sehr viel kleinere Reaktorvolumina als bei bekannten Prozessen möglich sind. Dadurch wird ein kleinerer Holdup möglich und gefährliche Stoffe beziehungsweise Reaktionen erst handhabbar.

Die Reaktorwandtemperatur kann bei Bedarf unter der Sublimations-, Verdampfungs-, Reaktionstemperatur der eingesetzten Stoffe oder Stoffgemische oder kalt gehalten werden. Es ist eine Steuer- und Regelbarkeit des Energieeintrags möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können zur physikalischen Phasenumwandlung, insbesondere zur Verdampfung zur Sublimation von Metallsalzen, Metallnitraten und/oder Metallalkoholaten und anderen verdampfbaren Metallorganoverbindungen eingesetzt werden.

Als Strahlerquelle können eingesetzt werden: NIR-, IR-Strahlungsquellen (Wellenlänge λ = 500 μm–750 nm), wie elektrische Lampen beziehungsweise Keramikstrahler, gasbeheizte Katalyt- oder Oberflächenstrahler, gas-/ölbeheizte Porenbrenner
VIS-Lampen (Wellenlänge λ = 380 nm–750 nm)
UV-Lampen (Wellenlänge λ = 380 nm–172 nm)
Mikrowellenstrahler (Frequenzen ω = 900 MHz – 140 GHz), wie zum Beispiel Magnetrons und Gyrotrons.

Als Reaktoren können die folgenden Reaktortypen eingesetzt werden:
Reaktortypen, die keine bewegten Teile, die durch die phasenumzuwandelnden Stoffe oder Stoffgemische korrosiv angegriffen werden, und so zur Kontamination des hergestellten Produktes führen, aufweisen.

Reaktor für Normal-, Über- und Unterdruck, wobei im Reaktor definierte Gasatmosphären (zum Beispiel Inertgas, Luft, Sauerstoff) einstellbar sind.

Rohr-Reaktor mit externer Vorrichtung zum Vermischen und Fördern:
Reaktor mit mechanischen Vorrichtungen zum Durchmischen wie zum Beispiel (Schwing-/Rüttelvorrichtung, Drehrohr, Schwingförderer

Wirbelschicht-, Festbett-, Blasensäulen-Reaktor:
Reaktor mit Vorrichtungen zum Durchmischen des umzuwandelnden Stoffes/-Gemischs durch Durchströmen des Stoffes oder Stoffgemisches durch den Reaktor wie zum Beispiel Durchflußreaktor, wie Blasensäule mit oder ohne Füllkörper, Rieselbettreaktor; Wirbelschichtreaktor, Fallturm.

Reaktor mit zusätzlichen Vorrichtungen zum Wärmeeintrag zusätzlich zum IR-/UV-Strahler (= Hybridreaktor).

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise verwendet werden zum Verdampfen von Metallhalogenen, wie zum Beispiel SiCl₄, TiCl₄, SnCl₄, VdCl₄; Metall-Nitraten, Metall-Alkoholaten; zum Sublimieren von Feststoffen, wie zum Beispiel Metallsalze aus der Reihe der Metallhalogene AlCl₃, ZrCl₄, NbCl₄, InCl₃, FeCl₃; zum Schmelzen und gegebenenfalls anschließendem Verdampfen von Feststoffen, wie zum Beispiel Metallsalze aus der Reihe YCl₃, SnCl₂, NbCl₅, FeCl₂; zum Initiieren von chemischen Reaktionen Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Energie gezielt mit hoher Energiedichte ohne Trägermedium im Produkt gekoppelt werden, wobei durch die Energiedissipation das Produkt erwärmt wird.

Erfindungsgemäß lassen sich schnelle Reaktionszeiten zum Steuern des Prozesses aufgrund eines geringen Holdup's und der guten Regelbarkeit der Strahlungsquelle erzielen.

Es lassen sich vorteilhafterweise kritische Produkte, die zum Beispiel nicht brennbar, aggressiv, korrosiv, abrasiv, gesundheitsschädlich oder explosiv sein können, handhaben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Produkte herstellen, die arm an Verunreinigungen sind.

Erfindungsgemäße Vorrichtungen zur strahlungsinduzierten Phasenumwandlung werden in der Zeichnung näher erläutert und beschrieben.

Es zeigen 1 einen IR-Förderrohr-Reaktor und 2 einen IR-Festbett/Wirbelschicht-Reaktor.

Gemäß 1 werden der Stoff oder das Stoffgemisch mittels der Dosiervorrichtung 1 über die Schleuse 2 dem Reaktor 3 zudosiert. Es fällt als Produkt zur Wärmebehandlung 4 auf den Boden des Reaktors 3 und wird mittels Schwingförderer 6 zu der Ab-Produkt-Ausschleusung 7 transportiert. Ein in der Regel beheizter Gasstrom 5 kann zusätzlich durch den Reaktor geschleust und zum Abtransport der gasförmigen Produkte genutzt werden.

Während des Transportes des eindosierten Stoffes oder Stoffgemisches findet die Phasenumwandlung des Produkts mittels der IR-Strahlermodule 8, die über die Vorrichtung 9 angesteuert werden, statt.

Der Produktgasstrom 10 wird über die begleitbeheizte Transportleitung 11 aus dem Reaktor ausgeschleust und seiner Verwendung zugeführt.

Gemäß 2 wird der Stoff oder das Stoffgemisch mittels der Dosiervorrichtung 12 über die Schleuse 13 dem IR-transparenten Reaktor 14 zudosiert. Es fällt als Stoff oder Stoffgemisch zur Wärmebehandlung mittels Festbett, Wirbelschicht oder Blasensäule 15 entgegen dem Transportgasstrom 16 auf den Anströmboden 17, wobei bei Bedarf der Überschuß des Stoffes oder des Stoffgemisches 15 über die Ausschleusevorrichtung 18 ausgeschleust werden kann.

Der Stoff oder das Stoffgemisch 15 wird mittels dem Transportgasstrom 16 in Richtung IR-Strahler-Module 19, die über die Vorrichtung 20 gesteuert werden und den Stoff oder das Stoffgemisch 15 verdampfen beziehungsweise sublimieren, in Bewegung gehalten.

Der Produktgasstrom 21 wird über die begleitbeheizte Transportleitung 22 aus dem Reaktor ausgeschleust.

Gemäß 1

Indexliste für IR-Förderrohr-Reaktor

2: Schleuse
3: IR-transparenter Reaktor
4: Produkt zur Wärmebehandlung
5: Transportgasstrom
6: Schwingungsantrieb
7: Ab-Produkt-Ausschleusung
8: IR-Strahlermodule
9: Elektrische Ansteuerung für die IR-Strahlermodule
10: Produkt-Gasstrom
11: Begleitbeheizte Transportleitung

Gemäß 2

Indexliste für IR-Festbett/Wirbelschicht-Reaktor

12: Dosiervorrichtung
13: Schleuse
14: IR-transparenter Reaktor
15: Stoff oder Stoffgemisch zur Wärmebehandlung mittels
: Festbett, Wirbelschicht oder Blasensäule
16: Transportgasstrom
17: Anströmboden
18: Ausschleusevorrichtung
19: IR-Strahlermodule
20: Elektrische Ansteuerung für die IR-Strahlermodule
21: Produkt-Gasstrom
22: Begleitbeheizte Transportleitung

Beispiel 1
Im Falle des IR-Förderrohr-Reaktors (siehe 1) wird aus einem Vorlagebehälter heraus über einen gravimetrischen Schneckendosierer 1, mittels Schleuse 2 (zum Beispiel Zellradschleuse) – welche eine Abdichtung gegenüber dem Reaktionsraum ermöglicht – der Fördereinrichtung AlCl₃ zugeführt. Der horizontal gelagerte Reaktor 3 ist gegenüber der IR-Strahlungsquelle transparent. Der zur Phasenumwandlung vorgesehene Stoff 4 wird mittels Schwingförderprinzip durch den Reaktionsraum geleitet. Der Glasreaktor ist dabei fest mit einem Schwingförderer 6 verbunden. Der Schwingförderer besteht aus einem auf Federn gelagerten Förderkanal beziehungsweise -rohr und einem Elektromotor mit Unwuchtgewichten, der die Schwingbewegung erzeugt. Das Förderrohr wird durch die Schwingungen vor – aufwärts und zurück – abwärts bewegt. Die Teilchen können nur die vor – aufwärts – Bewegung mitmachen, so daß sich das Schüttgut in eine fließende Vorwärtsbewegung versetzt. Der Partikelbewegung ist gegebenenfalls ein unabhängiger bei Bedarf beheizter Spül- oder Transportgasstrom 5 überlagert. Die verwendeten IR-Strahlermodule 8, welche über eine elektrische Ansteuerung 9 gezielt regelbar sind, erzeugen elektromagnetische Strahlungsenergie, welche durch die für IR-Strahlung transparente Behälterwand geleitet direkt im Produkt einkoppelt und damit bei Umgebungsdruck eine Sublimation von AlCl₃ bei rund 180°C hervorruft. Teilchen, welche zum Beispiel aufgrund einer zu geringen Verweilzeit bei gegebenem Produktstrom nicht in die Gasphase übergehen, werden am Ende des bestrahlten Reaktorraums ausgeschleust. Zur weiteren Verwendung des gasförmigen AlCl₃ ist eine Desublimation und damit Verstopfung des Apparatesystems zu verhindern. Dies wird durch eine elektrische Begleitheizung 11 mit einer Temperatur über der Sublimationstemperatur (zum Beispiel 220 °C) gewährleistet.
Beispiel 2
Im Falle des Festbett/Wirbelschicht-Reaktors (siehe 2) wird aus einem Vorlagebehälter heraus über einen gravimetrischen Schneckendosierer 12, mittels Schleuse 13 (zum Beispiel Zellradschleuse), welche eine Abdichtung gegenüber dem Reaktionsraum ermöglicht, der Fördereinrichtung AlCl₃ zugeführt. Der vertikal angeordnete Reaktor 14 ist gegenüber der vorzugsweise verwendeten IR-Strahlungsquelle transparent.
Der zur Phasenwandlung vorgesehene Stoff 15 befindet sich in einem Fest- beziehungsweise Wirbelbett. Wenn eine Schüttschicht aus AlCl₃ von unten mit dem Transportgasstrom 16 durch einen porösen Boden 17 hindurch durchströmt wird, bleiben bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten die Partikel gegenseitig fixiert (Festbett). Dieser Betriebszustand läßt sich zur Sublimation von AlCl₃-Partikeln nutzen. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit lockert sich die Schicht auf, und die Partikel erlangen eine gewisse gegenseitige Beweglichkeit. Makroskapisch ähnelt das Verhalten der Schicht dann einer Flüssigkeit (Wirbelschichtprinzip). Man spricht von dem Fluidisieren der Schüttschicht. Das ursprüngliche Festbett wird zum Fließbett, die Schüttschicht zur Wirbelschicht. Durch Auflockerung der Partikel dehnt sich die Schicht im Vergleich zum Festbett aus. Auch dieser Betriebszustand läßt sich zur Sublimation von AlCl₃-Partikeln nutzen. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten des Transportgases werden Partikel ausgetragen (Bereich der pneumatischen Förderung). Dieser Betriebszustand läßt sich ebenfalls zur Sublimation von AlCl₃-Partikeln nutzen. Besonders bei breiten Partikelgrößenverteilungen verbleibt der Hauptbestandteil des gesamten Kollektivs im Zustand der Wirbelschicht. Ausgetragene feine Partikel lassen sich jedoch durch geeignete Abscheidevorrichtungen (zum Beispiel Zyklon) wieder zurück in den Reaktionsraum führen.
Die verwendeten IR-Strahlermodule 19, welche über eine elektrische Ansteuerung 20 gezielt regelbar sind, erzeugen Strahlungsenergie, welche durch die für IR-Strahlung transparente Behälterwand geleitet direkt im Produkt einkoppelt und damit bei Umgebungsdruck eine Sublimation von AlCl₃ bei rund 180 °C hervorruft.
Teilchen, welche zum Beispiel aufgrund nicht sublimierbarer Bestandteile nicht in die Gasphase übergehen, werden am Ende des bestrahlten Reaktorraums mittels der Ausschleusevorrichtung 18 ausgeschleust. Zur weiteren Verwendung des gasförmigen AlCl₃ 22 ist eine Desublimation und damit Verstopfung des Apparatesystems zu verhindern. Dies wird durch eine zum Beispiel elektrische Begleitheizung 21 mit einer Temperatur über der Sublimationstemperatur (zum Beispiel 220 °C) gewährleistet.

Claims

Verfahren zur strahlungsinduzierten Phasenumwandlung von Stoffen oder Stoffgemischen, dadurch gekennzeichnet, daß man den Stoff oder das Stoffgemisch in einem Reaktor bewegt, mittels einer elektromagnetischen Strahlungsquelle bestrahlt die Strahlungsenergie ohne Trägermedium berührungsfrei in das Produkt einkoppelt und dieses in die andere energiereichere Phase überführt und das Produkt in geeigneter Form aus dem Reaktor entfernt beziehungsweise seiner Verwendung zuführt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur strahlungsinduzierten Phasenumwandlung von Stoffen oder Stoffgemischen gemäß Anspruch 1, umfassend einen Reaktor mit einer behälter- oder rohrförmigen Reaktorwand, Vorrichtungen zum Zuführen und Entnehmen des umzuwandelnden Stoffes oder Stoffgemisches in beziehungsweise aus dem Reaktor und eine elektromagnetischen Strahlungsquelle außerhalb des Reaktors, wobei die Strahlungsquelle ein Infrarot (IR)-, sichtbares Licht (VIS)-, Ultraviolett (UV-Strahler), ein Radiowellenstrahler oder Mikrowellenstrahler sein kann, die Reaktorwand zumindest in einem Bereich aus einem strahlungsdurchlässigen Material besteht, der Strahler geschützt vom Produkt angeordnet ist, die Strahlungswärme direkt im Produkt eingekoppelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur strahlungsinduzierten Phasenumwandlung von Stoffen oder Stoffgemischen gemäß Anspruch 1 und 2, bestehend aus einem Reaktor welcher, keine bewegten beziehungsweise rotierenden Apparateteile im Inneren besitzt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur strahlungsinduzierten Stoffumwandlung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie gezielt mit hoher Leistungsdichte, gegebenenfalls fokussiert und ohne Trägermedium im Produkt eingekoppelt wird.