DE1249831B - Vorrichtung zur Durchführung photochemischer Reaktionen - Google Patents

Description

7Δ BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

BOIj

eof

Int. Cl.:

Deutsche Kl.

Nummer: 1249 831

Aktenzeichen: B 81367IV a/12 g

Anmeldetag: 9. April 1965

Auslegetag: 14. September 1967

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung photochemischer Reaktionen in einem mit Flüssigkeit gefüllten Reaktionsbehälter mit in die Flüssigkeit eintauchenden Strahlern.

Bei der Durchführung photochemischer Reaktionen treten oft dadurch Schwierigkeiten auf, daß sich auf der Lichtdurchtrittsfläche der Strahler, die mit der Reaktionsflüssigkeit unmittelbar in· Berührung steht, Reaktionsprodukte in fester oder viskoser Form abscheiden. Diese behindern den Durchtritt der chemisch wirksamen Strahlung und führen zu einer Verringerung der Lichtausbeute. Es ist daher notwendig, die Bildung solcher Niederschläge entweder von vornherein unmöglich zu machen oder sie durch geeignete Vorrichtungen und Maßnahmen zu entfernen.

Man kann dies beispielsweise dadurch erreichen, daß man. die Lichtdurchtrittsfläche laufend oder intermittierend mit einem Film einer die Schutzschicht auflösenden und mit der Reaktionsflüssigkeit ab nicht mischbaren Flüssigkeit reinigt. Eine andere bekannte Maßnahme besteht darin, auf der Lichtdurchtrittswand eine regenerierfähige, indifferente und optisch durchlässige Kristallschicht zu erzeugen. Es ist auch bekannt, die Niederschläge durch manuell as oder selbsttätig bewegte Bürsten mechanisch zu entfernen.

Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zum Bestrahlen von Flüssigkeiten mit ultravioletten Strahlen, bei welchen die Flüssigkeit in Form einer Schicht be- 3» strahlt wird, die unter hoher Turbulenz über eine Bestrahlungsfläche zwischen zueinander bewegten Reibungsflächen strömt. Ein Teil der Reibungsflächen kann dabei an einem sich drehenden Rahmen befestigt sein, der seinerseits wie ein Rührer wirkt. Dieses Verfahren ist für die Behandlung kleiner Flüssigkeitsmengen gut geeignet, nicht aber für die Durchführung photochemischer Reaktionen in einem mit Flüssigkeit gefüllten Reaktionsbehälter, weil hier infolge der Abmessungen und Flüssigkeitsvolumina dünne Schichten einen hohen Energieaufwand erfordern. Dünne Schichten sind aber andererseits unzweckmäßig, wenn eine bestimmte minimale Schichtdicke zur Erzielung einer hohen Lichtausbeute notwendig ist. Auch die Kühlung sehr dünner, durch bewegte Reibungsflächen erzeugter Schichten ist nur erschwert möglich.

Alle bekannten Verfahren haben Nachteile, weil sie entweder keinen zuverlässigen Schutz gegen Belag geben oder aufwendige Apparate notwendig machen. Diese Schwierigkeiten vergrößern sich erheblich bei großen Anlagen, bei denen nicht ein einVorrichtung zur Durchführung
photochemischer Reaktionen

Anmelder:

Badische Anilin- & Soda-Fabrik
Aktiengesellschaft, Ludwigshafen/Rhein

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Dr. Wilhelm Beckmann, Limburgerhof; Dipl.-Ing. Werner Ludwig Kengelbach,

Dr. Horst Metzger,

Dr. Martin Pape, Ludwigshafen/Rhein

zelner Strahler, sondern mehrere von ihnen gleichzeitig verwendet werden.

Es wurde nun gefunden, daß man auch in einem solchen Fall die Lichtdurchtrittsfläche über längere Zeiten hinweg von Belag frei halten kann, wenn man eine Vorrichtung mit einem mit der Reaktionsflüssigkeit gefüllten Behälter mit in die Flüssigkeit eintauchenden Strahlern verwendet, wobei der Behälter mit einem Rührorgan versehen ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Strahler um das Rührorgan so angeordnet sind, daß der lichte Abstand zwischen den Strahlern zwischen dem 0,3fachen und dem 2fachen des Strahleraußendurchmessers liegt und der lichte Abstand jeweils zwischen einem Strahler und der Innenwand des Behälters mindestens dem 0,5fachen des Strahlerdurchmessers entspricht und der lichte Abstand zwischen der Außenkante des Rührers und einem Strahler zwischen dem 0,05fachen und dem 0,5fachen des Strahlerdurchmessers liegt. Als Strahler ist hierbei das aus Lampe, Kühlmantel und gegebenenfalls einem äußeren Schutzrohr bestehende Tauchaggregat bezeichnet.

Die Mittelpunkte der Strahler sind vorteilhaft im Grundriß auf einem Kreis angeordnet.

Strahler und Rührorgan sind vorzugsweise senkrecht angeordnet.

Ein Teil der Strahler kann durch Kühlorgane gleicher Abmessungen ersetzt werden. Zur Wärmeabfuhr kann die Behälterwand als Kühlmantel ausgebildet sein. Es können aber auch zwischen den Strahlern und der Behälterwand Kühlrohre senkrecht oder waagerecht angeordnet werden.

Zur Durchführung von photochemischen Reaktionen in einer größeren Anlage werden mehrere,

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jeweils aus einem Rührer und um diesen herum angeordneten Strahlern bestehende Vorrichtungen hintereinander in einem Gefäß angeordnet, und das Gefäß wird zur Verhinderung der Rückvermischung zwischen den Vorrichtungen durch mit öffnungen versehene Trennwände abgeteilt.

Zur kontinuierlichen Umsetzung ordnet man mehrere Gefäße hintereinander und zwischen den Gefäßen Kühlvorrichtungen an. Mit der besprochenen Einrichtung köiinen z. B. Oxime aus Cycloalkanen hergestellt werden, wobei man gegebenenfalls ein Lösungsmittel verwendet und bei Drehzahlen von 40 bis 200 U/min rührt.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird erreicht, daß an der gesamten Außenfläche der Strahler in der Flüssigkeit eine ausreichende Turbulenz erzeugt wird, wodurch ununterbrochen Reaktionsflüssigkeit aus dem Innern des Behälters an die Lichtdurchtrittsfläche heran- und von dort sofort wieder abgeführt wird, so daß die Bildung eines Belages nicht möglich ist. Dabei ist es notwendig, daß die Abstände zwischen den Strahlern ein gewisses Maß weder über- noch unterschreiten. Wird dieser Abstand zu klein, so bildet sich, wie Versuche gezeigt haben, zwischen den beiden Strahlern eine zu schwach bewegte Zone. Wird der Abstand aber zu groß, so bildet sich ein Strömungsschatten auf der der Strömung abgekehrten Seite.

Auch der Abstand zur äußeren Wand muß genügend groß sein, damit in dem Zwischenraum zwischen Strahler Und Innenwand eine vollständige Absorption des chemisch wirksamen Lichtes und eine ausreichende Bewegung der Flüssigkeit gesichert ist. Das Rührorgan muß einerseits in seinem Durchmesser so groß gewählt werden, daß die Turbulenz über den ganzen Bereich des Reaktors voll zur Wirkung kommt. Andererseits muß noch ein genügender Abstand der Rührkante vom Strahler gewahrt bleiben, damit der Strahler nicht infolge von Schwingungen durch zu starke Beanspruchung der aus Glas bestehenden Wand zerbricht. ^

In den Zeichnungen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen

F i g. 1. und 2 die Vorrichtung mit einem Scheibenrührer im Längsschnitt und Querschnitt,

Fig.3 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung mit öinem Ankerrührer,

F i g. 4 einen Querschnitt mit Kühlorganen,

F i g. 5 die Anordnung rnehrerer Vorrichtungen in einem Behälter mit Trennwänden und

Fig. 6 die Anordnung mehrerer Behälter und Kühler.

Die erfinduiigsgemäße Vorrichtung (Fig. 1) ist in einen mit der Reaktionsflüssigkeit gefüllten Reaktor 1 eingebaut, in den Reaktor 1 tauchen Strahler 2 mit einem Außendurchmesser D ein. Bei dieser Anordnung können die Strahler die chemisch wirksame Strahlung allseitig in die Reaktionsflüssigkeit abgeben. In der Mitte des Reaktors 1 ist ein Rührer, z. B. ein Blattrührer 3, eingesetzt. Die Strahler sind gleichmäßig verteilt um den Rührer herum so angeordnet, daß der lichte Abstand / zwischen jeweils zwei Strahlern nicht kleiner als 0,3 D und nicht größer als 2,0 D ist. Ebenso soll der Abstand m der Strahler von der Reaktorwand nicht kleiner als 0,5 D sein.

Die Abmessungen des Rührers werden so gewählt, daß der Abstand η von der äußeren Rührerkante bis zu einem Strahler zwischen 0,05 D und 0,5 D liegt. Die Drehzahl des Rührers muß so groß sein, daß an allen Stellen des Reaktors eine turbulente Strömung erreicht wird. Die Höhe des Rührers soll mindestens so groß gewählt wefflen Wie die strählende Länge" des Strahlers.

Der Strom wird den Strahlern durch Drähte 4,5 zugeführt. Zum Betrieb des Rührers ist ein Motor 6 angeordnet, der die Welle 7 des Rührers antreibt.

»ο Man kann auch das Rührorgan (F i g. 2) in Form eines Ankerrührers zwischen der Reaktorwand und den Strahlern anordnen, wobei die obenerwähnten Abstände der Rührkante zum Strahler einzuhalten sind:

»5 Um einen möglichst hohen und gleichmäßigen Reinigungseffekt der durch den Rührer erzeugten turbulenten Strömung über die ganze Außenfläche des Strahlers zu erhalten, kann die Drehrichtung des Rührorgans in bestimmten, durch die Flüssigkeit und

ao den Reaktor gegebenen Zeitabständen umgekehrt werden. Man erreicht damit, daß die gesamte Außenfläche des Strahlers in gleichmäßigen Zeitabständen direkt von der Flüssigkeit angeströmt wird. Mari kann den gleichen Effekt auch erreichen, wenn man

as die Strahler um ihre Achse drehbar macht und in gleicherweise nach bestimmten Zeiten eine Drehung bis zu 180° vornimmt. Um eine betriebssichere und bequem zu bedienende Anordnung zu erzielen, werden Strahler und Rührer senkrecht angeordnet. Man kann damit bei drucklos betriebenen Apparaturen Stopfbüchsen vermeiden oder sie vor der direkten Berührung mit der oft sehr angreifend wirkenden Reaktionsflüssigkeit schützen.

Photochemische Reaktionen können mit einer positiven Wärmetönung verlaufen. Die Reaktionsflüssigkeit kann sich dann erwärmen. Durch diese Temperatursteigerurig kann die Lichtreaktion verschlechtert werden oder ganz zum Erliegen kommen. In diesem Fall müssen daher Kühlorgane 8 vorgesehen werdenj welche die Erwärrriung der Reäktionsflüssigkeit verhindern (Fig.4). Man kann solche Kühlorgane ah Stelle einzelner Strahler vorsehen, wobei die Kühlorgane den geometrischen Abmessungen der Strahler entsprechen. Man kann aber auch die innere Reaktorwand als Kühlmantel 9 ausbilden oder horizontal bzw. vertikal angeordnete Kühlschlangen oder Kühlrohre 10 einbauen. In jedem Fall erhält man eine ausgezeichnete Wärmeübertragung, da durch die vom Rührer erzeugte turbulente Strömung hohe Wärmeübergangszählen erreicht werden können.

Für größere "Anlagen werden mehrere der vorbeschrieberien Reaktionsgefäße in der Weise hintereinandergesdhaltet, daß man (F i g. 5) in einem Gefäß 11, das zweckmäßig eine längsgestreckte Recliteckform aufweist, eine Reihe der vorbeschriebenen Reaktoren hihtereihanderschaltet. Dabei können die einzelnen, jeweils mit einem Rührorgan 12 ausgestatteten Reaktoren durch eine mit öffnungen 13 versehene Trennwand 14 abgeteilt werden. Man vermeidet damit eine Rückvefmischung der Reaktionsflüssigkeit und erreicht ein in Strömungsrichtung stetig steigendes Anwachsen der Menge des Reaktionsproduktes.

Die Hintereinanderschaltung von einzelnen Reaktoren zu einem Reaktionssystem (F i g. 5) läßt sich nicht beliebig fortsetzen, insbesondere dann nicht, wenn man zur Ausnutzung des Reaktionsraumes für die Photosynthese auf den Einbau von Kühläggre-

gaten an Stelle einzelner Strahler bzw. von Kühlschlangen im Reaktor selbst verzichtet. In einem solchen Fall kann eine Zwischenkühlung vorgesehen werden, wenn die Temperaturerhöhung der Reaktionsflüssigkeit das zulässige Maß überschreitet. Man geht dann (F i g. 6) so vor, daß man die Reaktionsflüssigkeit nach dem Durchlaufen des ersten Reak-. tionssystems 15 durch ein Kühlorgan 16 führt und dann das zweite, gegebenenfalls auch noch weitere Reaktionssysteme 17-25 mit Zwischenkühlungen 18-nachschaltet. Man hat bei einer solchen Anordnung außerdem den Vorteil eines stetigen Aufbaues des gewünschten Reaktionsproduktes ohne störende Rückvermischung.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Durchführung photochemischer Reaktionen in einem mit Flüssigkeit gefüllten Reaktionsbehälter mit in die Flüssigkeit ein- ao tauchenden Strahlern und einem Rührorgan, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahler um das Rührorgan so angeordnet sind, daß der lichte Abstand zwischen den Strahlern zwischen dem 0,3fachen und dem 2fachen des Strahler- as außendurchmessers liegt und der lichte Abstand jeweils zwischen einem Strahler und der Innenwand des Behälters mindestens dem 0,5fachen des Strahlerdurchmessers und der lichte Abstand zwischen der Außenkante des Rührers und einem Strahler zwischen dem 0,05fachen und dem 0,5fachen des Strahlerdurchmessers liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte der Strahler im Grundriß auf einem Kreis angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahler und das Rührorgan senkrecht angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Strahler durch Kühlorgane gleicher Abmessungen ersetzt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälterwand als Kühlmantel ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Strahlern und Behälterwand Kühlrohre senkrecht oder waagerecht angeordnet sind.

7. Einrichtung zur Durchführung photochemischer Reaktionen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, jeweils aus einem Rührer und um diesen herum angeordneten Strahlern bestehende Vorrichtungen hintereinander in einem Gefäß angeordnet sind und das Gefäß zwischen den Vorrichtungen durch mit Öffnungen versehene Trennwände zur Verhinderung der Rückvermischung abgeteilt ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gefäße hintereinander und zwischen den Gefäßen Kühlvorrichtungen angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 966 425.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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