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Die
Erfindung betrifft einen Mikrowellenreaktor zur mikrowellenunterstützten
katalytischen Stoffumsetzung eines flüssigen oder gasförmigen
Mediums, bei dem die eingekoppelten elektromagnetischen Wechselfelder
(Mikrowellen) homogen in dem Mikrowellenreaktor verteilt werden,
wie dies gattungsgemäß in der
DE 103 29 411 B4 offenbart
ist.
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Das
Prinzip der Verwendung von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen
von 1 mm bis 1 m und Frequenzen von 300 MHz bis 300 GHz, den sogenannten
Mikrowellen, für eine berührungsfreie und schnelle
Erwärmung von für Mikrowellen absorbierende Materialien
in einem gegen den ungewollten Austritt der Mikrowellen geschützten
Raum ist aus der Produktion (z. B. Industriemikrowellen) und dem
Haushalt (z. B. Haushaltsmikrowelle) hinreichend bekannt. Dabei
besteht die Aufgabe, die durch die Mikrowellen transportierte Energie
gleichmäßig in einen zu erwärmenden Körper
einzubringen und die Entstehung von räumlich inhomogenen
Energieverteilungen, z. B. von sogenannten „hot-spots” (Bereiche
hoher Energiedichte), zumindest zu reduzieren.
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Inhomogene
Energieverteilungen können durch das Zusammenwirken verschiedener
Eigenschaften der Mikrowellen (z. B. Interferenzen), der Absorption
und Reflexion des zu erwärmenden Körpers sowie
des Raumes, in dem sich der zu erwärmende Körper
befindet und in den die Mikrowellen eingekoppelt werden, entstehen.
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Der
Begriff Mikrowellen als Synonym für elektromagnetische
Wechselfelder verwendet werden, mit deren Hilfe Energie in Form
von Strahlung übertragen wird. Im Weiteren wird der Begriff
Mikrowellen vereinfachend synonym für den Begriff Energie
verwendet.
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Mikrowellen
können zur Erwärmung von Katalysatoren verwendet
werden, die aus Mikrowellen absorbierenden Material bestehen, wie
dies beispielhaft bei Will et al. (2002 in: Chemie Ingenieur
Technik 74: 1057–1067), Fälsch
et al. (2004 in: Chemie Ingenieur Technik 76: 1–8) und Hartmann
et al. (2005 in: Chemie Ingenieur Technik 77: 1609–1617) beschrieben
ist. Dazu strömen die mikrowellenunterstützt und katalytisch
umzusetzenden Stoffe in einem Medium an dem durch Mikrowellen erwärmten
Katalysator vorbei oder durch ihn hindurch.
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Für
die Verwendung von Mikrowellen zur Erwärmung von Katalysatoren
ist es von großer Bedeutung, dass die Erwärmung
gleichmäßig und steuerbar erfolgt. Nur dadurch
ist eine sichere katalytische Umsetzung von Stoffen gewährleistet.
Anderenfalls besteht die Gefahr, dass ein Teil der umzusetzenden Stoffe,
z. B. Schadstoffe, in kalten Bereichen an dem Katalysator vorbeiströmen
(sog. „Bypass oder Schlupf”) und nicht oder nicht
ausreichend umgesetzt werden oder gar ungewollte Produkten, wie
weitere Schadstoffe, entstehen. Ferner besteht das Erfordernis,
gute „Kaltstart”-Eigenschaften der Katalysatoren zu
erzielen, also die fehlende oder ungenügende Umsetzung
von Stoffen in der Zeit bis zur Erreichung einer optimalen Temperatur
des Katalysators so weit als möglich zu vermeiden.
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Es
sind verschiedene Lösungsansätze zur gleichmäßigen
Erwärmung von Körpern durch Mikrowellen und zur
Verbesserung der Kaltstart-Eigenschaften bekannt.
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In
der
JP 5-168950 A wird
die Verwendung von Metalloxiden und von komplexen Oxiden vom Perowskit-Typ
als Katalysatormaterial offenbart, die durch eine direkte Bestrahlung
mit elektromagnetischer Wellen in kurzer Zeit auf eine bestimmte
Temperatur erwärmt werden können. Dies ist im
vorgesehenen Anwendungsgebiet der
JP 5-168950 A , der Reinigung von Verbrennungsabgasen,
bei einem Kaltstart von Bedeutung.
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Eine
weitere Möglichkeit wird in der
DE 693 04 383 T2 (
EP 0 564 359 B1 )
aufgezeigt. Die Mikrowellen werden durch senkrechte, in einem ringförmigen
Hohlleiter vorhandene und um einen Innenraum angeordnete Austrittsöffnungen
eingekoppelt, wobei die Abmessungen des ringförmigen Hohlleiters
und der Austrittsöffnungen auf die verwendeten Wellenlängen
abgestimmt sind. Durch eine solche Anordnung soll eine gleichmäßige,
im Wesentlichen radial nach innen erfolgende – Abgabe von
Mikrowellen in den Innenraum erreicht werden. Nachteilig an dieser Lösung
ist ein hoher Platzbedarf und die spezifische Abstimmung der Abmessungen
des Hohlleiters auf die verwendete Wellenlänge, wodurch
nur eine geringe Flexibilität bei sich verändernden
Anwendungsbedingungen gegeben ist.
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Ein
die Gestaltung einer Heizkammer (fortan: Innenraum) betreffenden
Ansatz wird in der
DE 43
13 806 A1 beschrieben. In dem Innenraum sind zusätzliche
Reflexionswandungen aus Mikrowellen reflektierendem Material vorhanden,
die so geformt und zueinander ausgerichtet sind, dass in den Innenraum
eingekoppelte Mikrowellen im Wesentlichen nur zwischen diesen Reflexionswandungen
statisch reflektiert werden. Durch den Innenraum und in den Bereich
der umlaufend reflektierten Mikrowellen werden kontinuierlich oder
diskontinuierlich zu erwärmende Körper bewegt.
Die Lösung gemäß der
DE 43 13 806 A1 erlaubt
eine recht homogene Verteilung von Mikrowellen zwischen den Reflexionswandungen.
Allerdings ist auch hier eine verhältnismäßig große
Abmessung des Innenraums nötig, um die Reflexionswandungen
unterbringen zu können und um die Ausbildung einer homogenen
Verteilung durch eine alleinige Reflexion an den Reflexionswandungen überhaupt
erst zu ermöglichen.
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Eine
Kombination von statischen Reflexionen der Mikrowellen an den einen
Innenraum begrenzenden Wänden eines Gehäuses und
einer dynamischen Reflexion der Mikrowellen mittels mindestens einem
Modenrührer ist in der
DE 103 29 411 B4 offenbart. Der Innenraum
ist als ein hochmodiger Resonator ausgebildet, wobei der Resonatordurchmesser
mindestens fünfmal, besser aber wenigstens zehnmal größer
als die Wellenlänge der Mikrowellen ist. In den Innenraum,
der einfach aber nie rund gestaltet ist, werden Mikrowellen über
mindestens ein gleichartiges Einkoppelstrukturpaar (ein Paar Hohlleiter)
eingekoppelt, die jeweils mit der den Innenraum begrenzenden Wand
bündig abschließen und die Schlitze zum Einkoppeln
der Mikrowellen (fortan Austrittsöffnungen) aufweisen.
Die Hohlleiterachsen eines Paares von Hohlleitern sind immer in
einem spitzen Winkel zueinander verlaufend ausgerichtet und treffen
auf einen gemeinsamen Modenrührer, der sich über
nahezu die gesamte Innenraumlänge erstreckt und der um
seine Längsachse (fortan: Rotationsachse) tordiert ist.
Tordierten Modenrührer können entlang ihrer Rotationsachse
je eine Schraubenlinie beschreiben und sind so geformt, dass Mikrowellen
höchstens punktweise in die Hohlleiter zurück reflektiert
werden. Die Mikrowellen werden unter wechselnden Winkellagen sowohl
an dem rotierenden Modenrührer als auch an den Wänden
reflektiert, wodurch eine weitgehend homogene Verteilung der Mikrowellen
in dem Innenraum erreicht wird. In den Innenraum kann ein gegen
den Innenraum abgeschlossener Hohlraum, hier ist es ein Autoklav,
eingebracht werden, in dem sich durch die Mikrowellen zu erwärmende
und thermisch zu prozessierende Stoffe oder Körper befinden.
Die Prozessführung kann durch sowohl im Autoklaven als
auch im Resonator vorhandene mess- und regeltechnische Signalleitungen
gesteuert werden.
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In
der
DE 103 29 411
B4 wird die vorzugsweise Verwendung einer Wellenlänge
von etwa 12 cm genannt, wonach der Resonatordurchmesser mindestens
60 cm, besser aber darüber, beträgt. Sehr kompakte
Abmessungen des Innenraumes und des Gehäuses sind daher
mit der angegebenen Lösung nicht zu erreichen. Weiterhin
wird es regelmäßig erforderlich sein, mehr als
ein Paar Hohlleiter auf dem Umfang des Innenraums anzuordnen, um
einen Körper gleichmäßig über
seine gesamte Oberfläche zu erwärmen, wie dies
beispielhaft in
9 der
DE 103 29 411 B4 gezeigt
ist. Damit ist diese Lösung technisch verhältnismäßig
aufwendig und beansprucht viel Raum.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit
aufzuzeigen, wie eine homogene Verteilung von Mikrowellen in einem
Innenraum erreicht werden kann, um katalytisch vermittelte chemische
Reaktionen gezielt steuerbar durchführen zu können
und dabei die Abmessungen des Innenraums gering gehalten werden
können.
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Die
Aufgabe wird durch einen Mikrowellenreaktor zur mikrowellenunterstützten
katalytischen Stoffumsetzung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums
aus einem, einen Innenraum umschließenden, Gehäuse
mit Wänden aus für Mikrowellen reflektierendem
Material, aufweisend mehrere Hohlleiter mit jeweils einer stirnseitigen Austrittsöffnung
im Innenraum zum Einkoppeln der Mikrowellen, sowie im Innenraum
vorhandene und jeweils um eine Rotationsachse tordierte Modenrührer,
dadurch gelöst, dass ein, mit einem Katalysator gefüllter,
Hohlzylinder aus einem für Mikrowellen transmissiven Material vorhanden
ist, der entlang seiner Hohlzylinderachse und über seine
Hohlzylinderlänge vom Innenraum umschlossen wird, wobei
der Hohlzylinder zum Durchführen des Mediums stirnseitig
mit Lochplatten verschlossen ist und einerseits mit einer Medienzuführungsöffnung
und andererseits mit einer Medienabführungsöffnung
im Gehäuse in Verbindung steht. Die Rotationsachsen der
Modenrührer liegen parallel zu der Hohlzylinderachse. Die
Hohlleiter ragen durch eine erste Wand des Gehäuses hindurch
in den Innenraum und weisen zueinander parallele Hohlleiterachsen
auf, welche, außerhalb des Hohlzylinders verlaufend, senkrecht
auf die Rotationsachse eines jeweils anderen Modenrührers
auftreffen. Die Modenrührer sind, von der ersten Wand des
Gehäuses ausgehend, hinter der Hohlzylinderachse angeordnet.
Eine erste Austrittsöffnung liegt von der ersten Wand des
Gehäuses ausgehend vor der Hohlzylinderachse, während
eine zweite Austrittsöffnung hinter der Hohlzylinderachse
liegt.
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Kern
der Erfindung ist die Anordnung von Hohlleitern und Modenrührern
in einem Mikrowellenreaktor in Relation zu einem zu erwärmenden
Körper, hier einem Katalysator, wodurch eine allseitige
und gleichmäßige Erwärmung des Körpers
erreicht wird und gleichzeitig die Abmessungen des Mikrowellenreaktors
gering gehalten werden können.
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Unter
einer katalytischen Stoffumsetzung werden nachfolgend alle unter
Anwesenheit mindestens eines Katalysators ablaufenden chemischen Reaktionen
verstanden, insbesondere Redoxreaktionen. Die umzusetzenden Stoffe
sind in einem Medium enthalten und werden durch das Medium transportiert.
Es kann jedoch auch zusätzlich oder ausschließlich
das Medium selbst umgesetzt werden. Wird nachfolgend von einer Umsetzung
des Mediums gesprochen, sind alle die genannten Möglichkeiten
umfasst.
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Die
Abmessungen des Gehäuses und des Innenraumes können
weitgehend unabhängig von den verwendeten Wellenlängen
der Mikrowellenstrahlung gewählt werden. Ebenso sind die
Form des Innenraums und die Anzahl, Größe und
Ausrichtung der Wände nicht festgelegt. Vorzugsweise ist
der Innenraum jedoch als hohler Quader ausgebildet. Insbesondere
brauchen die Abmessungen des Innenraumes nicht die Anforderungen
eines Resonators erfüllen, wodurch sehr kompakte Bauweisen
des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors möglich
sind. Zu berücksichtigen sind bei der Wahl der Abmessungen
jedoch die erreichbare Eindringtiefe der Mikrowellen in den Katalysator
und die ausreichend große Gestaltung des freien Innenraumes
zur Gewährleistung einer homogenen Verteilung der Mikrowellen sowie
die Eigenschaften der verwendeten Materialien bei Einwirkung von
Mikrowellen.
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Der
Hohlzylinder kann aus jedem für Mikrowellen transmissiven
Material, wie z. B Quarzglas, bestehen, wobei erreichte Transmissionsraten
von 90% und höher besonders vorteilhaft sind. Der Hohlzylinder
ist vorteilhafterweise über seine gesamte Umfangsfläche
zu den Wänden des Gehäuses beabstandet. Die Abstände
zwischen Hohlzylinder und den Wänden sind mindestens so
groß, dass sich die Mikrowellen innerhalb sich des damit
ergebenden freien Innenraumes frei ausbreiten können.
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Als
Katalysator kann jedes Material eingesetzt werden, welches durch
Mikrowellen erwärmt werden kann und Katalysatoreigenschaften
aufweist. In weiteren Ausführungen kann das durch Mikrowellen
erwärmte Material auch mit weiteren katalytisch aktiven
Materialien verbunden sein, die sich nicht durch Mikrowellen erwärmen
lassen.
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Der
Katalysator kann den Hohlzylinder vorzugsweise in Form einer Schüttung
ausfüllen, es sind aber auch poröse oder mit Strömungskanälen
versehene und an den Hohlzylinder angepasste Formkörper
verwendbar.
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Für
die Erzeugung der Rotation der Modenrührer um ihre jeweiligen
Rotationsachsen sind diese mit Antrieben verbunden. Die Drehzahl
der Modenrührer kann unabhängig von den Eigenschaften
der Mikrowellen in weiten Bereichen variieren. Die Gestaltung der
Form der tordierten Modenrührer kann verschieden sein und
umfasst sowohl gleichmäßig verlaufende, als auch
sich stetig verändernde und unterbrochene Verläufe
der Konturen der tordierten Modenrührer in Richtung der
Rotationsachse, sowie Kombinationen der genannten Verläufe.
Die Querschnitte und Konturen der Modenrührer können
gemäß des bekannten Standes der Technik gestaltet sein.
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Es
ist eine äußerst vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung, wenn die Modenrührer auf verschiedenen Seiten
der Hohlzylinderachse angeordnet sind. Eine solche Anordnung ist
für die homogene Verteilung der eingekoppelten Mikrowellen
im Innenraum außerordentlich vorteilhaft.
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Die
Lochplatten sind so gestaltet und aus einem solchen Material, dass
sie ein Austreten von Mikrowellenstrahlung aus dem Innenraum verhindern, gleichzeitig
jedoch ein weitgehend ungehinderter Durchtritt eines Mediums durch
die Medienzuführungsöffnung bzw. durch die Medienabführungsöffnung
erlauben. Ein gewisser Strömungswiderstand der Lochplatte
gegenüber dem Medium kann zumindest auf der Seite der Medienzuführungsöffnung
vorteilhaft sein, da dadurch eine Verwirbelung des Mediums bewirkt
und die Ausbildung einer laminaren Strömung innerhalb des
Hohlzylinders vermieden wird. Die Lochplatten sind gegenüber
dem Medium und den umzusetzenden Stoffen vorzugsweise inert.
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Die
Wände des Gehäuses, die Modenrührer sowie
die Hohlleiter bestehen aus einem die Mikrowellen reflektierendem
Material, wie beispielsweise Stahlblech.
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Die
Anordnung der Austrittsöffnungen vor bzw. hinter der Hohlleiterachse
gewährleistet im Zusammenwirken mit den Modenrührern
eine homogene Verteilung der in den Innenraum eingekoppelten Mikrowellen.
Dabei wird durch die Anordnung einer der Austrittsöffnungen
vor der Hohlleiterachse im Wesentlichen eine Einkopplung von Mikrowellen
in den vor der Hohlleiterachse liegendem Bereich des Innenraums
erreicht, während durch die hinter der Hohlleiterachse
angeordnete Austrittsöffnung Mikrowellen bevorzugt in dem
hinter der Hohlleiterachse liegenden Bereich des Innenraums verteilt
werden.
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Die
Hohlleiter können in vorbekannter Weise angeordnete und
ausgebildete Transformationseinrichtungen zur Beeinflussung der
elektromagnetischen Eigenschaften der Mikrowellen, wie z. B. Dreistifttuner,
aufweisen.
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Die
Auswahl der Materialien für die einzelnen Komponenten des
Mikrowellenreaktors erfolgt in Hinblick auf die vorgesehene Anwendung
und in Abhängigkeit von den Wellenlängen bzw.
Wellenlängenbereichen der verwendeten Mikrowellen sowie
der Größe der in den Mikroreaktor einzukoppelnden
Energien. Das Material der Komponenten wird weiterhin so gewählt,
dass unerwünschte chemische Reaktionen ausgeschlossen oder
zumindest so weit als möglich reduziert werden. Die Dimensionierung
der Vorrichtung wird im Wesentlichen durch die Erfordernisse der
Mediendurchführung und der mikrowellenunterstützten
katalytischen Stoffumsetzung, nämlich sowohl einer genügend
hohen Durchsatzrate des Mediums als auch einer ausreichend langen
Verweildauer zur möglichst vollständigen Stoffumsetzung
des Mediums, bestimmt.
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Es
ist ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegend, dass Komponenten
des Mikrowellenreaktors mit Dichtungen sowie mit Befestigungselementen
in Verbindung stehen können.
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Um
unerwünschte Wirkungen der Mikrowellen, wie beispielsweise
Antennenwirkungen von in den Innenraum hinein ragender Komponenten
des Mikrowellenreaktors weitestgehend zu vermeiden, ist es von Vorteil,
wenn deren Kanten abgerundet werden und weitere Komponenten wie
z. B. Befestigungselemente bündig mit den umgebenden Oberflächen
abschließend oder versenkt angeordnet sind.
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An
der Medienzuführung kann ein Adapter vorhanden sein, der
für zuzuführende Medien als Diffusor wirkt. Ein
solcher Adapter kann beispielsweise ein sich zur Medienzuführungsöffnung
hin erweiternder Trichter sein.
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In
einem freien Querschnitt eines solchen Adapters können
diffusionsunterstützende Strukturen vorhanden sein, durch
welche das jeweils zuzuführende Medium bei Durchströmen
des Adapters zusätzlich diffus im Adapter verteilt wird.
Eine solche Diffusorwirkung unterstützt in sehr vorteilhafter
Weise die mikrowellenunterstützte katalytische Stoffumsetzung
durch die Erzeugung turbulenter Strömungen in dem jeweiligen
Medium. Die diffusionsunterstützenden Strukturen sind vorzugsweise
auf die Lochplatten und deren Wirkungen abgestimmt. Diffusionsunterstützende
Strukturen können beliebige, in den Strömungsverlauf
des Mediums hineinragende Strukturen, aber auch speziell gestaltete
Oberflächen, wie z. B. raue oder strukturierte Oberflächen, des
Adapters sein.
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Die
Hohlleiter sind in einer bevorzugten Ausführung des Mikrowellenreaktors
in weniger als der halben, vorteilhaft sogar in einer möglichst
geringen, Hohlzylinderlänge von der Medienzuführung
entfernt angeordnet. Die Erwärmung des Katalysators erfolgt zwar
vollumfänglich und über die gesamte Hohlzylinderlänge,
es ist jedoch von Vorteil, wenn eine maximale Absorption in einem
Bereich nahe der Medienzuführungsöffnung erfolgt.
In diesem Bereich tritt (noch) nicht auf Reaktionstemperatur erwärmtes
Medium mit dem Katalysator in Kontakt, was zu einer ausbleibenden
oder unvollständig ablaufenden Stoffumsetzung führen
kann. Dies wird durch eine ausreichende Erwärmung des Katalysators
in diesem Bereich verhindert. Gleichzeitig wird das Medium für seine
weitere Passage durch den Katalysator volumetrisch erwärmt.
Es ist daher ein großer Vorteil dieser Anordnung, dass
der Mikrowellenreaktor nahezu ohne Vorlaufzeit betrieben werden
kann, er also nicht über einen längeren Zeitraum
vorgeheizt werden muss.
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Zur
Reduzierung möglicherweise auftretender ungünstiger
(Antennen-)wirkungen von in den Innenraum ragender Komponenten ist
es vorteilhaft, wenn die erste Austrittsöffnung bündig
mit der ersten Wand des Gehäuses abschließt.
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In
einer äußerst vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen
Mikrowellenreaktors ist der Innenraum mit einem dielektrischen,
für Mikrowellen transmissiven Füllstoff so ausgefüllt,
dass der Hohlzylinder von dem Füllstoff gegen die Wände
des Gehäuses abgestützt wird. In dem Füllstoff
sind Aussparungen so vorhanden, dass die Modenrührer weiterhin
frei rotierbar sind. Ein solcher Füllstoff kann ein geschäumtes
Material sein, welches vorzugsweise in entsprechend der Abmessungen
des Innenraumes vorgefertigten Körpern in den Innenraum
eingebracht wird. Weiterhin sind bekannte Techniken zur Einbringung
solcher Materialien wie beispielsweise das Ausschäumen
anwendbar. Als Vorteil einer solchen Ausführung sind zum
Einen die stoß- und vibrationsdämpfenden Wirkungen
eines solchen Füllstoffes zu nennen. Ferner stellt der
Füllstoff eine Wärmedämmung dar, wodurch
die Energieeffizienz des Mikrowellenreaktors positiv beeinflusst
wird. Auch wird eine Steuerung der Temperaturen in dem Innenraum und
in dem Hohlzylinder durch eine weitgehende Entkopplung von den Temperaturen
der Umgebung des Mikrowellenreaktors wesentlich effizienter und
präziser möglich. Transmissive Füllstoffe
erlauben in der Regel keine 100% Transmission der Mikrowellen, sondern
es wird ein gewisser Anteil der Mikrowellen auf äußeren
und inneren Oberflächen der Füllstoffe reflektiert.
Durch Brechung und Reflektion wird die Lauflänge der Mikrowellen
erhöht und das Volumen gleichmäßiger
durchstrahlt.
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Neben
den beschriebenen Komponenten des Mikrowellenreaktors kann eine
Steuerung vorhanden sein, die beispielsweise mit den Antrieben der
Modenrührer, einer Mikrowellenquelle, einer das Medium
bewegende Pumpe und Transformationseinrichtungen in Verbindung steht
und diese ansteuern kann. Weiterhin können in und an dem
Mikrowellenreaktor mit der Steuerung verbundene Sensoren vorhanden
sein, durch die beispielsweise Temperaturen und Strahlungsenergien
erfasst werden. Weiterhin kann die Steuerung mit Einrichtungen zur
Analyse verbunden sein, durch welche die stoffliche Zusammensetzung
des zuzuführenden Mediums und/oder die erreichte Stoffumsetzung
qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden. Diese Informationen
können als Ist-Daten für die Steuerung z. B. in
einem Soll-Ist-Vergleich dienen.
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Während
eines Betriebes eines erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors
werden über die Hohlleiter und deren Austrittsöffnungen
Mikrowellen in den Innenraum eingekoppelt. Die Mikrowellen breiten
sich als Wellenfront entlang der Hohlleiterachse aus, wobei sich
die Wellenfront aufgrund von Beugungseffekten ab der jeweiligen
Austrittsöffnung auch räumlich um die Hohlleiterachse
ausbildet. Treffen Mikrowellen auf eine Wand des Gehäuses
oder auf einen der Modenrührer, werden die Mikrowellen reflektiert.
Treffen die Mikrowellen dagegen auf den Hohlzylinder, durchdringt
ein Anteil der auftreffenden Mikrowellen den Hohlzylinder und wird
weitgehend von dem Katalysator absorbiert.
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Durch
die Anordnung der verschiedenen Komponenten des Mikrowellenreaktors
wird gezielt Energie in Form von eingekoppelten Mikrowellen in den
Innenraum eingebracht und homogen verteilt, wodurch bei geringen
Abmessungen des Innenraumes eine gleichmäßige
und vollumfängliche Erwärmung des in dem Innenraum
befindlichen Katalysators erreicht wird. Dadurch können
die in einem an dem Katalysator vorbei- oder durch diesen hindurchströmenden
Medium enthaltenen Stoffe, oder gar das Medium selbst, umgesetzt
werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
und Abbildungen näher erläutert.
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Die
Abbildungen zeigen in
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1 eine
erste Ausführung des erfindungsgemäßen
Mikrowellenreaktors in Explosionsdarstellung,
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2 eine
erste Ausführung eines Adapters im Teilschnitt,
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3 eine
perspektivische und schematische Darstellung einer zweiten Ausführung
des erfindungsgemäßen Mikrowellenreaktors im Teilschnitt mit
einem Füllstoff im Innenraum und
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4 eine schematische Veranschaulichung
der Verteilung der Mikrowellen in der ersten Ausführung
des Mikrowellenreaktors als Schnittdarstellung a) in der Draufsicht
und b) in der Seitenansicht.
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Mikrowellenreaktors 1 mit seinen wesentlichen Komponenten
dargestellt.
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Der
Mikrowellenreaktor 1 umfasst ein Gehäuse in dessen
Innenraum 2, ein erster Hohlleiter 5.1 mit einer
ersten Hohlleiterachse 6.1 und einer ersten Austrittsöffnung 7.1 sowie
ein zweiter Hohlleiter 5.2 mit einer zweiten Hohlleiterachse 6.2 und
einer zweiten Austrittsöffnung 7.2, ragt und in
dem ferner zwei, um je eine Rotationsachse 8 tordierte,
erste und zweite Modenrührer 9.1, 9.2,
und ein mit einem Katalysator 11 gefüllter Hohlzylinder 12 angeordnet sind.
Stirnseitig grenzt der Hohlzylinder 12, an eine Medienzuführungsöffnung 14 und
eine Medienabführungsöffnung 15, die
im Gehäuse ausgebildet sind.
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Das
Gehäuse ist ein Quader aus Stahlblech mit einer ersten,
zweiten, dritten und vierten Wand 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 als
Seitenwände sowie einer oberen Wand 4.5 und einer
unteren Wand 4.6. Die erste Wand 4.1 ist lösbar
mit den angrenzenden Wänden 4.2, 4.4, 4.5, 4.6 verbunden.
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Der
Hohlzylinder 12 besteht aus Quarzglas, ist für
Mikrowellen transmissiv und erstreckt sich in der Mitte des Gehäuses
durch den Innenraum 2 entlang einer Hohlzylinderachse 12.1 und
mit einer Hohlzylinderlänge 12.2 von der Medienzuführungsöffnung 14 in
der zweiten Wand 4.2 zu derer Medienabführungsöffnung 15 in
der vierten Wand 4.4. Der Hohlzylinder 12 kann
auch aus anderen für Mikrowellen transmissiven Gläsern,
Kunststoffen oder Materialverbänden bestehen. Der Hohlzylinder 12 ist über seine
gesamte Umfangsfläche zu den Wänden 4.1, 4.3, 4.5, 4.6 hin
beabstandet und schließt in Richtung der Hohlzylinderachse 12.1 mit
der zweiten Wand 4.2 und der vierten Wand 4.4 ab.
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Der
Durchmesser des Hohlzylinders 12 ist vorteilhaft nicht
größer als die doppelte, empirisch festgestellte
Eindringtiefe der Mikrowellen in den Katalysator 11 gewählt.
Die minimalen Abmessungen des Innenraums 2 sind durch den
Durchmesser des Hohlzylinders 12 und einen minimal erforderlichen Abstand
der gesamten Umfangsfläche des Hohlzylinders 12 von
den Wänden 4.1, 4.3, 4.5, 4.6 bestimmt.
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Bei
einer Eindringtiefe der Mikrowellen in den Katalysator 11 von
beispielsweise 10 cm weist der Hohlzylinder 12 einen Durchmesser
von 20 cm auf. Der senkrechte Abstand zwischen Hohlzylinder 12 und
den Wänden 4.1, 4.3, 4.5, 4.6 beträgt
in diesem Fall in jeder Richtung mindestens 10 cm. Bei einer würfelförmigen
Gestaltung des Gehäuses betragen die Kantenlängen
der Wände 4.1 bis 4.6 daher etwa 40 cm.
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Im
Inneren des Hohlzylinders 12 befindet sich eine Schüttung
eines Katalysators 11 aus einem Mikrowellen absorbierendem
Material. Der Katalysator 11 kann ein Metalloxid, ein Metallmischoxid,
z. B. auf Basis von Perowskit- oder Spinellstruktur, oder ein anderes
katalytisch aktives und Mikrowellen absorbierendes Material sein.
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Die
Rotationsachsen 8 des ersten Modenrührers 9.1 und
des zweiten Modenrührers 9.2 verlaufen zueinander
und zur Hohlzylinderachse 12.1 parallel. Der erste Modenrührer 9.1 ist
seitlich oberhalb des Hohlzylinders 12 und vor der dritten
Wand 4.3 vorhanden, während der zweite Modenrührer 9.2 sowohl
senkrecht unterhalb des ersten Modenrührers 9.1 als
auch unterhalb des Hohlzylinders 12 angeordnet ist. Erster
und zweiter Modenrührer 9.1, 9.2 sind
in der zweiten und vierten Wand 4.2, 4.4 gelagert und
jeweils mit einem außerhalb des Innenraumes 2 angeordneten
Antrieb 10 verbunden. Die tordierten ersten und zweiten
Modenrührer 9.1, 9.2 beschreiben entlang
ihrer Rotationsachsen 8 je eine Schraubenlinie und sind
so geformt, dass Mikrowellen höchstens punktweise in den
ersten Hohlleiter 5.1, beziehungsweise den zweiten Hohlleiter 5.2,
reflektiert werden.
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In
der ersten Wand 4.1 des Gehäuses sind der erste
Hohlleiter 5.1 und der zweite Hohlleiter 5.2 senkrecht übereinander
angeordnet. Die erste Hohlleiterachse 6.1 und die zweite
Hohlleiterachse 6.2 verlaufen zueinander und zu der zweiten
und der vierten Wand 4.2, 4.4 sowie der oberen
und der unteren Wand 4.5, 4.6 parallel und sind
von der zweiten Wand 4.2 lediglich mit einem Viertel der
Hohlzylinderlänge 12.2 beabstandet. Die erste
Hohlleiterachse 6.1 verläuft oberhalb des Hohlzylinders 12 und
trifft senkrecht auf die Rotationsachse 8 des ersten Modenrührers 9.1,
die zweite Hohlleiterachse 6.2 verläuft unterhalb
des Hohlzylinders 12 und trifft senkrecht auf die Rotationsachse 8 des
zweiten Modenrührers 9.2.
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Die
erste Austrittsöffnung 7.1 des ersten Hohlleiters 5.1 ist
bündig mit der ersten Wand 4.1 abschließend
ausgeführt. Die zweite Austrittsöffnung 7.2 des
zweiten Hohlleiters 5.2 ist, von der ersten Wand 4.1 ausgehend,
hinter der Hohlzylinderachse 12.1 angeordnet. Die erste
Austrittöffnung 7.1 und die zweite Austrittsöffnung 7.2 entsprechen
dem freien inneren Querschnitt des ersten und des zweiten Hohlleiters 5.1, 5.2.
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In
weiteren Ausführungen der Erfindung können die
Querschnitte des ersten und/oder zweiten Hohlleiters 5.1, 5.2 anders
geformt sein. Es kann auch eine andere Anzahl von Hohlleitern vorhanden sein.
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Der
erste Hohlleiter 5.1 und der zweite Hohlleiter 5.2 weisen
in einem außerhalb des Gehäuses befindlichen Bereich
jeweils einen Dreistifttuner 23 als Transformationseinrichtung
auf. Durch entsprechende Betätigung des Dreistifttuners 23 können
die elektromagnetischen Eigenschaften der Mikrowellen eingestellt
und an die Betriebsbedingungen des Mikrowellenreaktors 1 angepasst
werden.
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Stirnseitig
wird der Hohlzylinder 12 von je einer Lochplatte 13 aus
legiertem Stahlblech abgeschlossen, die so gestaltet ist, dass Mikrowellen
an einem Austritt aus dem Innenraum 2 gehindert werden,
ein zuzuführendes Medium aber leicht durchtreten kann.
Das Medium ist im Ausführungsbeispiel mit Kohlenmonoxid
und flüchtigen Kohlenwasserstoffen angereicherte Luft.
Es können jedoch auch andere gasförmige (z. B.
inerte Trägergase, Abgase) oder flüssige Medien
(z. B. Wasser oder wässrige Lösungen) mit anderen
gasförmigen, flüssigen oder festen Stoffen sowie
Mischungen dieser (Aerosole, Stäube) umgesetzt werden.
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An
die Medienzuführungsöffnung 14 ist ein Adapter 16 angesetzt,
der als ein zu der Medienzuführungsöffnung 14 hin
erweiterter Trichter ausgebildet ist und eine Zuleitung (nicht gezeigt)
mit der Medienzuführungsöffnung 14 verbindet.
Es ist auch möglich, einen Adapter 16 an der Medienabführungsöffnung 15 vorzusehen.
Alle mikrowellen- oder mediumleitende Komponenten des Mikrowellenreaktors 1 weisen
an ihren Kontaktstellen zu jeweils anderen Komponenten geeignete
Dichtungen 22 auf.
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Um
eine effiziente katalytische Stoffumsetzung zu unterstützen,
sind in dem Adapter 16 diffusionsunterstützende
Strukturen 16.1 vorhanden, die gemäß 2 als
ein über den freien Querschnitt des Adapters 16 reichende
Lochscheibe ausgebildet sind. Die diffusionsunterstützende
Strukturen 16.1 können jedoch auch beliebige anders
geformte und in den freien Querschnitt des Adapter 16 ragende Strukturen
oder aber Oberflächenstrukturen sein, durch die eine Ausbildung
einer laminaren Strömung verhindert wird.
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In
einer weiteren Ausführung des Mikrowellenreaktors 1 gemäß 3,
die in ihrem Aufbau ansonsten der in 1 gezeigten
Ausführung entspricht, ist der Innenraum 2 mit
einem dielektrischem und für Mikrowellen transmissiven
Füllstoff 17 ausgefüllt, wobei der Hohlzylinder 12 durch
den Füllstoff 17 gegen die Wände 4.1 bis 4.6 abgestützt
wird. In den Bereichen des ersten und zweiten Modenrührers 9.1, 9.2 ist
der Füllstoff 17 so ausgespart, dass diese weiterhin
frei rotierbar sind. Der Füllstoff 17 ist ein
geschäumtes und in Blöcken und Platten geformtes Aluminiumoxid.
Die Blöcke und Platten können bereits bei der
Montage des Mikrowellenreaktors 1 in den Innenraum 2 eingebaut
oder aber nachträglich, z. B. bei sich verändernden
Anforderungen an den Mikrowellenreaktor 1 und/oder sich
verändernden Betriebsbedingungen, ein- oder ausgebaut werden. Als
weiterer Füllstoff kann SiO2 verwendet
sein. Weiterhin ist eine Steuerung 18 vorhanden, die mit
Sensoren 19 im Innenraum 2 und an der Medienabführungsöffnung 15,
mit einer Mikrowellenquelle 20, mit einer das Medium bewegenden
Pumpe 21 und den Antrieben 10 der Modenrührer 9.1, 9.2 in
signalleitender Weise verbunden ist (stark schematisch dargestellt).
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Zum
Betreiben eines Mikrowellenreaktors 1, wie er in 3 dargestellt
ist, werden durch eine Mikrowellenquelle 20 Mikrowellen
erzeugt und mittels des ersten und des zweiten Hohlleiters 5.1, 5.2 zu den
Austrittsöffnungen 7.1, 7.2 geleitet.
Dabei können die Eigenschaften der in den Innenraum 2 einzukoppelnden
Mikrowellen mittels der Dreistifttuner 23 eingestellt werden,
wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Füllstoff 17 besteht
zwar aus einem für Mikrowellen transmissiven Material,
jedoch wird an den inneren und äußeren Oberflächen
der Blöcke und Platten des Füllstoffs 17 ein
Anteil der auftreffenden Mikrowellen reflektiert. Dieser Umstand
begünstigt eine diffuse und homogene Verteilung der Mikrowellen
in dem Innenraum 2. Zugleich wird aufgrund der wärmedämmenden
Wirkung des Füllstoffs 17 wenig Wärme
an die Umgebung des Mikrowellenreaktors 1 abgegeben. Auch
wirken sich schwankende Umgebungstemperaturen nur sehr gering auf
die Temperaturen im Innenraum 2 aus. Weiterhin schützt
der Füllstoff 17 den Hohlzylinder 12 bei auftretenden
Belastungen des Mikrowellenrealtors 1 durch Vibrationen
oder Stöße.
-
Die
Funktionsweise des Mikrowellenreaktors 1 soll anhand der
stark vereinfachten 4 erläutert werden.
Der gezeigte Aufbau entspricht grundsätzlich den Ausführungen
gemäß 1 und 3. Gemäß 4a,
b werden die Mikrowellen mittels des ersten und des zweiten Hohlleiters 5.1, 5.2 nahe
und parallel der zweiten Wand 4.2 in den Innenraum 2 eingekoppelt,
wodurch ein Anteil der Mikrowellen auf denjenigen Bereich des Hohlzylinders 12 auftrifft,
der sich in räumlicher Nähe zu der Medienzuführungsöffnung 14 befindet.
Dieser wird daher am direktesten durch die eingekoppelten Mikrowellen
erwärmt, während der Hohlzylinder 12 in
seinen von der zweiten Wand 4.2 entfernter liegenden Bereichen
durch diffus reflektierte Mikrowellen getroffen wird.
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Die
an der ersten Austrittsöffnung 6.1 eingekoppelten
Mikrowellen breiten sich als Wellenfront entlang der ersten Hohlleiterachse 6.1 aus,
wobei sich die Wellenfront aufgrund von Beugungseffekten ab der
ersten Austrittsöffnung 7.1 auch räumlich
um die erste Hohlleiterachse 6.1 ausbildet, wie dies in 4b angedeutet
ist. Ein Anteil dieser Wellenfront trifft auf den der ersten Wand 4.1 zugewandten
Bereich des Hohlzylinders 12 und wird dort im Wesentlichen
von dem Katalysator 11 absorbiert. Ein anderer Anteil der
Wellenfront trifft auf die Wände 4.1, 4.2 und 4.4 bis 4.6,
von wo er in den Innenraum 2 zurück reflektiert
wird. Dort kommt es entweder zur Absorption durch den Katalysator 11 oder
zu weiteren Reflexionen an den Wänden 4.1 bis 4.6.
Die reflektierten Mikrowellen können den Hohlzylinder 12 nun
bereits aus einer Vielzahl von Richtungen und unter verschiedenen
Winkellagen treffen, wodurch eine gleichmäßige
Erwärmung des Katalysators 11 erreicht wird. Wiederum
ein Anteil der Wellenfront dringt entlang der erste Hohlleiterachse 6.1 und
zwischen der oberen Wand 4.5 und dem Hohlzylinder 12 vor
und trifft senkrecht auf die Rotationsachse 8 des ersten
Modenrührers 9.1 und auf die dritte Wand 4.3. Die
auftreffenden Mikrowellen werden durch den ersten Modenrührer 9.1 unter
ständig wechselnden Winkellagen reflektiert. Die reflektierten
Mikrowellen treffen entweder auf eine weitere reflektierende Oberfläche
der Wände 4.1 bis 4.6, auf den zweiten
Modenrührer 9.2 oder aber sie fallen auf die der
dritten Wand 4.3 zugewandten Hälfte des Hohlzylinders 12 und
werden durch den Katalysator 11 weitgehend absorbiert.
-
Durch
die Anordnung der zweiten Austrittsöffnung 7.2 hinter
der Hohlzylinderachse 12.1 werden Mikrowellen in den hinteren
Bereich des Innenraums 2 eingekoppelt, weitgehend von dem
dort ebenfalls angeordneten zweiten Modenrührer 9.2 unter
ständig wechselnden Winkellagen reflektiert und homogen
im Innenraum 2 verteilt. Die hintere Hälfte des
Hohlzylinders 10 wird daher hauptsächlich von an
der zweiten Austrittsöffnung 7.2 eingekoppelten Mikrowellen
erreicht, während die vordere Hälfte hauptsächlich
durch die an der ersten Austrittsöffnung 7.1 eingekoppelten
Mikrowellen erreicht wird. Mittels der Steuerung 18 werden
die Eigenschaften der eingekoppelten Mikrowellen an die jeweiligen
Betriebsbedingungen angepasst.
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Der
erfindungsgemäße Mikrowellenreaktor 1 ist
insbesondere für Anwendungen geeignet, bei denen Wert auf
geringe Abmessungen und niedrige Gewichte bei gleichzeitig hoher
Effizienz gelegt wird. Zudem erlaubt die kompakte Bauweise des Mikrowellenreaktors 1 den
modularen Einsatz sowie eine unkomplizierte Erreichbarkeit aller
wichtigen Komponente z. B. für Wartungsarbeiten. Alle für
die Einstellung erforderlichen Komponenten können auf einer Seite,
z. B. bei der ersten Wand 4.1, untergebracht werden, wodurch
der Einbau auch in bestehende Systeme erleichtert wird und eine
leichte Bedienbarkeit gegeben ist.
-
Der
Mikrowellenreaktor 1 kann in allen Bereichen eingesetzt
werden, in denen in einem Medium transportierte Stoffe katalytisch
umgesetzt werden sollen. Dies können neben Reinigungen
von Medien wie die Umsetzung von Schadstoffen in der Luft, Aerosolen
oder Stäuben auch die Prozessierung von Medien und/oder
den darin transportierten Stoffen sein. Der erfindungsgemäße
Mikrowellenreaktor 1 kann mit einer hohen Effizienz hinsichtlich
der aufgewendeten Energien als auch hinsichtlich der pro Energieeinheit
umgesetzten Stoffmengen betrieben werden.
-
- 1
- Mikrowellenreaktor
- 2
- Innenraum
- 4.1
- erste
Wand
- 4.2
- zweite
Wand
- 4.3
- dritte
Wand
- 4.4
- vierte
Wand
- 4.5
- obere
Wand
- 4.6
- untere
Wand
- 5.1
- erster
Hohlleiter
- 5.2
- zweiter
Hohlleiter
- 6.1
- erste
Hohlleiterachse
- 6.2
- zweite
Hohlleiterachse
- 7.1
- erste
Austrittsöffnung
- 7.2
- zweite
Austrittsöffnung
- 8
- Rotationsachse
- 9.1
- erster
Modenrührer
- 9.2
- zweiter
Modenrührer
- 10
- Antrieb
- 11
- Katalysator
- 12
- Hohlzylinder
- 12.1
- Hohlzylinderachse
- 12.2
- Hohlzylinderlänge
- 13
- Lochplatte
- 14
- Medienzuführungsöffnung
- 15
- Medienabführungsöffnung
- 16
- Adapter
- 16.1
- diffusionsunterstützende
Struktur
- 17
- Füllstoff
- 18
- Steuerung
- 19
- Sensor
- 20
- Mikrowellenquelle
- 21
- Pumpe
- 22
- Dichtung
- 23
- Dreistifttuner
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10329411
B4 [0001, 0011, 0012, 0012]
- - JP 5-168950 A [0008, 0008]
- - DE 69304383 T2 [0009]
- - EP 0564359 B1 [0009]
- - DE 4313806 A1 [0010, 0010]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Will et al.
(2002 in: Chemie Ingenieur Technik 74: 1057–1067) [0005]
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1–8) [0005]
- - Hartmann et al. (2005 in: Chemie Ingenieur Technik 77: 1609–1617) [0005]