DE2214855A1

DE2214855A1 - Labor-autoklav zur durchfuehrung fotochemischer reaktionen

Info

Publication number: DE2214855A1
Application number: DE19722214855
Authority: DE
Inventors: Alfons Dr Saus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-03-27
Filing date: 1972-03-27
Publication date: 1973-10-11

Description

Labor-Autoklav zur Durchführung fotochemischer Reaktionen Die Erfindung betrifft einen Labor-Autoklaven, der für die Durchführung fotochemischer Reaktionen unter Druck geeignet ist-.
Bei einem bekannten Labor-Autoklaven dieser Art wird das Reaktionsmedium in einen verschließbaren Behälter aus Quarzglas gegeben, und der geschlossene Behälter mit dem Reaktionsmedium in einen Autoklaven eingebracht, in dem es der UV-Strahlung bei hohen Drücken ausgesetzt wird. Nachteilig ist hierbei, daß es nicht möglich ist, während der Reaktion Proben des Reaktionsgutes zu entnehmen und/oder die Reaktion durch Zuführung von Reaktionsteilnehmern zu beeinflussen.
Bei einer anderen bekannten Bauart können zwar die Reaktionsmedien während der Sberdruckbehandlung zu- und/oder abgeführt werden, doch ist die UV-Strahlenquelle außerhalb des Reaktionsraumes angeordnet, und die UV-Strahlung gelangt durch ein Fenster aus Quarzglas in den Reaktionsraum. Infolgedessen wird mr ein Bruchteil der UV-Strahlung Sür die chemischen Reaktionen ausgenutzt, so daß die Strahlungsintensität verhältnismäßig gering ist, uno aie Reaktionen u.U. sehr lange dauern. Bestimmte Reaktionen können mit dieser Vorrichtung gar nicht durchgeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Labor-Autoklaven für fotochemische Reaktionen zu schaffen, der die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht aufweist, sondern eine optimale Ausnutzung der gesamten Strahlungsleistung der UV-Strahlenquelle, und damit auch die Durchführung von Reaktionen, die eine hohe Aktivierungsenergie benötigen, in relativ kurzen Zeiten gestattet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine nach allen Seiten, vorzugsweise in Kugelgeometrie, abstrahlende UV-Lichtquelle innerhalb des von dem Reaktionsmedium ausgefüllten Reaktionsraumes des Autoklaven angeordnet ist.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist die UV-Strahlenquelle auf allen Seiten vom Reaktionsmedium umgeben, so daß die Lichtenergie auf einer größtmöglichen Oberfläche auf das Reaktionsgut einwirkt. Außerdem wird auf diese Weise die gesamte Lichtenergie dem Reaktionsgut angeboten. Infolge dieser Maßnahmen können nunmehr Reaktionen durchgeführt werden, die mit keinem der bekannten Autoklaven in vergleichbarer Zeit durchgeführt werden können. Schließlich erlaubt es die Anordnung nach der Erfindung ohne Schwierigkeiten, Zuführungs- und/oder Abführungsleitungen für Reaktionsmedien vorzusehen, durch die ohne Öffnung des Autoklaven Proben entnommen bzw. Reaktionsmedien zugeführt werden können.
Da UV-Lampen im Handel sind, die einem Druck von 100 atm und mehr standhalten, ist es grundsätzlich möglich, eine solche UV-Lampe ungeschützt im Innern des Reaktionsraumes anzuordnen.
Jedoch ist eine solche Anordnung nicht universell anwendbar.
Denn es liegen dann nicht nur die Lampe mit ihren Metallkontakten, sondern auch die Halterung der Lampe und ihre Zuleitungen ungeschützt im Reaktionsmedium. Diese Materialien werden jedoch von den Reaktionsmedien in vielen Fällen angegriffen, wodurch ggf. die Lampenhalterung korrodiert, das Reaktionsmedium verunreinigt und die gesamte Reaktion inhibiert werden kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht deshalb darin, daß innerhalb des Reaktionsraumes des Autoklaven ein einseitig geschlossenes Schutzrohr aus UV-strahlendurchlässigem Material angeordnet ist, dessen offenes Ende gegen die Autoklavenwand abgedichtet ist, wobei die elektrischen Zuleitungen durch das offene Ende des Schutzrohres und durch eine Bohrung in der Autoklavenwand nach außen geführt sind.
Vorteilhafterweise wird das Schutzrohr mit seinem offenen Ende im Deckel des Autoklaven befestigt.
Die Befestigung muß so vorgenommen sein, daß auch bei höchsten Drücken eine sichere Abdichtung gegeben ist. Hierfür hat sich eine Anordnung bewährt, die darin besteht, daß das Schutzrohr an seinem offenen Ende mit einem umlaufenden Flansch versehen ist, und durch eine unter den Flansch greifende Spannvorrichtung mit seiner Stirnseite unter Zwischenlage eines Dichtringes gegen die Dichtfläche in der Autoklavenwand bzw. im Autoklavendeckel gepreßt ist. Zweckmäßigerweise dient als Spannvorrichtung eine über das Schutzrohr geschobene Ringmutter mit Außengewinde.
Besondere Probleme wirft das Material des Dichtringes auf, und es hat sich gezeigt, daß unter den gegebenen Bedingungen sich hierfür insbesondere Metallegierungen, verschiedene Dunststoffe sowie Dichtungsmaterialien auf der Basis von Asbest eignen, sofern ihre Druckfestigkeit 4 bis 6 kp/mm2 beträgt. Im Einzelfall ist dabei das Material im Hinblick auf das jeweilige Reaktionsmedium auszuwählen, demgegenüber es chemisch inert sein soll.
Das Schutzrohr selbst besteht vorteilhafterweise aus Quarzglas bzw. aus einem hoch siliziumoxidhaltigen Glas. Schutzrohre mit einem Innendurchmesser von 20 bis 40 mm und einer Wandstärke von 3 bis 5 mm sind dabei in der Lage, einem äußeren Uberdruck von 200 atm und mehr standzuhalten, vorausgesetzt, daß das geschlossene Ende halbkugelförmig ausgebildet ist.
Sollen besonders hohe Drücke zur Anwendung kommen, dann kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Innenraum des Schutzraumes ebenfalls unter Überdruck gesetzt werden, und zwar zwec£näßigerweise mit einem von dem Reaktionsmedium unterschiedlichen Druckmedium, durch das die UV-Lampe und die Zuleitungen nicht angegriffen werden. Der Gegendruck ist zweckmäßigerweise niedriger als der Druck im Reaktionsraum, so daß durch den verbleibenden Differenzdruck eine gute Abdichtung des Schutzrohres gegen den Reaktionsraum sichergestellt ist.
Wenn ohne Gegendruck im Schutzrohr gearbeitet wird, sind entsprechende Sicherheitsmaßnahmen für den Fall eines Bruches des Schutzrohres angebracht. Zu diesem Zweck kann beispielsweise in Verlängerung des Schutzrohres ein druckfestes Stahlrohr zum Auffangen des unter Druck stehenden Reaktionsmediums und der Splitter bei einem Bruch des Schutzrohres angeordnet sein. - Selbstverständlich ist es stattdessen auch möglich, die Bohrung, durch die die Zuleitungen für die UV-Lampe nach außen geführt werden, so abzudichten, daß die Abdichtung auch in Fall einer beim Bruch des Schutzrohres auftretenden hohen Druckbelastung standhält.
Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Labor-Autoklaven werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
Ein Labor-Autoklav 1 üblicher Bauart wird mit einem Deckel 2 verschlossen. Der Deckel 2 ist im vorliegenden Fall angeflanscht. Er kann stattdessen auch aufgeschraubt werden'. Auf der Unterseite ist der Deckel 2 mit einer zentrischen zylindrischen Vertiefung 3 versehen, die auf ihrer Mantelfläche mit einem Innengewinde 4 versehen ist. Konzentrisch zu der Vertiefung 3 liegt die Bohrung 5, die den Deckel 2 durchdringt.
Auf einer Seite des Deckels 2 sind die miteinander in Verbindung stehenden Bohrungen 7, 8 angebracht. Die Bohrung 8 mündet in den Reaktionsraum. Durch diese Leitung können Reaktionsmedien in den Autoklaven eingeführt werden. Auf der gegenüberliegenden Seite sind die miteinander in Verbindung stehenden Bohrungen 10 und 11 angebracht, die in das Rohr 12 münden.
Das Rohr 12 reicht bis auf den Boden des Reaktionsraumes und dient dazu, Reaktionsmedien aus dem Reaktionsraum zu entneiL-nen.
Die Bohrung t3 im Boden des Autoklaven kann ebenfalls für die ^ leerung des Autoklaven benutzt werden.
.n der Vertiefung 3 ist das Schutzrohr 16 befestigt. Das schutzrohr 16 besteht aus W6-strahlendurchlässigem .lrzglas.
Dus freie Ende des Schutzrohres 06 ist halbkugelförmig abgeschmelzen. An dem in der Vertiefung 3 sitzenden Ende ist es mit einem Flansch 17 versehen. Die Stirnfläche des Flansches 17 ist plangeschliffen. Zwischen der Stirnfläche des Flansches 17 und der gegenüberliegenden Oberfläche der Vertiefung 3 ist eine ringförmige Dichtung 18 angeordnet. Das Material dieses Dichtungsringes 18 muß so beschaffen sein, daß es von dem jeweiligen Reaktionsmedium nicht angegriffen wird. Darüberhinaus muß es folgende Eigenschaften aufweisen: a) Seine Druckfestigkeit soll nicht wesentlich höher sein, als es für den durch das Schutzrohr übertragenden Maximaldruck erforderlich ist. Unter den üblichen Bedingungen soll die Druckfestigkeit etwa 4 bis 6 kp/mm2 betragen. b) Seine Deformationsfähigkeit muß hinreichend groß sein, um sich auch den geringsten Unebenheiten anzupassen. c) Es muß neben seiner chemischen auch hinreichende thermische Resistenz aufweisen. d) Es darf nicht verspröden und muß gasdiffusionsdicht sein. Besonders bewährt haben sich Metallegierungen auf der Basis von Zinn und Blei, z.B. eine Legierung aus 65 % Zinn und 35 % Blei. Aber auch andere Metalle wie Gold, Silber, Kupfer, Zink, Aluminium oder Legierungen wie Messing und Bronze kommen in Frage.
Das Schutzrohr 16 ist mittels der Ringmutter 20, die in das Gewinde 4 eingeschraubt wird, an dem Deckel 2 befestigt. Zwischen die Ringmutter 20 und den Flansch 17 des Schutzrohres ist der Gleitring 21 zwischengeschaltet. Er besteht vorzugsweise aus demselben material wie die Dichtung 18.
innerhalb des Schutzrohres 16 ist die UV-Lampe 23 angeordnet.
Sie sitzt in einer metallischen Halterung 24, deren senkrechter Steg 25 so schmal wie möglich ausgebildet ist, um möglichst wenig UV-Strahlen abzuschirmen. Die Halterung 24, 25 sitzt am Ende des Rohres 26, in dem die elektrischen Zuleitungen unter gebracht sind. Das Ror 26 ist aus dem Autoklaven herausgeführt; die Kontakte für den elektrischen Anschluß der UV-Xsm?e sind in dem Steckgehäuse 27 untergebracht.
In Verlängerung des Schutzrohres 16 ist auf der Außenseite des Deckels 2 ein druckfestes Schutzrohr 28 angeordnet, Es ist am oberen Ende durch den Stopfen 29 verschlossen, in dem ein Kapillarrohr 30 angeordnet ist. Außer dem die tflT-Lampe tragenden Rohr 26 ist an dem Stahlrohr 28 ein bis auf die Höhe der UV-Lampe reichendes Rohr 31 befestigt, das ebenfalls nach außen geführt ist und in einen Anschlußstutzen 32 mündet. Zwischen dem Stahlrohr und dem Anschlußstutzen 32 ist ein Rückschlagventil 33 angeordnet. Das Rohr 31 dient dazu, die während des Betriebes der UV-Lampe durch die Lampe abgegebene Wärme durch einen durch das Rohr 31 geleiteten Inertgasstrom fortlaufend abzuführen. Das erwärmte Gas strömt durch das Kapillarrohr 30 wieder nach außen.
Das Innenvolumen des Stahlrohres 28 ist so bemessen, daß es zusammen mit dem Innenvolumen des Schutzrohres 16 etwa so groß ist wie das verfügbare Volumen des Reaktionsraumes. Bei einem Bruch des Stahlrohres 16 wird dieses Innenvolumen von Schutzrohr 16 und Stahlrohr 28 von dem unter Druck stehenden Reaktionsmedium ausgefüllt, so daß dadurch der Druck spontan auf die Hälfte absinkt. Infolgedessen braucht also das Stahlrohr 28 nur für den halben Betriebsdruck des Autoklaven ausgelegt zu sein.
Durch die beim Bersten des Schutzrohres 16 spontan auftretende Volumenvergrößerung und die Expansionsmöglichkeit der Reaktionsgase durch das Kapillarrohr 30 wird nicht nur ein kontrolliertes Abführen der freigesetzten Gase ermöglicht, sondern diese kühlen sich infolge der raschen Expansion spontan ab.
Selbst explosionsfähige Gasgemische von erhöhter Temperatur kühlen sich bei richtiger Wahl der lichten Öffnung des als Düse wirkenden Kapillarrohres 30 so weit ab, daß ihre Zündtemperatur unterschritten, und dadurch das gefahrlose Ableiten der Gase sichergestellt ist.
Zur Thermostatisierung des Reaktionsmediums kann die thermische Energie der UV-Lampe oder eine von außen auf den Mantel des Autoklaven einwirkende Heizung mit einer im Autoklaven angeordneten Kühlschlange (nicht dargestellt) kombiniert werden.
Die Durchmischung inhomogener Reaktionskomponenten erfolgt am günstigsten durch Anwendung eines Kreislaufsystems der Reaktionsmedien zwischen den Bohrungen 7, 8 und dem Bodenablauf 13 bzw. den Bohrungen 10, 11.

Claims

Patentansprüche

Labor-Autoklav zur Durchführung fotochemischer Reaktionen unter Druck, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß eine nach allen Seiten abstrahlende UV-Lichtquelle (23) innerhalb des von dem Reaktionsmedium ausgefüllten Reaktionsraumes des Autoklaven (1) angeordnet ist.
2. Labor-Autoklav nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Reaktionsraumes des Autoklaven (1) ein einseitig geschlossenes Schutzrohr (16) aus UV-strahlendurchlässigem Material angeordnet ist, dessen offenes Ende gegen die Autoklavenwand abgedichtet ist, und innerhalb dessen die UV-Lichtquelle angeordnet ist, wobei die elektrischen Zuleitungen durch das offene Ende des Schutzrohres und durch eine Bohrung in ir Autoklavenwand nach außen geführt sind.
3. Labor-Autoklav nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Reaktionsraum hineinragende freie Ende des Schutzrohres (16) halbkugelförmig ausgebildet ist.
4. Labor-Autoklav nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (16) aus Quarzglas bzw. aus hoch siliziumdioxidhaltigem Glas besteht.
5. Labor-Autoklav nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (16) in dem Deckel 62) des Autoklaven (1) befestigt ist.
6. Labor-Autoklav nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (16) an dem in dem Deckel (2) befestigten Ende mit einem umlaufenden Flansch (17) versehen ist, und mit seiner Stirnseite unter Zwischenschaltung eines Dichtringes (18) gegen den Deckel (2) dichtend zur Anlage kommt.
2. Labor-Autoklav nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung des Schutzrohres (16) durch einen unter den Flansch (17) greifenden Gewindering (20) sichergestellt ist.
8. Labor-Autoklav nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (18) aus einem gegenüber dem jeweiligen Reaktionsmedium chemisch inerten Material mit gutem plastischen Deformationsvermögen und einer Druckfestigkeit von etwa 4 bis 6 kp/mm2 besteht.
9. Labor-Autoklav nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (18) aus einer Metallegierung auf der Basis von Zinn und Blei besteht.
10.Labor-Autoklav nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite des Deckels (2) des Autoklaven (1) in Verlängerung des Schutzrohres (16) ein druckfestes Stahlrohr (28) zum Auffangen des unter Druckstehenden Reaktionsmediums und der Splitter bei einem Bruch des Schutzrohresangeordnet ist.
11.Labor-Autoklav nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenvolumen des Stahlrohres (28) so bemessen ist, daß das gesamte Innenvolumen von Schutzrohr (16) und Stahlrohr (28) etwa dem Volumen des Reaktionsraumes entspricht.
12. Labor-Autoklav nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Schutzrohres (16) ein bis in die zähe der UV-Lichtquelle (23) reichendes, nach außen führendes Rohr (31) für die Zuführung eines Kühlgases angeordnet, und eine weitere Öffnung (30) für die Ableitung des Kühlgases vorgesehen ist.
13. Labor-Autoklav nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Autoklavendeckel (2) bzw. das Stahlrohr (28) mit Anschlüssen versehen sind, die es gestatten, innerhalb des Schutzrohres (16) mit einem gasförmigen Medium einen unterhalb des Druckes im Autoklavenraum liegenden Gegendruck aufrechtzuerhalten.
14. Labor-Autoklav nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (2) des Autoklaven (1) mit Leitungen (7,8; 10,11; 13) für die Zu-und Abführung von Reaktionsmedien während des Reaktionsablaufes versehen sind.

L e e r s e i t e