DE2305761A1

DE2305761A1 - Photochemischer reaktor

Info

Publication number: DE2305761A1
Application number: DE2305761A
Authority: DE
Inventors: Alfred Graentzel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-02-07
Filing date: 1973-02-07
Publication date: 1974-09-12
Also published as: US3993911A; DE2305761B2; DE2305761C3; FR2216014A1; FR2216014B1; GB1461506A

Description

Die Erfindung betrifft einen photochemiachen Reaktor zur Durchführung photochemischer Heaktionen mit einem strahlungsdurch- . ' , lässigen Reaktionsgefäß zur Aufnahme von zu bestrahlenden Substanzen, einer UV-Strahlüngsquell« und Leuchtstoffen, die daa UV-Licht der Strahlungsquelle (254 nm). in eine leuchtstoffapezifische, die photochemisehen Reaktionen der Substanzen bewirkest· Wellenlänge umwandeln.

Bei bekannten Reaktoren dieser Bauart werden al» Strahlungsquellen Quecksilber-Niederdrucklampen verwendet, deren Möhren mit Leuchtstoffen beschichtet sind· Je nach der gewünschten Wellenlänge werden dabei Lampen mit unterschiedlicher Leuchtstoffbeschichtung eingesetzt. Diese Lampen haben jedoch nur eine begrenzte Lebensdauer, da insbesondere infolge der Elektrodenzerstäubung die Leuchtstoffe in ihrer Strahlungsleistung nach einer gewissen Betriebezeit nachlassen. Außerdem sind für die Lampen hohe Kühlleistungen erforderlich, da die Leuchtstoffe nur bei relativ niedriger Temperatur von etwa 20° C optimal arbeiten·

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, einen photochemischen Reaktor der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit dessen Komponenten wesentlich längere Betriebszeiten sowie eine erhöhte Auenutzung der Strahlungsquelle erreicht werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgeaäS darin, da9 di· Leuchtstoffe von der Strahlungsquelle räualich getrennt zwischen dieser und dem fleaktionsgefäfl in einem evakuierbaren oder mit einem Schutzgas fflllbaren Zwischenraum angeordnet sind. Der Zwischei raum kann dadurch geschaffen werden, in dem daa Reaktionsgefäß untei Einhalten eines vorgegebenen Abstandes von einem Mantel aus reinen Quarzglas umschlossen ist. Das Heaktionagefäß besteht zweckmäßig aus Glas oder einem Filterquarz (Quarz unterschiedlicher UV-Durchlässigkeit), wobei die Leuchtstoffe auf dessen der Strahlungsquelle

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6RlSlNAL INSPECTED

zugewandter Außenwand angebracht sincU Sollen jedoch die zu belichtenden Substanzen in flüssigen Stickstoff oder flüssige Luft getaucht werden., so wird di@ Innenwand des Quarsmantels mit-den Leuchtstoffen versehen, damit diese auf ihrer-optimalen Arbeitstempo ratur gehalten werden können«

Mit diesen erfindungsgemäßen Maßnahmen wird insbesondere erreicht,, daß die Lebensdauer und die zulässige Intensität der Strahlungsquelle nicht mehr von den Leuchtstoffen Tozw_e deren Wirksamkeit begrenzt wirdj» da sich diese außerhalb des -Gasentladungsraums der Lampe befinden und hier wesentlich leichter auf ihrer optimalen Arbeitsiesperatur (ea* 20°C) gehalten werden können· Dies wiederum gestattet sowohl eine Erhöhung der Strahlungsleistung als auch, eine bessere- unü längere Ausnutzung der Leuchtstoffeο Das Reaktionsgefäß wan ä®v Quarsmantel sind im Mormalfall mittels einander zugeordneter Planschen lösbar miteinander verbundene. Dadurch kams ein Seaktlonsgefäß mit einer bestimmten Leuchtstoffbeschichtung leicht gegen ein Gefäß mit einer anderen Leuchtstoffschicht ausgewechselt werden, sodaß die Apparatur aß unterschiedliche" Wellenlängen angepaßt wercten kann* Dasselbe gilt auoiL für äen. Quarzmantel, sofern dieser die Leuchtstoffe trägt« Wird jedoch das Reaktionsgefäß auf sehr niedrige Temperaturen gebracht, g«>B. mit flüssigem Stickstoff gefüllt, so müssen, um ein Vakuum tob ca» 10 torr in dem Zwischenraum aufrechtzuerhalten ₉ rus Dichtheitsgründen Gefäß und Quarzmantel fest miteinander "versehmolsen werden« Dabei werden die Substanzen bzw* die Substanzlösungen in gesonderte Quarzgefäße eingefüllt^ die in den flüssigen Stick- · stoff eintauchen, während die Leuchtstoffschicht auf der Innenseite des äußeren Quarzmantels aufgebracht wird, vsa die Leuchtstoffe funktionsfähig zu erhalten*,

TTm die von der Strahlungsquelle gelieferte Strahlung bestmöglich auszunutzen, reicht der Quarzmantel bis auf einen geringen Kühlspalt an die Strahlungsquelle heran.

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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, sind in das Reaktionsgefäß zylindrische Verdrängungskörper einsetzbar, die zusammen mit der Innenwand des Reaktionsgefäßes die Bildung von Hingräumen unterschiedlichen Volumens gestatten, sodaß auch geringe Substanzmengen in dem selben Gefäß optimal ■behandelt werden können. Vor allem können dadurch unabhängig von dem Volumen der zu belichtenden Substanz äußerst kurze Bestrahlungszeiten erreicht werden, da der ausnutzbare Strahlungswinkel der Quelle bei gleichbleibendem Mantel- bzw. Gefäßdurchniesser immer gleich groß bleibt. Der Verdrängungskörper kann darUberhinaus auch gleichzeitig zur Kühlung der Substanzen herangezogen werden, indem er z.B. als Kühlaggregat ausgebildet ist, durch das «in Kühlmedium hindurchgeleitet wird.

Um eine gleichmäßige und optimale Reaktion der zu bestrahlenden Substanzen zu erzielen, ist es ferner von Vorteil, den zylindrischen Verdrängungskörper mit einer achsparallelen, vorzugsweise zentralen Rücklaufleitung zu versehen, die beidseitig mit dem Ringraum in Verbindung steht und an deren unterem Ende ein von außen angetriebener läagnetrührer für die Zirkulation der Substanzen angeordnet ist. Dadurch werden sehr hohe Umlaufgeschwindigkeiten der Substanzen bzw. der Substanzlösungen erzielt, die die gewünschten photochemischen Reaktionen, insbesondere bei geringer Eindringtiefe der Strahlung, beschleunigen.

An Stelle des Rührere kann man auch durch eine oder mehrere Treibleitungen ein Schutzgas, z.B. Stickstoff,' leiten, das am unteren Ende dee Verdrängungskörpers durch an dessen Peripherie angebrachte Fritten austritt, sodann durch die Substanzlösung hindurch nach oben perlt und dabei die Lösung nach oben mitreißt bis zum oberen Ende des Rücklaufs, sodaß ebenfalls eine Zirkulation der Substanzen eingeleitet wird.

Ausführungsbeispiele und weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert:

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Die Figur 1 zeigt echematisch im !Längsschnitt einen photochemischen" Reaktor, bei dem der äußere Quarzmantel und das Reaktions· gefäß löbar miteinander verbunden sind,

die Figur 2 zeigt einen Reaktor, bei dem der äußere Quarzmantel und - das Reaktionsgefäß fest miteinander verschmolzen sind,

die Figur 3 zeigt schematisch eine Anordnung bei der das Reaktionsgefäß die Strahlungsquelle, die lösbar mit dem leuchtstoff beschichteten Quarzmantel verbunden ist, ringförmig umschließt.

die Figur 4- zeigt eine Anordnung, bei der der Zwischenraum durch zwei

konzentrische Rohre gebildet wird, die an ihren offenen -Enden vakuumdicht miteinander verschmolzen sind.

Der Reaktor besteht im wesentlichen au3 dem Reaktionsgefäß 1, dem Quarzmantel 2, der Verdrängungskörper 3 und der den Quarzmantel umschließenden Strahlungsquelle 4» Das Reaktionsgefäß 1 und der Quarzmantel 2 sind an ihrem oberen Ende mittels Flanschen 5» 6, einer zwischengeschalteten Dichtung 7, Druckringen 8, 9, und Schrauben 10 miteinander verbunden, sodaß sie ©inen nach außen abgeschlossenen, ringförmigen Zwischenraum 11 bilden, der evakuiert oder mit einem Schutzgas gefüllt ist. Auf der Außenseite des Gefäßes ist die Leuchtstoffschicht 12 aufgebracht. Der Boden des Gefäßes 1 bleibt durchsichtig, damit der Reaktionsraum leicht beobachtet werden kann» Daa Gefäß 1 hat oben und unten eine radiale Erweiterung, damit beim Einführen desselben in den Mantel 2 die empfindliche Leuchtstoffschicht nicht beschädigt wird. Anstelle der unteren Erweiterung kann auch ein Silikonring treten, damit beim Verschrauben des Gefäßes 1 mit dem Mantel 2 eine ©ventuelle Verkantung nicht zum Bruch führt. Der Verdrängungskörper 3 trägt an seinem oberen Teil einen Hut 13, der mittels eines Flansches 14, einer Dichtung 15, einem Druckring 16, Schrauben 17, und dem Druckring 9 mit dem Gefäß 1 verbunden ist.

Der Verdrängungskörper 3 besteht im wesentlichen aus zwei konzentrischen Rohren, 18, 19 die einen abgeschlossenen Ringraum 20 bilden. In diesen Ringraum 20 ist eine Kühlmittelsufuhrleitung 21

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geführtt die mit ihrer Mündung bis in die Nähe des Ringraumbodene 22 ragt. An den oberen Abschluß 23 des -iingraums 20 ist eine Rücklaufleitung 24 angeschlossen, sodaß das Kühlmittel nach seinem Austritt aus der Leitung 21 den .iingraum 20 von unten nach oben durchströmt und durch die Leitung 24 abgeführt wird.

Ein weiteres Rohr 25 ist ebenfalls durch den Hut 13 und den Ringraum 20 hindurchgeführt und bürdet in einer unteren Kammer 26, die an ihrer Peripherie gasdurchlässige Fritten 27 trägt. Alle drei Rohre 21, 24 und 25 sind mit dem Hut 13 verlötet, sodaß eine feste Verbindung zwischen dem Hut 13 und dem Körper 3 besteht·

liird nun durch das Hohr 25 ein Spul- oder Schutzgas (für Photoreaktionen unter Sauerstoffausschluß), z.B. Stickstoff, geleitet, so tritt es durch die fritten 21 aus und perlt durch die in dem Gefäß 1 befindliche Subotanzlösung, um durch die obere Öffnung wieder auszuströmen. Dabei wird die in dem Gefäß 1 befindliche Subotanzlösung (Pfeile A) entlang der Gefäßwand nach oben getrieben, um dann durch das zentrale Hohr 18 des Verdrängungskörpers wieder zum Gefäßboden 29 zurückzuströmen·

Im Verlaufe des Aufwärtsströmens der Substanzlösung trifft die von der Strahlungsquelle 4 angeregte Sekundärstrahlung der Leuchtstoffe 12 auf die Substanzen und bewirkt die gewünschten photochemischen Reaktionen. Die Strahlenquelle 4 wird dabei in an eich bekannter Weise gekühlt; die Strahlungsleistung kann jedoch mit Hilfe der Erfindung erheblich höher gehalten werden ala bei bekannten Reaktoren dieser Bauart.

An Stelle des Spül- oder Schutzgases oder zusätzlich zu diesem ist am Boden 29 des Gefäßes 1 ein von außen angetriebener Rührer 30 vorgesehen, der die Substanzlösung aus dem Rohr 18 ansaugt und entlang der Wand des Gefäßes 1 hochdrückt.

Die obere Öffnung 28 dient neben dem bereits erläuterten Zweck zum Füllen und Entleeren des Gefäßes 1 mit bzw. von der Substanzlösung und gegebenenfalls zum Einführen von Meßinstrumenten wie einem Thermometer·

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Die Figur 2 zeigt eine Ausführungsform₍ -die die Behandlung der Substanzen bei sehr tiefen Temperaturen gestattet. Hierzu sind der Quarzmantel 31 und das aus Quarz unterschiedlicher Durchlässigkeitsbereiche (sogenanntes Filterquar^)bestehende Reaktionsgefäß 32 unter Einhalten eines Zwischenraums 33 an ihren oberen Enden miteinander verschmolzen« Das Gefäß 32 ist mit flüssigem Stickstoff oder flüssiger Luft 34 gefüllt, in die ein weitere» Quarzgefäß 35 eintaucht, das die Substanzlösung 36 enthält. In diesem Fall ist die Leuchtstoffschicht 37 auf der Innenseite des Quarzmantele 31 angebracht.

Die Pigiir 3 stellt eine AusfUhrungsform dar, bei der es möglich ist, die UV-Strahlungsquelle 3β (z.B. eine Quecksilberhochdruckoder niederdrucklampe),anstatt an der Peripherie zentral anzuordnen und für die zu belichtenden Substanzen einen die Quelle umschließenden äingraum 39 vorzusehen, wobei die Leuchtstoffschicht 40 dann ebenfalls zwischen Quelle 38 und Substanzraum 39 in einem gesonderten Zwischenraum 41-untergebracht wird» Hierzu sind die beiden Quarzmäntel 42, 43 unter^ Einhalten eines Zwischenraumes 41 an ihren oberen Enden miteinander verschmolzen. In diesem Pail ist die Leuchtstoffschicht 40 auf. d©r Innenseite des Quarzmantels 42 angebracht· Quarzmantel 42 ist mit Planschen 44 lösbar mit dem Bestrahlungsgefäß 45 verbunden·

Dadurch kann die Strahlungsausbeute noch weiter erhöht werden. Für die Kühlung der Quelle sind Kühlluft zu- und Ableitungen 46, vorgesehen ·

In der Pigur 4 wird der Zwischenraum 48 aus zwei in Abstand voneinander gehaltenen, konzentrischen Quarzrohren 49» 50 gebildet, die an ihren Stirnseiten vakuumdicht miteinander verschmolzen sind· Die Leuchtstoffechicht 51 ist innerhalb dieses Zwischenraums 48 auf dem inneren Rohr 49 aufgebracht.

Das Gefäß 52 aus Quarzrohrglas für die zu belichtenden Substanzen iat zentral innerhalb des Doppelrohrs 49» 50 angeordnet, während die Strahlungsquelle 4 die Rohre 49, 50 umschließt. Diese Anordnung kann mit Vorteil bei relativ langen Bestrahlungsgefäßen angewendet werden, da hierdurch vor allem die Bruchgefahf vermindert wird.

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Claims

' Patentansprüche

1. Photochemischer Reaktor mit einem Reaktionsgefäß zur Aufnahme Ton sra bestrahlend cn Substanzen, einer TJV-S trahlungsquelle sowie Leuchtstoffen» die das UV-Licht der Strahlungsquelle In eine leuchtstoffspezifische, die photochemischen Reaktionen der Substanzen bewirkende Wellenlänge umwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffe (12) von der Strahlungequelle (4) räumlich getrennt zwischen dieser und dem Reaktionsgefäß (1) in einem evakuierbaren oder mit einem Schutzgas füllbaren Zwischenraum (11) angeordnet sind.

2. Photochenischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß das Reaktionsgefäß (1) unter Einhalten eines vorgegebenen Abstandes von einem Mantel (2) aus UV-Licht-durchlässigem Werkstoff umschlossen 1st.

3· Photochemischer Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Keaktlonsgefäß (1) aus Glas cder einem für UV-Licht undurchlässigen Filterquarz und der Mantel (2) aus reinem Quarzglas besteht·

4. Photochemischer Reaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffe (12) auf der Außenwand des Reaktionsgefäßes (1) angebracht sind.

5« Photochemischer Reaktor nach Anspruch. 2 oder 3, mit einer Vorrichtung oder Mitteln für die Tiefkühlung der Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffe (37) auf der Innenwand des Quarzmantels (31) angebracht sind.

6. Photochemischer Reaktor nach Anspruch 2 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß Reaktionsgefäß (1) und Quarzmantel (2) lösbar miteinander verbunden sind·

7· Photochenischer Reaktor nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzmantel (2) unter Prellassen eines

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Xühlspalts bis'an die Strahlungsquelle (4) heranreicht.

8« Photochemischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Reaktionsgefäß (1) Verdrängungskörper (3) unterschiedlicher Große einsetzbar sind, die zusammen mit dem Reaktionsgefäß im Bestrahlungsbereich '^::ingräume für die Substanzen jeweils unterschiedlichen Volumens bilden.

9. Photocheraischer Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (3) als Kühlaggre^ßt ausgebildet ist, durch das ein Kühlmedium hindurchleithar

' ist.

10. Photochemiseher Heaktor nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (3) eine durchgehende, zentrale Hücklaufleitung (18) aufweist, die beidseitig mit dem Hingraum (11) in Verbindung steht und an deren unterem Ende ein von außen angetriebener Magnetrührer (30) angeordnet ist.

11. Photochemischer Reaktor nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (3) als dickwandiges Rohr ausgebildet und von einer Treib- oder Spülleitung (25) durchdrungen ist, die am unteren >Jnde gegen die Substanzlösung mittels gasdurchlässiger Fritten (27) abgeschlossen ist.

12. Photochemischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (38) zentral angeordnet und von einem die Substanzen enthaltenden PJLngraum (39) umschlossen ist, und daß die Leuchtstoffschicht (40) in einem gesonderten Zwischenraum (41) zwischen Quelle und Substanzen untergebracht iot.

13. Photochemischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (48) aus zwei in Abstand voneinander gehaltenen, konzentrischen und an ihren Stirnseiten miteinander verschmolzenen Quarzrohren (49, 50) gebildet ist, die das Gefäß (52) mit den Substanzen umgeben.

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