DE2305761C3

DE2305761C3 - Photochemischer Reaktor

Info

Publication number: DE2305761C3
Application number: DE2305761A
Authority: DE
Inventors: Alfred 7500 Karlsruhe Graentzel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-02-07
Filing date: 1973-02-07
Publication date: 1975-08-28
Also published as: DE2305761A1; FR2216014A1; US3993911A; DE2305761B2; GB1461506A; FR2216014B1

Description

Die Erfindung betrifft einen photochemischen ao Reaktor mit einem Reaktionsgefäß iur Aufnahme von zu bestrahlenden Substanzen, einer UV-Strahlungsquelle sowie Leuchtstoffen zur Umwandlung des UV-Lichtes der Strahlungsquelle in eine die photochemischen Reaktionen der Substanzen bevvirkende Wellenlänge.

Bei bekannten Reaktoren dieser Bauart werden als Strahlungsquellen Quecksilber-Niederdrucklampen verwendet, deren Röhren mit Leuchtstoffen beschichtet sind (s. Cat. No. RPR -204-208 der Firma »The Southern New England Ultraviolet Company, 954 Newfield Street, Middletown, Connecticut 06457, U.S.A.). Je nach der gewünschten Wellenlänge werden dabei Lampen mit unterschiedlicher Leuchlstoffbeschichtung eingesetzt. Diese Lampen haben jedoch nur eine begrenzte Lebensdauer, da insbesondere infolge der Elektrodenzerstäubung die Leuchtstoffe in ihrer Strahlungsleistung nach einer gewissen Betriebszeit 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 Ausnutzung der Strahlungsquelle erreicht werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Leuchtstoffe von der Strahlungsquelle räumlich getrennt zwischen dieser und dem Reaktionsgefäß in einem evakuierbaren oder mit einem Schutzgas füllbaren Zwischenraum angeordnet sind. Der Zwischenraum kann dadurch geschaffen y.f-3' n, in dem das Rraktionsgefäß unter Hinhalten eines vorgegebenen Abstandes von einem Mantel ■u is reinem Quarzglas umschlossen ist. Das Reaktionsgefäß besteht zweckmäßig aus Glas oder einem Filterquarz, wobei die Leuchtstoffe auf dessen der Strahlungsquelle zugewandter Außenwand angebracht sind. Sollen jedoch die zu belichtenden Substanzen in flüssigen Stickstoff oder flüssige Luft getaucht werden, so wird die Innenwand des Quarzmantels mit den Leuchtstoffen versehen, damit diese auf ihrer optimalen Arbeitstemperatur gehalten werden können.

Mit diesen erfindungsgemäßen Maßnahmen wird insbesondere erreicht, daß die Lebensdauer und die zulässige Intensität der Strahlungsquelle nicht mehr von den Leuchtstoffen bzw. deren Wirksamkeit be-761

grenzt wird, da sich diese außerhalb des Gasentladungsraumes der Lampe befinden und hier wesentlich leichter auf ihrer optimalen Arbeitsteniperatui (etwa 20⁰C) gehalten werden können. Dies wiedenin gestattet sowohl eine Erhöhung der Strahlungsleistung als auch eine bessere und längere Ausnutzung der Leuchtstoffe. Das Reaktionsgefäß und dei Quarzmantel sind im Normalfall mittels einandei zugeordneter Flanschen lösbar miteinander verbunden. Dadurch kann ein Reaktionsgefäß mit einer bestimmten Leuchtstoffbeschichtung leicht gegen ein Gefäß mit einer anderen Leuchtstoffschicht ausgewechselt werden, so daß die Apparatur an unterschiedliche Wellenlängen angepaßt werden kann. Dasselbe gilt auch für den Quarzmantel, sofern dieser die Leuchtstoffe trägt. Wird jedoch das Reaktionsgefäß auf sehr niedrige Temperaturen gebracht, z. B. mit flüssigem Stickstoff gefüllt, so müssen, um ein Vakuum von etwa 10~^e Torr in dem Zwischenra'im aufrechtzuerhalten, aus Dichtheitsgründen Gefäß und Quarzmantel fest miteinander verschmolzen werden. Dabei werden die Substanzen bzw. die Substanzlösungen in gesonderte Quarzgefäße eingefüllt, die in den flüssigen Stickstoff eintauchen, während die Leuchtstoffschicht auf der Innenseite des äußeren Quarzmantels aufgebracht wird, um die Leuchtstoffe funktionsfähig zu erhalten.

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

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind in das Reaktionsgefäß zylindrische Verdrängungskörper einsetzbar, die zusammen mit der Innenwand des Reaktionsgefäßes die Bildung von Ringräumen unterschiedlichen Volumens gestatten, so daß 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 Mantelbzw. Gefäßdurchmesser immer gleich groß bleibt. Der Verdrängungskörper kann darüber hinaus auch gleichzeitig zur Kühlung der Substanzen herangezogen werden, indem er z. B. als Kühlaggregat ausgebildet ist, durch das ein Kühlmedium hindurchgeleitet wird. Q

Um eine gleichmäßige und optimale Reaktion eier 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 Magnetrührer für die Zirkulation der Substanzen angeordnet ist. Dadurch werden sehr hohe Umlaufgeschwindigkeiten der Substanzen bzw. der Substanzlösungen erzielt, die die gewünschten photochemischen Reaktion, insbesondere bei geringer Eindringtiefe der Strahlung, beschleunigen.

An Stelle des Rührers kann man auch durch eine oder mehrere Treibleitungen ein Schutzgas, z. B. Stickstoff, leiten, das am unteren Ende des Verdrängungskörpers durch an dessen Peripherie angebrachte Fritten austritt, sodann durch die Substanzlösung hindurch oben perlt und dabei die Lösung nach oben mitreißt bis zum oberen Ende des Rücklauf«

so daß ebenfalls eine Zirkulation der Substanzen eingeleitet wird.

Ausführungsbeispiele und weiteie Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch im Längsschnitt einen photochemischen Reaktor, bei dem der äußere Quarzmantel und das Reaktionsgefäß lösbar miteinander verbunden sind;

F i g. 2 zeigt einen Reaktor, bei dem der äußere Quarzmantel und das Reaktionsgefäß fest miteinander verschmolzen sind;

F i g. 3 zeigt schematisch eine Anordnung, bei der das Reaktionsgefäß die Strahlungsquelle, die lösbar mit dem leuchtstoffbeschichteten Quarzmantel verbunden ist, ringförmig umschließt;

F i g. 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 aus dem Reaktionsgefäß 1, dem Quarzmantel 2, dem 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, so daß sie einen nach außen abgeschlossenen, ringförmigen Zwischenraum

11 bilden, der e\akuiert oder mit einem Schutzgas gefüllt ist. Auf der Außenseite des Gefäßes 1 ist die Leuchtstoffschicht 12 aufgebracht. Der Boden des Gefäßes 1 bleibt durchsichtig, damit der Reaktionsraum leicht beobachtet werden kann. Das Gefäß 1 hat oben und unten eine radiale Erweiterung, damit beim Einführen desselben in den Mantel 2 die empfindliche Leuchtstoffschicht nicht beschädigt wird. An Stelle der unteren Erweiterung kann auch ein Silikonring treten, damit beim Verschrauben des Gefäßes 1 mit dem Mantel 2 eine eventuelle Verkantung licht zum Bruch führt. Der Verdrängungskörper 3 trägt an seinem oberen Teil einen Hui 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 Kühlmittelzufuhrleitung 21 geführt, die mit ihrer Mündung bis in die Nähe des Ringraumbodens 22 ragt. An den oberen Abschluß

23 des Rangraumes 20 ist eine Rück! auf leitung 24 angeschlossen, so daß das Kühlmittel nach seinem Austritt aus der Leitung 21 den Ringraum 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 mündet 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, so daß eine feste Verbindung zwischen dem Hut 13 und dem Körper 3 besteht.

Wird nun durch das Rohr 25 ein Spül- oder Schutzgas (für Photoreaktionen unter Sauerstoffausschluß), z. B. Stickstoff, geleitet, so tritt es durch die Fritten 27 aus und perlt durch die in dem Gefäß 1 befindliche Substanzlösung, um durch die obere öffnung 28 wieder auszuströmen. Dabei wird die in dem Gefäß 1 befiudliche Substanzlösung (Pfeile A) entlang der Gefäßwand nach oben getrieben, um dann durch das zentrale Rohr 18 des Verdrängungskörpers 3 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 sich bekannter Weise gekühlt; die Strahlungsleistung kann jedoch mit Hilfe der Erfindung erheblich höher gehalten werden als 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.

Die Fig. 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 Filterquarz) bestehende Reaktionsgefäß 32 unter Einhalten eines Zwischenraumes 33 an ihren oberen Enden miteinander verschmolzen. Das Gefäß 32 ist mit flüssigem Stickstoff oder flüssiger Luft 34 gefüllt, in die ein weiteres Quarzgefäß 35 eintaucht, das die Substanzlösung 36 enthält. In diesem Fall ist die Leuchtstoffschicht 37 auf der Innenseite des Quarzmantels 31 angebracht.

Die F i g. 3 stellt eine Ausführungsform dar, bei der es möglich ist, die UV-Strahlungsquelle 38 (z. B. eine Quecksilberhochdruck- oder Niederdrucklampe), anstatt an der Peripherie zentral anzuordnen und für die zu belichtenden Substanzen einen die Quelle 38 umschließenden Ringraum 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 Fall ist die Leuchtstoffschicht 40 auf der Innenseite des Quarzmantels 42 angebracht. Quarzmantel 42 ist mit Flanschen 44 lösbar mit dem Bestrahlungsgefäß 45 verbunden.

Dadurch kann die Strahlungsausbeute noch weiter erhöht werden. Für die Kühlung der Quelle sind Kühlluftzu- und -ableitungen 46, 47 vorgesehen.

In der F i g. 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 Leuchtstoffschicht 51 ist innerhalb dieses Zwischenraumes 48 auf dem inneren Rohr 49 aufgebracht.

Das Gefäß 52 aus Quarzrohrglas für die zu belichtenden Substanzen ist 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 Bruchgefahr vermindert wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

23

Photochemischer Reaktor mit einem Reaktionsgefäß zur Aufnahme von zu bestrahlenden Substanzen, einer UV-Strahlungsquelle sowie Leuchtstoffen zur Umwandlung des UV-Lichtes der Strahlungsquelle in eine die photochemischen Reaktionen der Substanzen bewirkende Wellenlänge, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffe (12) von der Strahlungsquelle (4) räumlich getrennt zwischen dieser und dem Reak- tionsgefäß (1) in einem evakuierbaren oder mit einem Schutzgas füllbaren Zwischenraum (11) Angeordnet sind.