DE3117307A1 - Roehrenreaktor zur durchfuehrung photochemischer reaktionen - Google Patents

Description

• Röhrenreaktor zur Durchführung photocherischer Reaktionen
• Die Erfindung betrifft einen Röhrenreaktor zur Durchführung photochemischer Reaktionen, der eine rasche kontinuierliche Durchführung von photochemischen Reaktionen unter rückmischungsfreien Verhältnissen, die Bestrahlung des Reaktionsmediums unter einem großen Raumwinkel, sowie einen auf die Längeneinheit entfallenden maximalen Bestrahlungsfluß ermöglicht.
• Der erfindungsgemäße Röhrenreaktor kann bei allen photochemischen Reaktionen, die eine UV-Bes"ahlung hoher Intensität beanspruchen, z.B. Zerstörung von organischen Verbindungen in wässrigen Lösungen, der Synthese spezieller organischer Verbindungen, der bakteriologischen Entkeimung von Gewässern usw. vorteilhaft verwendet werden.
• Die zur Durchführung photochemischer Reaktionen bisher entwickelten Reaktoren waren in ihren Abmessungen an anderen Zwecken dienende, insbesondere als Lichtquellen entwickelte Lampenkonstruktionen angepasst. In der Mehrheit der Fälle, in denen die gewünschte photochemische Reaktion eine W-Strahlung beansprucht, sind diese Lichtquellen Nieder- oder Hochdruck-Gasentladungslampen. Bei einem bekannten Reaktor ist die Lichtquelle im Inneren des doppelwandigen kreisringförmigen Reaktorgefässes anoeordnet. Dabei vermindert die an der Wand der Lichtquelle und des Reaktorgefässes stattfindende zweimalice Absorption die Intensität der Bestrahlung. Bei einer geometrischen Anordnung, bei welcher die im Mittelpunkt angeordnete Lichtquelle von den die Probe enthaltenden Gefässen kreisringartig umgeben ist, können mehrere Proben gleichzeitig bestrahlt werden.
• Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß der auf eine probe entfallende Bestrahlungswinkel bedeutend kleiner ist.
• Die Intensität der Bestrahlung kann durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer Lichtquellen erhöht werden; bei dieser Anordnung werden die Lichtquellen in einem gemeinsamen Lampengehäuse, rund um das Reaktionsgefäss, angeoranet.
• Diese Lösung bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß einerseits infolge der im Lampengehäuse auftretenden Reflexionsverluste die Energieverwertung geringer wird, andererseits sich die mit der Leistung der Lichtquellen verbundene Wärmeentwicklung erhöht. Um die Temperatur des Reaktors regeln zu können, ist der Einbau weiterer Einheiten erforderlich. Bei Materialien mit hoher Lichtabsorptionsfähigkeit wurden zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit und der auf eine Volumeneinheit entfallenden Bestrahlungsleistung zahlreiche Filmreaktortypen entwickelt. Die gemeinsamen Charakteristika der Filmreaktoren sind folgende: zwischen der zu untersuchenden Flüssigphase und dem Gasraum besteht eine intensive Wechselwirkung, zur Analyse der flüchtigen Reaktionsprodukte muß eine komplizierte Methode verwendet werden; ferner kann man nur eine durch die Konstruktion bedingte, beschränkte Bestrahlungsdauer anwenden.
• Es ist daher die Aufgabe der Erfindung bei gleichzeitiger Beseitigung der obenerwähnten Nachteile einen Reaktor zu entwickeln, der mit einfachen Mitteln die Regelung der Bestrahlungsdauer zwischen weiten Grenzen ermöglicht, gleichzeitig den Vorteil aufweist, daß das Reaktormedium in eine geschlossenen Raum strömt, wodurch die verlustfreie kontinuierliche Analyse der Reaktionsprodukte erreicht wird. Ferner soll in dem Feaktorraum, bezogen auf die vorgegebene elektrische Leistung, ein höherer Strahlungsfluß, insbesondere im UV-Bereich, erreicht werden.
• Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die gestellte Aufgabe einfach gelöst werden kann, wenn der Reaktorraum in dem Gasentladungsraum selbst angeordnet ist, in aem die für die photochemische Reaktion erforderliche Bestrahlung emittiert wird. Die erfindungsgemäße Au~gave wird schliesslich mit einem Röhrenreaktor zur Durchführung photochemischer Reaktionen gelöst, welcher von einem den Reaktorraum enthaltenden und den Entladungsraum umschliessenden Entladungskörper gebildet ist, an dem Elektroden sowie zur Zu- und Abfuhr des Reaktionsmediums dienende Rohrstutzen vorgesehen sind.
• Der erfindungsgemäße Röhrenreaktor kann besonders vorteilhaft bei solchen Entladungen verwendet werden, bei denen eine hohe Elektrodentemperatur erreicht werden soll und wobei bei einfacher Geometrie der spezifische Strahlungsfluß bei erhöhtem Strom in Sättigung übergeht. Infolge der separaten Wandfläche des Reaktorraumes findet der letzterwähnte Effekt auf einem höheren Niveau statt, wodurch auch bei geringeren Abmessungen ein Strahlungsfluß höherer Dichte erreicht werden kann. Der Entladungskörper enthält die Mischung der die Strahlung emittierenden Gase und/oder Dämpfe, sowie die zur Aufrechterhaltung der Entladung erforderlichen Elektroden. Die zur gewünschten Strahlung führenden energetischen Prozesse finden während der Entladung statt. In dem Reaktorraum kann cer maximale Strahlungsfluß durch die geeignete Wahl des Durchmessers des Entladungsrohrs, des Druckes der Gase und/oder Dämpfe, der Röhrengeometrie des in dem Entladungsraum angeordneten Reaktors, sowie der den Entladungsstromkreis beschränkenden Bauteile eingestellt werden. Durch die Anordnung des Reaktorraums in de Entladungsraum selbst erreicht man eine Bestrahlung unter einem großen Raumwinkel; durch die Vermeidung einer doppelwandigen Lösung beläuft sich die Wandabsorption auf einen minimalen Wert.
• Der in dem Entladungskörper angeordnete Reaktorraum hat zweckmäßigerweise eine spiralförmige Geometrie. Die spiralförmige Gestaltung ermöglicht gleichzeitig die kontinuierliche, rückmischungs-reie Führung der photochemischen Reaktion und die Bestrahlung des Reaktionsmediums unter einem großen Raumwinkel.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, im Laufe dessen die gewünschte chemische Umwandlung durch UV-Strahlung hervorgerufen wird, ist der Entladungskörper mit zwei mit alkalischer Erde überzogenen spiralförmigen Elektroden aus Wolfram versehen und weist einen Entladungsraum aus einer Mischung von Quecksilberdampf und edlen Gasen unter dem Druck von 1-4 mbar auf.
• Zweckmäßigerweise überzieht man die Innenwand des Entladungskörpers mit einem in Bezug auf die photochemische Reaktion günstigen, die Strahlung reflektierenden Stoff, z.B. mit einer Schicht aus Bariumsulfat und/oder Magnesiumoyd oder die Außenwand des Entladungskörpers mit Metall bzw. mit einer Interferenz-Spiegelschicht.
• Man kann auch die Innenwand des Entladungskörpers und die Außenwand des Reaktorraumes mit einem für die photochemische Reaktion eine günstige Strahlung liefernden, lzzineszenten Stoff, z.B. Ralziumwolframat oder Ceriumumagnesium-Aluminat überziehen. Man kann die Strahlungsintensität zusätzlich auch dadurch erhöhen, daß man die Innenfläche des zylindrischen Entladungskörpers mit einem der gewünschten Strahlung entsprechenden Reflexionsüberzug versieht; ein Teil der im Entladungsraum entstehenden Strahlung wird nämlich an der Außenwand des Entladungskörpers absorbiert oder verläßt das System durch die Wand und geht verloren.
• Sollte die Strahlung der gewählten Entladung sich nicht dem Absorptionsspektrum der gewünschten photochemischen Reaktion anpassen, besteht die Möglichkeit, die Innenwand des Entladungskörpers und die Außenwand des Reaktorraumes mit einem das geeignete Spektrum ergebenden lumineszenten Material zu überziehen.
• Die erfindungsgemäße Lösung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Röhrenreaktors, teilweise im Schnitt, dargestellt ist Der zylindersymmetrische Entladungskörper 1 enthält den spiralförmigen Reaktor 2, der aus Glas oder Quarzglas mit einer spektralen Durchlässigkeit in dem der gewünschten Strahlung entsprechenden Wellenlängenbereich gefertigt wird. Der Entladungskörper 1 umhüllt den Entladungsraum 3 und trägt die Elektroden 4. Die Zu-und Abfuhr des Reaktionsmediums erfolgt über die Rohrstutzen 5.
• Beispiel 1: Eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röhrenreaktors für die Durchführung photochemischer Reaktionen unter der Wirkung energiereicher UV-Strahlung wird anhand dieses Beispiels näher erläutert: Der Durchmesser des Entladungskörpers 1 ist D = 15-50 mm, seine Länge H = 100-1000 mm. Bei einem optimalisierten Elektrodenraum beträgt H-h = 30-100 mm. Die Länge h des rohrförmigen Reaktors 2 sowie die Zahl der Spiralgänge werden in Abhangigkeit des gewünschten Rauminhalts des Reaktorraumes gewählt. Die Gewindesteigung soll die Bedingungen 1.1b - a - 2b, vorteilhaft a = 1.8 b, erfüllen. Der Entladungsraum enthält Ouecksilber in solcher Menge, daß sie zur Aufrechterr,altang eines durch die Was?atemceratur bedingten partiellen Quecks i lbe~damt druckes a7ährend der gesamten Lebensdauer des Reaktors ausreicht.
• Zu Gestaltung des optimalen Spekirums der Quecksilberdampfentladung wird ein Edelgas oder die Mischung mehrerer edelgas verwendet, vorzugsweise Argon, Krypton oder Neon, unter einem Druck von 1 - 4 mbar. Um die Entladung aufrechterhalten zu können und die Verluste an der Kathode und der Anode auf ein Minimum zu beschranken, werden die Elektroden 4 aus mit alkalischer Erde überzogenem Wolframdraht in einer doppelten oder dreifachen Spiralform gefertigt; um die das Zünden der Entladung ermöglichende Heizung sicherzustellen, werden die Elektroden mit je zwei Ausführungen ausgestaltet. Unter diesen Umständen emittiert die Quecksilberdampfentladung eine Strahlung in den Wellenlängen von überwiegend 185 und 254 mm. Diese energiereiche Strahlung ruft bei den meisen gelösten organischen Substanzen eine rasche und vollkommene Zersetzung hervor.
• Beispiel 2: Um die Intensität der zu dem Reaktorraum gelangenden Strahlung zu erhöhen, kann an der Wand des Entladungskörpers 1 eine Reflexionsschicht vorgesehen sein. Bei einer möglichen Ausführung des Röhrenreaktors nach Beispiel 1 wird die Innenwand des Entladungskörpers 1 mit einer Schicht aus Bariumsulfat oder Magnesiumoxyd - beide weisen hochgradige Reflexion im Bereich der Wellenlängen 185 und 254 mm auf - überzogen.Die Schicht kann beispielsweise n Form einer aus Magnesiumoxyd und in Butylazetat aufgelöster Nitrozellulose bestehenden Suspension aufgetragen werden; nach erfolgtem Verdampfen des Lcsemittels und Ausbrennen aes Bindemittels entsteht ein Reflexionsüberzug mit recht guter Dichte. Gleicherweise kann man die Strahlungsintensitat erhöhen, wenn an der Außenwand des Entladungskörpers 1 eine etallschlcht oder eine Interferenzspiegelschicht aufgetragen wird. Das Auftragen der Spiecelschicht kann vorteilna t durch Verd3rp ung in Vakuum yeschehen.
• Beispiel 3: Bei der im Beispiel 1 geschlilderten Lösung ergibt die Gasentladung bei 185 und 254 mm ein intensives Linienspektrum;im Bereich zwischen 300 und 400 mm werden dagegen nur Emissionslinien niedriger Intensität beobachtet. Sollte die Erregung der gewünschten photochemischen Reaktion innerhalb des letzterwähnten Bereiches optimal sein, werden die Wände des Entladungskörpers 1 und des Reaktorraumes 2 mit einem lumineszenten Material überzogen, dessen Emission in diesen Wellenlängenbereich fällt und die Strahlung der Quecksilberentladung mit einem guten Wirkungsgrad konvertiert. Als solches kann z.B. Kalziumwolframat oder Ceriummagnesiumaluminat verwendet werden. Die Schicht wird in der im Beispiel 2 geschilderten Weise aufgetragen.
• Die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Röhrenreaktors lassen sich auf zahlreichen Anwendungsgebieten verwerten.
• In dem Reaktor finden die eine hohe UV-Strahlungsintensität beanspruchenden photochemischen Reaktionen sowie die Zerstörung der gelösten organischen Verbindungen äußerst schnell statt.
• Die analytische Verwendung wird dadurch gefördert, daß die Bestrahlungsdauer durch die Einstellung der Strömungsgeschzçindigkeit geregelt werden kann, die diskontinuierliche oder kontinuierliche Betriebsweise kann beliebig gewählt werden, dabei besteht die Möglichkeit das Reaktionsmedium in einem geschlossenen System strömen zu lassen. Aus der geometriscnen Anordnung ergibt sich für den erfindungsgemäßen Röhrenreaktor eie energiesparende Konstruktion.

Claims (6)

1. Rchrenreaktor zur Durch-ührunW rDtocnemischer Reaktionen P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Röhrenreaktor zur Durchführung photochemischer Reaktionen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß derselbe von einem den Reaktorraum (2) enthaltenden und den Entladungsraum (3) umschliessenden Entladungskörper (1) gebildet ist, an dem Elektroden (4) sowie zur Zu- und Abfuhr des Reaktionsmediuns dienende Rohrstutzen (5) vorgesehen sind.
2. 2. Rölirenreaktor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der in dem Entladungskörper (1) angeordnete Reaktorraum (2) von einem spiralförmig gewundenen Rohr aus Glas oder Quartz gebildet ist, wobei die Steigung der Rohrspirale zwischen dem 1,1- und 2-fachen des Rohrdurchmessers liegt.
3. 3. Röhrenreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Entladungskörper (1) zwei mit alkalischer Erde überzogene spiralförmige Elektroden (4) aus Wolfram aufweist und sein Entladungsraum (3) eine Mischung von Quecksilberdampf und Edelgasen, insbesondere Argon und Krypton, unter einem Druck von 1 - 4 mbar, enthält.
4. 4. Röhrenreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Tnnenwand des Entladungskörpers (1) mit einer Schicnt aus einem die Strahlung für die Durchführung der photochemischen Reaktion reflektierenden Material, z.B. Bariumsulfat- und/oder Magneslurioxyd überzogen ist.
5. 5. Röhrenreaktor nach einem oaer mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die AuSenwand des Entladungskörpers (1) mit Metall oder einer Interferenz-Spiegelschicht überzogen ist.
6. 6. Röhrenreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Innenwand des Entladungskörpers (1) und die Außenwand des Reaktorraumes (2) mit einem für die für die Durchführung der photochemischen Reaktion erforderliche Strahlung lumineszenten Material, z.B. Kalziumwolframat oder Ceriummagnesiumaluminat, überzogen ist.