DE3926363A1 - METHOD AND DEVICE FOR THE HEAT TREATMENT OF MIXTURE ORGANIC SUBSTANCES AND RELATED APPLICATION - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR THE HEAT TREATMENT OF MIXTURE ORGANIC SUBSTANCES AND RELATED APPLICATIONInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung, insbesondere zur thermisch induzierten Änderung des Aggregat zustandes, von organischen Substanzen, insbesondere von Gemischen, die wenigstens eine organische Substanz, vorzugsweise eine Vielzahl solcher Substanzen enthalten, durch Beaufschlagung mit mindestens einem Mikrowellenfeld vorgegebener Nennfrequenz, wobei wenigstens eine Substanz im Einbringungszustand sowie in einem vorgegebenen Temperaturbereich und im Bereich der Mikro wellen-Nennfrequenz absorptionsfähig ist. Der Erfindungs gegenstand erstreckt sich ferner auf entsprechende Anwendungen.The invention relates to a method for heat treatment, especially for the thermally induced change of the aggregate condition, of organic substances, in particular of Mixtures containing at least one organic substance, preferably contain a large number of such substances by exposure with at least one microwave field of a predetermined nominal frequency, where at least one substance in the introduced state and in a predetermined temperature range and in the micro range nominal wave frequency is absorbent. The invention subject also extends to corresponding applications.
Bei der Wärmebehandlung von Substanzen und Substanzgemischen der vorgenannten Art im Rahmen einer industriellen Anwendung liegt in vielen Fällen eine Problematik im einzuhaltenden Gleich förmigkeitsgrad des Temperaturfeldes innerhalb vergleichsweise großer Volumina des Behandlungsgutes. Diese Problematik ist vor allem gravierend im Falle von organischen Substanzen mit niedriger Zersetzungstemperatur und hier wiederum besonders bei Prozessen mit Änderung des Aggregatzustandes, vielfach Schmelz prozessen, weil der Abstand zwischen Verfahrenstemperatur und Zersetzungstemperatur vergleichsweise gering werden kann. In the heat treatment of substances and mixtures of substances aforementioned type in the context of an industrial application lies in a problem in many cases in the same to be observed degree of formality of the temperature field within comparatively large volumes of the material to be treated. This problem arises especially serious in the case of organic substances low decomposition temperature and here again in particular Processes with a change in the state of matter, often melting processes because the distance between process temperature and Decomposition temperature can become comparatively low.
Geringfügige lokale Überhitzungen können dann zur Entwertung einer Charge oder sogar zu weiteren unerwünschten Reaktionen führen. Ein wichtiges Verfahrenskriterium ist daher die Einhal tung eines ausreichenden Gleichförmigkeitsgrades des Mikrowellen feldes im Bereich des Behandlungsvolumens.Slight local overheating can then lead to devaluation a batch or even further undesirable reactions to lead. An important procedural criterion is therefore the content a sufficient degree of uniformity of the microwaves field in the area of the treatment volume.
Dabei handelt es sich vor allem um eine Verflüssigung des im Ausgangszustand vollständig oder teilweise in festem Zustand vorliegenden Gemisches, z. B. zwecks Herstellung einer gleich mäßigen Verteilung oder Lösung der Komponenten oder auch zur gezielten Einleitung von Reaktionen zwischen gewissen Komponen ten. Unter Verflüssigung ist im vorliegenden Zusammenhang der Vorgang des Schmelzens oder des in-Lösung-Bringens zu verstehen. Diese Vorgänge treten oft überlagert auf, indem zunächst eine Gemischkomponente oder mehrere derselben in Schmelze gehen, worauf die übrigen Komponenten in dieser Teilschmelze aufgelöst werden. In den vorliegenden Zusammenhang gehören aber auch im wesentlichen reine Lösungsprozesse, bei denen im Ausgangszustand gewisse Komponenten - im Grenzfall sogar alle Komponenten - bereits in flüssiger Form vorliegen, jedoch bei Normaltemperatur miteinander oder mit den festen Komponenten nicht oder nur schwer eine Lösung bilden. Die Überführung in eine homogene Lösung soll dann durch die Mikrowellenbeaufschlagung herbeigeführt oder beschleunigt werden. Grundsätzlich fallen auch Abdampfungs- und Destillationsprozesse in den vorliegenden Zusammenhang. It is primarily a liquefaction of the im Initial state completely or partially in a solid state present mixture, e.g. B. for the purpose of producing one moderate distribution or solution of the components or targeted initiation of reactions between certain components In the present context, under liquefaction is the Understand the process of melting or dissolving. These processes often occur overlaid by first one Mixture component or more of them go into melt, whereupon the other components dissolved in this partial melt will. In the present context also belong in essential pure solution processes in which in the initial state certain components - in the extreme case even all components - already in liquid form, but at normal temperature with each other or with the solid components not or only with difficulty to form a solution. The transfer to a homogeneous solution is said to then brought about by the microwave exposure or be accelerated. Basically, evaporation and Distillation processes in the present context.
Aufgabe der Erfindung ist daher zunächst die Schaffung eines Verfahrens, das eine gleichförmige und qualitätsschonende Wärmebehandlung, insbesondere eine thermisch induzierte Änderung des Aggregatzustandes, von organischen Substanzen ermöglicht.The object of the invention is therefore first to create a Process that is uniform and quality-saving Heat treatment, especially a thermally induced change of the physical state, made possible by organic substances.
Hinsichtlich des Verfahrens ist die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe bestimmt durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 5 bzw. 7, hinsichtlich der zugehörigen Einrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 9 bzw. 11. Erfindungsgemäße Anwendungen sind bestimmt durch die Merkmale der Ansprüche 19 bis 21.With regard to the method, the solution according to the invention is This task is determined by the features of claims 1 and 5, respectively or 7, with regard to the associated facility by the Features of claims 9 and 11. Applications according to the invention are determined by the features of claims 19 to 21.
Die Erfindung wird weiter anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen erläutert.The invention is further illustrated on the basis of exemplary embodiments Using the drawings explained.
Fig. 1 zeigt eine quaderförmige Mikrowellenkammer 1 an sich bekannter Art mit innerhalb zweier einander gegenüberliegender Seitenwände 2a, 2b angeordneten Mikrowellen-Einkoppelfeldern 3a, 3b. Diese Einkoppelfelder sind durch rasterförmig verteilt angeordnete Antennen AT einer entsprechenden Vielzahl von Magnetrons MG gebildet. Die metallischen Kammerwände bilden einen allseitig reflektiv begrenzten Resonanzraum, in dem sich durch Vielfachreflexion und Überlagerung der eingekoppelten Wellen ein im wesentlichen stationäres Mikrowellenfeld ausbildet. Der Resonanzraum ist jedoch nicht auf einen vorgegebenen Schwingungs modus der Mikrowelle abgestimmt, weil die damit verbundene Ausbildung von ausgeprägten Schwingungsknoten und -bäuchen unerwünscht wäre. Vielmehr wird eine möglichst weitgehende Aufspaltung der Mikrowellenenergie in unterschiedliche Schwingungsmoden sowie in ein die Nennfrequenz übergreifendes Frequenzband angestrebt. Die Folge davon ist allerdings, daß eine definierte oder gar berechenbare Feldverteilung im Resonanz raum nicht mehr gegeben ist. Fig. 1 shows a cuboid microwave chamber 1 of a known type with inside two opposing side walls 2 a, 2 b arranged microwave coupling fields 3 a, 3 b. These coupling fields are formed by antennas AT of a corresponding plurality of magnetrons MG which are arranged in a grid pattern. The metallic chamber walls form a resonance space which is delimited on all sides in a reflective manner, in which an essentially stationary microwave field is formed by multiple reflection and superimposition of the coupled waves. However, the resonance room is not matched to a predetermined vibration mode of the microwave, because the associated formation of pronounced vibration nodes and bellies would be undesirable. Rather, the aim is to split the microwave energy as far as possible into different vibration modes and into a frequency band spanning the nominal frequency. The consequence of this, however, is that a defined or even predictable field distribution in the resonance room is no longer given.
Voraussetzung für einen stationären Betriebszustand im zuläs sigen Belastungsbereich der Magnetrons ist eine ausreichende Absorption der Wellenenergie, die durch eine - hier nicht dargestellte - Minimal-Absorptionslast in der Kammer einschließ lich der Wandverluste sichergestellt wird. Die zu behandelnde Mischung wird unter Verwendung geeigneter Behältnisse in voluminöser Form in das Mikrowellenfeld eingebracht. Dabei ist es für die Aufheizung des Gesamtvolumens oft ausreichend, wenn nur eine Mischungskomponente oder nur wenige derselben im Bereich der Mikrowellen-Nennfrequenz und innerhalb eines sich an die Ausgangstemperatur nach oben anschließenden Temperaturbereiches einen dielektrischen Verlustfaktor von wenigstens etwa 20×10-4 vorzugsweise mindestens etwa 45×10-4 aufweisen. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn gewisse Mischungskomponenten im genannten Temperaturbereich einen merklich positiven Temperatur koeffizienten des Verlustfaktors haben. Einer etwa störenden dielektrischen Reflexion der Mikrowelle an der Mischungs oberfläche infolge eines zu hohen Betrages der Dielektrizitäts zahl, wodurch der Energieeintritt in das Gut herabgesetzt wird, kann mittels dem Gut vorgeschalteter bzw. dieses umgebender Transformationsschichten passender Dicke und Dielektrizitätszahl begegnet werden. Zweckmäßig kann hierzu gegebenenfalls die Wandung des Gutbehälters herangezogen werden, die ansonsten vorzugsweise aus einem bezüglich des Mikrowellenfeldes absorptions- und reflexionsarmen Material besteht.A prerequisite for a steady-state operating state in the permissible load range of the magnetrons is sufficient absorption of the wave energy, which is ensured by a - not shown here - minimal absorption load in the chamber including the wall losses. The mixture to be treated is introduced into the microwave field in voluminous form using suitable containers. It is often sufficient for the heating of the total volume if only a mixture component or only a few of them in the range of the microwave nominal frequency and within a temperature range following the initial temperature upwards has a dielectric loss factor of at least about 20 × 10 -4, preferably at least about 45 × 10 -4 . This is particularly true when certain mixture components in the temperature range mentioned have a noticeably positive temperature coefficient of the loss factor. An approximately disturbing dielectric reflection of the microwave at the mixture surface due to an excessive amount of dielectric, which reduces the energy entry into the material, can be countered by means of the material upstream or surrounding transformation layers of suitable thickness and dielectric constant. For this purpose, the wall of the material container can expediently be used, which otherwise preferably consists of a material with low absorption and reflection with respect to the microwave field.
Als wesentlich für den erreichbaren Grad der angestrebten Moden- und Frequenzaufspaltung und damit den Gleichförmigkeitsgrad des Mikrowellenfeldes sowie der Energieabsorption in einem aus reichend großen Bereich des Kammervolumens hat sich das Verhältnis der Kammerabmessungen zur Wellenlänge des Mikrowellen feldes erwiesen. Eingehende Untersuchungen haben ergeben, daß für eine qualitätsschonende Wärmebehandlung von empfindlichen organischen Substanzen im vorliegenden Sinne die Hauptabmessungen des frequenz- und modenaufspaltenden Resonanzraumes das etwa Achtfache der auf Nennfrequenz bezogenen Freiraumwellenlänge des Mikrowellenfeldes nicht unterschreiten dürfen. Zufolge umfangreichen praktischen Versuchen sollten diese Haupt abmessungen das etwa Zehnfache, vorzugsweise das etwa Zwölffache der auf Nennfrequenz bezogenen Freiraumwellenlänge des Mikro wellenfeldes nicht unterschreiten. As essential for the achievable degree of the desired fashion and frequency splitting and thus the degree of uniformity of the Microwave field and energy absorption in one that has a sufficiently large area of the chamber volume Ratio of chamber dimensions to the wavelength of the microwave field proved. Detailed investigations have shown that for quality-friendly heat treatment of sensitive organic substances in the present sense the main dimensions of the frequency and mode-splitting resonance room Eight times the free space wavelength of the Must not fall below the microwave field. As a result extensive practical trials should do this major dimensions about ten times, preferably about twelve times the free-space wavelength of the microphone related to the nominal frequency not fall below the wave field.
Die Gleichförmigkeit der Absorptionsverteilung kann ferner dadurch verbessert werden, daß ein Behandlungsvolumen des Substanzgemisches gewählt wird, das etwa 15% des Resonanzraum volumens nicht überschreitet. Vorteilhaft wird das Behandlungsvolumen noch geringer gehalten, z. B. auf höchstens etwa 12%, vorzugsweise höchstens etwa 8% des Resonanzraum volumens.The uniformity of the absorption distribution can also can be improved in that a treatment volume of Substance mixture is chosen, which is about 15% of the resonance space volume does not exceed. It will be advantageous Treatment volume kept even lower, e.g. B. at most about 12%, preferably at most about 8% of the resonance space volume.
Ein anderes Kriterium für den anzustrebenden Gleichförmigkeits grad der Absorption bei der Wärmebehandlung von empfindlichen organischen Substanzgemischen in großvolumigen Resonanzkammern ist die Bandbreite der Frequenzaufspaltung. Hierzu wurde festgestellt, daß die Bandbreite der Frequenzaufspaltung mindestens etwa 0,2%, vorzugsweise mindestens etwa 0,45% und am besten mindestens etwa 0,7% der Nennfrequenz beträgt.Another criterion for the uniformity to be striven for degree of absorption in the heat treatment of sensitive organic substance mixtures in large-volume resonance chambers is the bandwidth of the frequency splitting. This was done found that the bandwidth of the frequency splitting at least about 0.2%, preferably at least about 0.45% and am is best at least about 0.7% of the nominal frequency.
Fig. 2 zeigt hierzu in Form von Amplituden-Frequenzspektren I und II zwei zur Nennfrequenz von 2,45 GHz etwa symmetrische Aufspaltungsbänder mit einer Bandbreite von etwa 0,2% bzw. 0,7% der Nennfrequenz. Fig. 2 shows this in the form of amplitude-frequency spectra I and II two approximately symmetrical to the nominal frequency of 2.45 GHz splitting bands with a bandwidth of about 0.2% and 0.7% of the nominal frequency.
Alternativ oder zusätzlich kann mit dem gleichen Ziel der Grad der Modenaufspaltung in den erfindungsgemäß eingesetzten, großvolumigen Resonanzkammern herangezogen werden, nämlich auf eine Anzahl von mindestens etwa 60 verschiedenen Moden. Alternatively or additionally, the degree can be pursued with the same goal the mode splitting in the inventive, large-volume resonance chambers are used, namely on a number of at least about 60 different modes.
Die erfindungsgemäße Verfahrensweise mit ihren verschiedenen dargelegten Varianten, vor allem auch in Form kombinierter Ausführungen, ermöglicht eine intensive, jedoch zersetzungsfreie Wärmebehandlung, insbesondere eine Verflüssigung, von organischen Substanzen mit Zersetzungstemperaturen im Bereich von 80°C und darunter bis etwa 100°C. Dabei besteht ein besonders wichtiger Anwendungsbereich für Substanzen mit einer relativ geringen Differenz zwischen Schmelz- und Zersetzungstemperatur, nämlich einer solchen von weniger als 50°C oder sogar weniger als 30°C.The procedure according to the invention with its various presented variants, especially in the form of combined Versions, enables an intensive, but decomposition-free Heat treatment, especially liquefaction, of organic Substances with decomposition temperatures in the range of 80 ° C and below up to about 100 ° C. There is a particularly important one Area of application for substances with a relatively small Difference between melting and decomposition temperature, namely that of less than 50 ° C or even less than 30 ° C.
Als Beispiele von organischen Substanzen, die vor allem innerhalb vielkomponentiger Mischungen für die Anwendung des erfindungs gemäßen Verfahrens in Betracht kommen seien genannt: Hexylcyanmetaldehyd, Butylhydroxytoluol (BHT), Butylhydroxyanisol (BHA). Technologisch wichtige Anwendungen mit Abdampfprozessen betreffen in diesem Zusammenhang vor allem lösungsmittelhaltige Gemische, z. B. Lack- und Klebstoffsysteme, solche mit Destilla tionsprozessen z. B. Gemische und Lösungen mit ätherischen Ölen. Bei der Verarbeitung von Klebstoffsystemen ist ferner die Einleitung bzw. Beschleunigung von Aushärtungsprozessen zu nennen. Weitere wichtige Anwendungen finden sich in technologi schen Mischprozessen mit bei Normaltemperatur hochviskosen Klebstoff- bzw. Harzsystemen.As examples of organic substances, especially within multicomponent mixtures for the application of the Invention according to the procedure are: Hexylcyanmetaldehyde, Butylhydroxytoluene (BHT), Butylhydroxyanisole (BHA). Technologically important applications with evaporation processes in this context mainly concern solvents Mixtures, e.g. B. paint and adhesive systems, such with Destilla tion processes z. B. Mixtures and solutions with essential oils. When processing adhesive systems is also the Initiation or acceleration of curing processes call. Other important applications can be found in technology mixing processes with highly viscous at normal temperature Adhesive or resin systems.
Grundsätzlich ist auch bei einer relativen Optimierung bzw. auch bei kombinierter Anwendung der vorgenannten Maßnahmen mit noch beachtlichen Intensitätsunterschieden innerhalb des Wellenfeldes zu rechnen. Im Falle von erfindungsgemäß bemessenen Groß volumenkammern hat es sich jedoch in der Praxis gezeigt, daß gemäß Fig. 3 im Bereich des Schnittpunktes S der Diagonalen D1, D2, D3 eines quaderförmigen oder kubischen Resonanzraumraumes im allgemeinen ein vergleichsweise homogener Feldbereich vorliegt. Eine Substanzaufnahme 4, vorzugsweise in Form eines Behälters mit bezüglich des Mikrowellenfeldes im wesentlichen absorptions- und reflexionsfreien Wandungen, wird daher in diesem Raumbereich angeordnet. Fig. 4 zeigt eine im wesentlichen gleichwertige Variante, bei der die Substanzaufnahme 4 im Bereich des Schnitt punktes S der Raumdiagonalen d1, d2, d3 zwischen Eckbereichen der diametralen Rasterfelder 3a, 3b von Mikrowellen- Einkoppelvorrichtungen angeordnet ist.In principle, even with a relative optimization or even when the aforementioned measures are used in combination, considerable differences in intensity within the wave field can be expected. In the case of large volume chambers dimensioned according to the invention, however, it has been shown in practice that, according to FIG. 3, there is generally a comparatively homogeneous field area in the area of the intersection S of the diagonals D 1 , D 2 , D 3 of a cuboid or cubic resonance space. A substance holder 4 , preferably in the form of a container with walls which are essentially absorption and reflection-free with respect to the microwave field, is therefore arranged in this area. Fig. 4 shows an essentially equivalent variant, in which the substance intake 4 is arranged in the area of the intersection S of the spatial diagonals d 1 , d 2 , d 3 between corner areas of the diametrical grid 3 a, 3 b of microwave coupling devices.
Fig. 5 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Verfahrensvariante für eine Wärmebehandlung im kontinuierlichen Durchlaufbetrieb, z. B. für die vorgenannte Verflüssigung und Durchmischung von hochviskosen Harzsystemen. Hierzu ist im zentralen Bereich des Resonanzraumes ein im Querschnitt großflächiges U-Rohr als Durchlauf-Substanzaufnahme angeordnet. Fig. 6 veranschaulicht die in der Praxis vielfach unerläßliche Zuhilfenahme eines mechanischen Mischwerkzeugs 5 mit Rotationsantrieb 5a, der an einer allseitig geschlossene Substanzaufnahme 4b befestigt ist. Fig. 5 illustrates a method variant according to the invention for a heat treatment in continuous continuous operation, for. B. for the aforementioned liquefaction and mixing of highly viscous resin systems. For this purpose, a U-tube with a large cross section is arranged in the central area of the resonance chamber as a continuous substance intake. Fig. 6 illustrates the often indispensable aid of a mechanical mixing tool 5 with a rotary drive 5 a, which is attached to a closed substance receptacle 4 b.
Fig. 7 zeigt eine im Resonanzraum angeordnete Substanzaufnahme 4c, die auf einem Teil der Außenfläche der Substanzfüllung bzw. des Behandlungsvolumens VB mit einer den Zutritt des Mikrowellen feldes abschwächenden Abschirmvorrichtung SR versehen ist, und zwar in Form einer Lochblechanordnung. Auf diese Weise kann insbesondere bei außermittiger Anordnung der Substanzaufnahme im Resonanzraum - im Beispiel unterhalb des bevorzugten Mittelbereiches - eine relative Homogenisierung des wirksamen Feldes erreicht werden. Fig. 7 shows a arranged in the resonance chamber 4 c, which is provided on a part of the outer surface of the substance filling or the treatment volume VB with a shielding device weakening the access of the microwave field SR, in the form of a perforated plate arrangement. In this way, a relative homogenization of the effective field can be achieved, in particular in the case of an eccentric arrangement of the substance uptake in the resonance space - in the example below the preferred central region.
Betreffend die erfindungsgemäße Behandlungseinrichtung sind im übrigen mit Bezug auf die Beispielsdarstellungen folgende Merkmale hervorzuheben:Regarding the treatment device according to the invention are in the rest of the following with reference to the example representations Highlights:
Wesentlich für die angestrebte Feldverteilung ist vor allem, daß keine der Hauptabmessungen - bei einer quaderförmigen oder kubischen Gestaltung gemäß Fig. 1 die Kantenlängen x, y, z - des Resonanzraumes das etwa Achtfache der auf Nennfrequenz bezogenen Freiraumwellenlänge des Mikrowellenfeldes unterschreitet. Praktisch sollte keine der Hauptabmessungen des Resonanzraumes das etwa Zehnfache, vorzugsweise das etwa Zwölffache der auf Nennfrequenz bezogenen Freiraumwellenlänge des Mikrowellenfeldes unterschreiten. Ferner ist wesentlich die Verwendung einer vergleichsweise großen Anzahl von Einkoppelvorrichtungen bzw. Magnetronantennen, die je für sich nur eine relativ geringe Energie übertragen. Demzufolge sollten am Resonanzraum wenigstens 6 Mikrowellen-Einkoppelvorrichtungen pro Kubikmeter des Resonanzraumvolumens vorgesehen sein. Bessere Ergebnisse werden jedoch im allgemeinen mit wenigstens 8, vorzugsweise mit wenigstens 10 Mikrowellen-Einkoppelvorrichtungen pro Kubikmeter des Resonanzraumvolumens erzielt.It is essential for the desired field distribution that none of the main dimensions - in the case of a cuboid or cubic design according to FIG. 1 the edge lengths x, y, z - of the resonance space fall below about eight times the free space wavelength of the microwave field based on the nominal frequency. In practice, none of the main dimensions of the resonance space should be less than about ten times, preferably about twelve times, the free space wavelength of the microwave field based on the nominal frequency. Furthermore, it is essential to use a comparatively large number of coupling devices or magnetron antennas, which each transmit only a relatively small amount of energy. Accordingly, at least 6 microwave coupling devices should be provided on the resonance room per cubic meter of the resonance room volume. However, better results are generally achieved with at least 8, preferably with at least 10 microwave coupling devices per cubic meter of the resonance volume.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SCHULZE, REINHARD, 56477 RENNEROD, DE |
|
8141 | Disposal/no request for examination |