DE4007855A1 - Verfahren zur mikrowellenbehandlung von stoffen und zugehoerige anwendung sowie einrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mikrowellenbehandlung, insbesondere zur thermisch induzierten Änderung des Aggregatzustandes von Stoffen oder Stoffgemischen. Zum Erfindungsgegenstand gehört ferner eine Weiterbildung, nämlich ein in seinem Anwendungsgebiet breiteres Verfahren zur Wärmebehandlung, vorzugsweise zur Mikrowellenbehandlung von Stoffen oder Stoffgemischen. Weiterhin betrifft die Erfindung zum Verfahren gehörige spezielle Anwendungen sowie Einrichtungen für eine entsprechende grundsätzliche, aber auch für eine über die beanspruchte Verfahrensdurchführung hinausgehende Verwendung.

Bei der Mikrowellenbehandlung von Stoffen oder Stoffgemischen in Mikrowellenkammern, vor allem in kleineren, grundsätzlich aber auch in größeren Multimode-Resonanzkammern treten trotz der allgemein angestrebten Modenaufspaltung und Vielfach-Resonanzüberlagerung räumliche Feldkonzentrationen auf, die kaum vorherbestimmbar sind, insbesondere wegen ihrer Abhängigkeit von der Kammerbeladung mit absorbierendem bzw. reflektierendem Material. Solche Feldkonzentrationen führen selbst dann zu einer ungleichförmigen Energieabsorption bzw. Erwärmung, wenn auf der Materialseite optimale Voraussetzungen für räumlich gleichförmige Erwärmung gegeben sind, nämlich einerseits homogene Materialbeschaffenheit und andererseits eine so geringe Absorption, daß sich das Mikrowellenfeld von Anfang an wenigstens annähernd ungeschwächt bis in die inneren Bereiche des Materials ausbreiten kann. Anderenfalls ist die Eindringtiefe des Feldes relativ gering, und die Erwärmung beginnt in den äußeren Materialbereichen, um nach innen fortzuschreiten. Auch bei großer Eindringtiefe sind jedoch in der Praxis häufig beträchtliche lokale Erwärmungen auch im Materialinneren zu beobachten. Diese können z. B. verursacht sein durch im Vergleich zum Inneren starke Wärmeableitung an Oberflächenbereichen des Materials, durch Inhomogenitäten im Material und vor allem auch durch Temperaturabhängigkeit der Mikrowellenabsorption, die wiederum eine Veränderung der Feldverteilung zur Folge haben können.

Viele Materialien, vor allem organische Stoffe, sind inhärent empfindlich gegen lokale Überhitzungen, die durch Inhomogenitäten der vorgenannten Art bedingt sind, wenn innerhalb des Gesamtmaterials bestimmte Mindesttemperaturen erreicht werden müssen, z. B. eine Schmelztemperatur. Besonders gefährdet sind daher z. B. organische Stoffe mit vergleichsweise geringer Differenz zwischen Schmelz- und Zersetzungstemperatur. Hinzu kommt oft die Gefahr von unerwünschten, wärmeinduzierten oder -forcierten chemischen Reaktionen, vor allem Oxidation mit gelösten oder an der Oberfläche zutretendem Sauerstoff, aber z. B. auch Polymerisation u. a., wodurch ganze Chargen wertlos werden können. Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt bei organischen Stoffen ist in vielen Fällen der relativ niedrige Flammpunkt, der im Bereich von lokalen Überhitzungen unzulässig angenähert oder sogar überschritten werden kann.

Mehrstufige Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung von Verfahren und zugehörigen Gegenständen, wie oben aufgeführt, mittels deren in einer ersten Stufe die Homogenität der durch Mikrowellenabsorption erzeugten Energieverteilung im Behandlungsgut bzw. in einer zweiten Stufe insbesondere die Homogenität von Phasengemischen, und zwar dies unabhängig von der Art der Energiezuführung, mit geringem Aufwand verbessert werden kann. In erster Stufe ist die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe bestimmt durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 4 bzw. 9 bzw. 11 bzw. 15 und in zweiter Stufe durch die Merkmale des Anspruchs 7.

Durch eine Verfahrensweise gemäß Anspruch 1 werden die vorgenannten Nachteile und Gefahrenmomente einer Mikrowellenbehandlung hinsichtlich unerwünschter Reaktionen im Falle der Überhitzung unter gleichzeitigem Luftsauerstoffzutritt praktisch vollständig überwunden. Dabei werden u. a. spezielle mikrowellentechnische berücksichtigt, z. B. eine Herabsetzung der mit Mikrowellenabsorption verbundenen Reaktionsaktivierung durch Sättigung der Oberflächenbereiche des hier bereits verflüssigten Materials mit Inertgas und eine Verminderung der Entzündungsgefahr durch elektrische Überschläge. Entsprechendes gilt in noch stärkerem Maße für das in Anspruch 4 angegebene Verfahren, da hier neben der Erzeugung einer Inertgasatmosphäre an der Materialoberfläche eine Verdrängung des im Ausgangszustand im Materialinneren gelösten Luftsauerstoffs erreicht werden kann. Hinzu kommt eine äußerst wirksame Umwälzung der flüssigen oder fließfähigen bzw. bereits geschmolzenen und somit im Vergleich zu den noch festen Bereichen stärker temperaturgefährdeten Materialbereiche. Dadurch wird nicht nur unmittelbar in diesen Bereichen eine Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung, sondern auch ein verstärkter Wärmeaustausch mit den festen und daher noch kälteren Materialbereichen erzielt.

In Weiterbildung dieser Maßnahmen sind mit den Verfahrensmerkmalen gemäß Anspruch 7 besondere Homogenisierungseffekte erreicht worden. Eingehende Versuche haben gezeigt, daß durch die lokale Umwälzung flüssigen Materials an der Grenzfläche zum noch festen Material in äußerst wirksamer Weise der größere Wärmeinhalt des ersteren zum Aufschmelzen des letzteren herangezogen werden kann. Diese Weiterbildung der Erfindung ist daher zwar mit besonderem Vorteil in der Mikrowellentechnik, darüber hinaus jedoch auch in sonstiger Verfahrenstechnik einsetzbar. Insbesondere kann eine lokal fortschreitende, kanalartige Aushöhlung des Festmaterials und damit ein rasches und tiefes Eindringen des wärmeren Flüssigmaterials in die noch festen, kälteren Bereiche erzielt werden. Wenn speziell bei einer Mikrowellenbehandlung auch im Inneren des Festmaterials bereits relativ früh größere Flüssigbereiche entstehen, so führt die von einer geschmolzenen Oberflächenschicht ausgehende, lokal fortschreitende Aushöhlung bzw. Kanalbildung im Festmaterial zu einer Verbindung der bereits verflüssigten Bereiche, d. h. wiederum zu einer stärker ausgedehnten und damit wirksameren Materialumwälzung.

Insgesamt können mit Hilfe der Erfindungsvarianten je für sich, in besonderem Maße jedoch in sinngemäß kombinierten Ausführungen, u. a. folgende Fortschritte erzielt werden: struktur- bzw. qualitätserhaltende Mikrowellenbehandlung, insbesondere auch sonstige Wärmebehandlung, von empfindlichen, vor allem organischen Substanzen; Ausschluß von Brand- bzw. Explosionsgefahr ohne aufwendige Zusatzeinrichtungen; Zulässigkeit einer forcierten, die gegebenen Grenztemperaturen des Materials in höherem Maße ausnutzenden und daher zeitraffenden Verfahrensführung.

Die Erfindung wird weiter anhand der in Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Mikrowellen-Behandlungsanlage mit einer Multimode-Resonanzkammer MK, die z. B. an einander gegenüberliegenden Seitenwänden rasterförmig verteilt angeordnete, mit ihren Antennen unmittelbar in den Resonanzraum eingekoppelten Magnetrons MG aufweist. In der Kammer ist ein geschlossener Materialaufnahmebehälter BH in mikrowellenfester Ausführung angeordnet. Es versteht sich, daß gegebenenfalls die Resonanzkammer selbst als Materialaufnahme eingesetzt werden kann.

Für die Inertgasbeaufschlagung ist ein vertikal verschiebbar in einem Führungsrohr FR gelagertes und im Beispiel durch sein Eigengewicht in Eingriffsrichtung fortschreitend verstellbares Injektionsrohr IR aus mikrowellenfestem Kunststoff vorgesehen, das mit seinem unteren Ende durch eine Einführöffnung EO in den Behälter BH eingreift. Diese Einführöffnung kann gegebenenfalls mit an sich üblichen und daher nicht dargestellten Elementen gegen Gasaustritt abgedichtet sein, so daß sich unter vorteilhafter Einsparung von zuzuführendem Gas nur im Behälter eine Schutzgasatmosphäre bildet.

Das Führungsrohr FR ist mikrowellendicht an die Decke der Kammer MK angeschlossen und ist in seinem Durchmesser im Verhältnis zur kritischen Wellenlänge der eingesetzten Mikrowelle so bemessen, daß keine unzulässige Leckstrahlung austreten kann. Das Führungsrohr ist mit einem Längsschlitz LS für einen mit dem Injektionsrohr beweglichen Gasanschluß GA versehen, der z. B. als flexible Schlauchleitung ausgebildet ist.

Zur Sicherstellung eines gefahr- und störungsfreien Betriebes umfaßt die Beispielsausführung eine Gasventilanordnung GS, eine Sensoranordnung mit einem in der Gaszuführung angeordneten Strömungswächter SRW sowie einem Injektionsrohr-Stellungswächter STW und eine Ventilsteueranordnung VST, die mit einer Mikrowellen-Steuereinrichtung MWST in Wirkverbindung steht und die Aktivierung der Mikrowellenbeaufschlagung in Abhängigkeit von einer Aktivierung der Gasbeaufschlagung freigibt. Der Stellungswächter STW ist ebenfalls mit der Ventilsteueranordnung VST wirkverbunden und gibt die Gasbeaufschlagung erst dann frei, wenn das Injektionsrohr in seine für die rasche Herstellung einer Schutzgasatmosphäre geeignete Arbeitsstellung eingefahren ist. Dies ergibt eine doppelt wirkende Verriegelung gegen vorzeitige Mikrowellenaktivierung. Zu diesem Zweck kann der Stellungswächter gegebenenfalls unmittelbar mit der Mikrowellen-Steuereinrichtung MWST verbunden werden.

Bei einer solchen Anlage und einem Behältervolumen von etwa einem Kubikmeter wurde beispielsweise mit Kohlendioxid und Stickstoff als Inertgas unter einem Behälter-Zuführdruck von mindestens 5, vorzugsweise 20 bis 30 bar und mit einer Durchflußmenge von ca. 50 Liter pro Minute gearbeitet. Es wurden z. B. hochempfindliche und explosionsgefährliche organische Substanzen mit sehr niedrigem Schmelzpunkt und geringer Differenz zwischen diesem und der zulässigen Grenztemperatur, wie z. B. in Anspruch 9 bzw. 10 angegeben, rasch und störungsfrei sowie gleichmäßig und ohne lokale Überhitzung geschmolzen.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Materialaufnahme mit einer Charge, die einen Festbereich und einen Flüssigbereich LB aufweist. Mittels eines zentral eingeführten Injektionsrohres IR mit nach unten gerichteter Expansionshöhe DS wird eine toroidförmige Materialumwälzungsströmung UT von hoher Homogenisierungswirkung erzeugt.

Fig. 3 zeigt in einem Ausschnitt eines Material-Oberflächenbereiches mit bereits geschmolzener Flüssigschicht LB und einem darunterliegenden Festbereich SB das vertikale Eindringen eines Injektionsrohres IR mit Expansions-Kugeldüse DSK. Die hier lokal entstehende Umwälzströmung UL erzeugt eine relativ eng begrenzte, nach unten fortschreitende Aushöhlung AH im Festbereich.

Claims (17)

1. Verfahren zur Mikrowellenbehandlung, insbesondere zur thermisch induzierten Änderung des Aggregatzustandes, von Stoffen oder Stoffgemischen, dadurch gekennzeichnet, daß während der Mikrowellenbeaufschlagung wenigstens im Bereich des unter Mikrowellenwirkung stehenden Stoffes eine bezüglich des Stoffes inerte Gasatmosphäre erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inertgasatmosphäre innerhalb eines im wesentlichen allseitig reflektiv begrenzten Resonanzraumes erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Inertgasatmosphäre innerhalb eines im wesentlichen geschlossenen Materialaufnahmebehälters erzeugt wird.

4. Verfahren zur Mikrowellenbehandlung, insbesondere zur thermisch induzierten Änderung des Aggregatzustandes, von Stoffen oder Stoffgemischen, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Mikrowellenbeaufschlagung innerhalb des wenigstens teilweise in flüssigem oder fließfähigem Zustand befindlichen Behandlungsgutes durch Injektion von vorzugsweise inertem Gas eine insbesondere turbulente Materialumwälzung erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Gasinjektion in einen wenigstens annähernd zentralen Bereich flüssigen oder fließfähigen Materials mindestens eine toroidförmige Materialströmung erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasinjektion in den zentralen Materialbereich wenigstens annähernd in Vertikalrichtung erfolgt.

7. Verfahren zur Wärmebehandlung, vorzugsweise zur Mikrowellenbehandlung, von Stoffen oder Stoffgemischen, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise während einer Mikrowellenbeaufschlagung an einer Festmaterialoberfläche, die mit flüssigem oder fließfähigem Material in Berührung steht, durch Gasinjektion eine lokale Umwälzung des flüssigen oder fließfähigen Materials erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Gasinjektion eine lokal fortschreitende Aushöhlung des Festmaterials erzeugt wird.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche zum thermisch induzierten oder forcierten Schmelzen bzw. Inlösungbringen von vorzugsweise organischen Substanzen bzw. Substanz-Lösungsmittelgemischen.

10. Anwendung nach Anspruch 9 zum thermisch induzierten oder forcierten Schmelzen bzw. Inlösungbringen von organischen Substanzen oder Substanzgemischen bzw. Substanz-Lösungsmittelgemischen, bei denen wenigstens eine Substanz oder Gemischkomponente eine Differenz zwischen Schmelz- und Zersetzungstemperatur von weniger als etwa 50°C, insbesondere unter etwa 30°C, aufweist.

11. Einrichtung zur Wärmebehandlung, insbesondere zur thermisch induzierten Änderung des Aggregatzustandes, von Stoffen oder Stoffgemischen, durch Beaufschlagung mit mindestens einem Mikrowellenfeld, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Mikrowellenbeaufschlagung eine im wesentlichen geschlossene Materialaufnahme (MK, BH) mit einem beweglich gelagerten und aus einer Ruhestellung in den Innenraum der Materialaufnahme fortschreitend verstellbaren Gas-Injektionsrohr (IR) vorgesehen ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen allseitig geschlossene Mikrowellenkammer (MK) mit einem an deren Wandung mikrowellendicht angeschlossenen, das Gas-Injektionsrohr (IR) aufnehmenden Führungsrohr (FR) vorgesehen ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Führungsrohr (FR) ein Längsschlitz (LS) für den Bewegungsdurchgriff eines Gasanschlusses (GA) für das Injektionsrohr (IR) vorgesehen ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialaufnahme ein im wesentlichen allseitig geschlossener Behälter (BH) mit einer Einführöffnung (EO) für ein Gas-Injektionsrohr (IR) vorgesehen ist.

15. Steuervorrichtung für die Mikrowellenbehandlung gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, insbesondere für eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasventilanordnung (GS), eine Sensoranordnung (SRW, STW) und eine Ventilsteueranordnung (VST) vorgesehen ist, die mit einer Mikrowellen-Steuereinrichtung (MWST) in Wirkverbindung steht und die Aktivierung der Mikrowellenbeaufschlagung in Abhängigkeit von einer Aktivierung der Gasbeaufschlagung freigibt.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Ventilsteueranordnung (VST) in Wirkverbindung stehender Strömungswächter (SRW) für die Erfassung der Gasbeaufschlagung vorgesehen ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gasbeaufschlagung ein Injektionsrohr (IR) mit einem Stellungswächter (STW) vorgesehen ist, der mit der Ventilsteueranordnung und/oder mit der Mikrowellen-Steuereinrichtung (MWST) in Wirkverbindung steht und die Gasbeaufschlagung bzw. Mikrowellenaktivierung nur bei in seiner Wirkstellung befindlichem Injektionsrohr freigibt.