DE4327081C2

DE4327081C2 - Durchflußreaktor für Flüssigkeiten und/oder Gase

Info

Publication number: DE4327081C2
Application number: DE19934327081
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ziegler; Juergen Kleinschmidt
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 1993-08-12
Filing date: 1993-08-12
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2013-08-13
Also published as: DE4327081A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußreaktor für Flüssigkeiten und/oder Gase gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung wird beispielsweise dort vorteilhaft eingesetzt, wo Laserlicht in mit organischen Giftstoffen verunreinigte Flüssigkeiten und/oder Gase, zum Zwecke des photochemischen Abbaues zu vergleichsweise umweltfreundlichen Produkten (z. B. Salzsäure, Kohlendioxid, Wasser) effektiv eingestrahlt werden soll.

Bei bisherigen Anordnungen zum photochemischen Schadstoffabbau in Flüssigkeiten werden üblicherweise Photoreaktoren verwendet, um die Quecksilberhochdrucklampen und/oder Quecksilberniederdrucklampen, als Strahlungsquelle angeordnet sind (Fa. WEDECO, Herford; Fa. Vita Tech UV-Systeme GmbH, Freigericht). Wird statt der Quecksilberlampe ein Laser als Strahlungsquelle benutzt (Patentanmeldung JP 5-27 7359 A2), muß das Laserlicht effektiv in einen Behälter eingekoppelt werden, in dem die verunreinigten Flüssigkeiten und/oder Gase zersetzt werden. Die Lichteinkopplung ist bei den üblichen Anordnungen nur mit geringerer Effizienz möglich.

Die Erfindung verfolgt das Ziel, ein Höchstmaß an Laserstrahlung in die verunreinigten Flüssigkeiten und/oder Gase einzukoppeln und einen vergleichsweise einfachen Aufbau eines Durchflußreaktors zu realisieren.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Durchflußreaktor für Flüssigkeiten und/oder Gase gemäß dem Oberbegriff mit den kennzeichnenden Merkmalen des 1. Anspruchs. Die Grundidee besteht darin, einen Reaktionsraum zum Abbau der Schadstoffe in die Laseranordnung selbst zu integrieren, indem dieser so in den Lichtweg im Laser eingebracht wird, daß eine vollständige Energieeinkopplung in das zu reinigende Medium erfolgt.

Durch die Lage des Reaktionsraumes im Lichtweg des Lasers ist neben der hohen Energieausbeute insbesondere eine problemlose Steuerung des Lasers in Abhängigkeit von den zu zersetzenden Schadstoffen und ihrer Konzentration möglich. Eine Laserkammer und eine Reaktorkammer sind so miteinander verbunden, daß getrennte Räume entstehen. Der Lichtweg zwischen der Laserkammer und der Reaktorkammer ist durch ein lichtdurchlässiges Fenster realisiert, welches für die verwendete Laserwellenlänge höchste Transmission aufweist. Der Lichtweg wird durch einen Resonatorspiegel an der dem Fenster gegenüberliegenden Wandung der Reaktorkammer und einem Resonatorspiegel an der dem Fenster gegenüberliegenden Seite der Laserkammer eingegrenzt. An den Resonatorspiegeln wird das Laserlicht so reflektiert, daß eine Lasertätigkeit mit der für den photochemischen Abbau nötigen Energie einsetzt. Somit steht ein Maximum der erzeugten Laserstrahlung zur photochemischen Reinigung zur Verfügung.

Der Abstand zwischen dem Resonatorspiegel in der Reaktorkammer und dem Fenster ist so einstellbar und regulierbar, daß das vom Laserpumpteil eingestrahlte Licht genügend tief in die Reaktorkammer eindringen kann, um an dem Resonatorspiegel reflektiert zu werden, und die Laserfunktion gewährleistet ist. Durch die Abstandsänderung a kann gleichzeitig eine Regulierung des Volumenstromes der zu reinigenden Flüssigkeiten und/oder Gase durch die Reaktorkammer erfolgen.

Mit dem Lambert-Beerschen-Gesetz

I = I₀e^-α ^d

folgt für

Damit läßt sich der maximal mögliche Abstand a zwischen dem Resonatorspiegel und
dem lichtdurchlässigen Fenster der Reaktorkammer abschätzen.

Dabei muß der Abstand a kleiner als die Eindringtiefe der Laserstrahlung in das Medium d sein.

Die Reaktorkammer ist aus chemisch resistentem Materialien gefertigt (z. B. Edelstahl, Quarzglas, keramische Schichten).

Zur Erhöhung der Effektivität der Zersetzung der Giftstoffe kann Luftsauerstoff oder reiner Sauerstoff mit in das zu reinigende Medium beigemischt werden. Durch das Einblasen entsteht eine gute Vermischung im zu reinigenden Medium.

Die entstehenden Wirbel und Blasen bewirken weiterhin, daß Schichtbildungen auf dem lichtdurchlässigen Fenster, dem Resonatorspiegel sowie der Reaktorkammer vermindert werden.

Zur Aktivierung der chemischen Reaktion kann ein Katalysator auf den Wandungen der Reaktorkammer angebracht oder als dünne Schicht, vorbehaltlich genügender Reflexion für die Lasertätigkeit, auf dem Resonatorspiegel selbst aufgebracht sein. Katalysatoren sind vorzugsweise Eisen, Mangan, Titanoxid. Solche Stoffe können auch kontinuierlich über die Zuleitungen zugegeben werden.

Die Erfindung soll an einem Beispiel näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Prinzip des Durchflußreaktors,

Fig. 2 konstruktive Ausgestaltung des Durchflußreaktors.

Der Durchflußreaktor besteht gemäß Fig. 1 im wesentlichen aus der Laserkammer 1 und der Reaktorkammer 2. Der Lichtweg 10 des Laserlichtes ist zwischen dem ersten Resonatorspiegel 4 in der Reaktorkammer 2 und dem zweiten Resonatorspiegel 5 in der Laserkammer 1.

Die Laserkammer 1 und die Reaktorkammer 2 sind unmittelbar aneinander gekoppelt, wobei eine räumlich abgeschlossene Trennung der Teile durch ein lichtdurchlässiges Fenster 3 in der Reaktorkammer 2 und ein lichtdurchlässiges Fenster 11 in der Laserkammer 1 im Lichtweg zwischen den Resonatorspiegeln 4, 5 erreicht wird. Die Trennung durch zwei Fenster 3 und 11 ist zweckmäßig, um bei der Montage oder der Demontage der Laserkammer 1 und der Reaktorkammer 2 abgeschlossene und handhabbare Baugruppen zu erhalten.

Als Laserstrahlungsquelle kommt ein Multigasexcimerlaser zum Einsatz.

Excimerlaser sind gepulste Gaslaser und zeichnen sich durch hohe mittlere Leistungen bei den Wellenlängen λ = 308 nm, 248 nm, 193 nm, 157 nm aus.

Die entlang des Lichtweges 10 gerichtete Laserstrahlung des Excimerlasers in der Laserkammer 1 gelangt durch die lichtdurchlässigen Lichteintrittsfenster 11 und 3 aus CaF₂, MgF₂ oder LiF in die mit dem zu reinigenden Medium durchströmte Reaktorkammer 2.

Der Abstand a zwischen dem ersten Resonatorspiegel 4 und dem lichtdurchlässigen Fenster 3 ist variabel und so bemessen, daß die Lasertätigkeit und ein photochemischer Reinigungsprozeß einsetzen.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen konstruktiven Aufbau eines Durchflußreaktors. Ein lichtdurchlässiges Fenster 11 ist auf einer Stirnseite der Laserkammer 1 befestigt. Die Reaktorkammer 2 ist mit der Laserkammer 1 an der Seite der lichtdurchlässigen Fenster 3 und 11 dicht verbunden.

Die Reaktorkammer 2 besteht aus dem chemisch resistentem Material Kynar. Parallel zum lichtdurchlässigen Fenster 3 ist mit einer Wandung der Reaktorkammer 2 ein für die verwendete Wellenlänge λ hochreflektierender erster Resonatorspiegel 4 mit einer Aluminium-Beschichtung befestigt.

Zwischen dem Fenster 3 und dem Resonatorspiegel 4 wird das zu reinigende Medium an der Eintrittsöffnung 6 eingelassen, welches an der Austrittsöffnung 7 gereinigt die Reaktorkammer 2 verläßt.

Rechtwinkelig zur Eintrittsöffnung 6 sind Eintrittsöffnungen 8 angeordnet, durch welche Luft oder reiner Sauerstoff eingeblasen wird.

Die Wandungen der Reaktorkammer 2 zwischen dem ersten Resonatorspiegel 4 und der lichtdurchlässigen Fenster 3 sind aus einem flexiblen Material als Faltbalg ausgebildet. Eine nicht dargestellte Steuer- und Regeleinrichtung reguliert die Medienströme, den Abstand a und die Laserfunktion so, daß ein optimales Reinigungsergebnis mit einem möglichst kleinen Energieaufwand erreicht wird.

Bezugszeichenliste

1 Laserkammer-Pumpteil
2 Reaktorkammer
3 lichtdurchlässiges Fenster an der Reaktorkammer
4 erster Resonatorspiegel in der Reaktorkammer
5 zweiter Resonatorspiegel in der Laserkammer
6 Mediumseintrittsöffnung
7 Mediumsaustrittsöffnung
8 Eintrittsöffnung für Oxydationsmittel und Zusatzstoffe
9 Laserelektroden
10 Lichtweg
11 lichtdurchlässiges Fenster an der Laserkammer
a Abstand zwischen Spiegel und Fenster an der Reaktorkammer
I₀ eingestrahlte Laserintensität
I Laserintensität im Medium am Ort
d Eindringtiefe der Laserstrahlung im Medium
α Absorptionskoeffizient des Mediums.

Claims

1. Durchflußreaktor für Flüssigkeiten und/oder Gase bestehend aus einem Reaktorteil und einer Laserlichtquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorkammer (2) im Lichtweg eines Laserresonators angeordnet und Bestandteil des Lasers ist.

2. Durchflußreaktor für Flüssigkeiten und/oder Gase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laserkammer (1) und die Reaktorkammer (2) so miteinander verbunden sind, daß getrennte Räume entstehen und der Lichtweg zwischen der Laserkammer (1) und der Reaktörkammer (2) mittels eines lichtdurchlässigen Fensters (3, 11) realisiert und weiterhin der Lichtweg durch einen Resonatorspiegel (4) an der dem Fenster gegenüberliegenden Wandung der Reaktorkammer (2) und einen Resonatorspiegel (5) an der dem Fenster gegenüberliegenden Seite der Laserkammer (1) eingegrenzt ist.

3. Durchflußreaktor für Flüssigkeiten und/oder Gase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen dem ersten Resonatorspiegels (4) und dem lichtdurchlässigen Fenster (3) einstellbar ist.

4. Durchflußreaktor für Flüssigkeiten und/oder Gase nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) durch Faltbälge in der Wandung der Reaktorkammer, die zwischen der Seite des ersten Resonatorspiegels (4) und der Seite des Fensters (3) angeordnet sind, einstellbar ist.

5. Durchflußreaktor für Flüssigkeiten und/oder Gase nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand a in Abhängigkeit von der Absorption des Laserlichtes, der Konzentration der Verunreinigungen der Flüssigkeiten und/oder Gase und den zu erzeugenden Endprodukten einstellbar oder steuerbar ist.

6. Durchflußreaktor für Flüssigkeiten und/oder Gase nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand a zur Regulierung des Volumenstromes der zu reinigenden Flüssigkeiten und/oder Gase einstellbar oder steuerbar ist.

7. Durchflußreaktor für Flüssigkeiten und/oder Gase nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meß-, Regel- und Steuereinheit mit dem Durchflußreaktor verbunden ist, wobei mit der Meßeinheit die Zusammensetzung der Medienströme und die Laserfunktion registrierbar ist, mit der Regeleinheit aus den Ist-Größen und den Soll-Größen Stellwerte für die Laserfunktion und/oder für den Abstand (a) ermittelbar und einer Stelleinheit zuführbar sind.