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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende Fläche eines
Rotationsreaktors, die mit verschiedenen Schermechanismen versehen
ist.
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Die
Erfindung nutzt rotierende Flächen
der Rotationstechnologie (nachstehend RSORT genannt – RSORT:
rotating surfaces of revolution technology) (gemeinhin unter der
Bezeichnung Rotationsscheibentechnologie bekannt).
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Das
Rotationsscheibenkonzept ist ein Versuch, Prozessintensivierungsmethoden
auf den Gebieten Wärme- und Stoffaustausch
anzuwenden. Die Technologie arbeitet mit starken Schwerkraftfeldern, die
durch das Drehen einer Scheibenfläche geschaffen werden und bewirken,
dass ein Fluid, das an der Achse auf die Scheibenfläche eingeleitet
wird, unter der Einwirkung der Zentrifugalbeschleunigung in Form
dünner,
oft wellenförmiger
Filme radial nach außen
fließt.
Es hat sich herausgestellt, dass derartige dünne Filme die Wärme- und
Stoffaustauschraten und das Mischen beachtlich verbessern. Die Technologie
wurde für
typische Wärme-
und Stoffaustauschvorgänge
entwickelt, wie zum Beispiel für
den Wärmetausch,
das Heizen, Kühlen,
Vermengen, Mischen und dergleichen, zum Beispiel wie in R. J. J.
Jachuck und C. Ramshaw, „Process
Intensification: Heat transfer characteristics of tailored rotating
surfaces", Heat
Recovery Systems & CHP,
Band 14, Nr. 5, S. 475–491,
1994, offenbart.
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In
jüngerer
Vergangenheit wurde die Technologie an die Verwendung als Reaktionsfläche für Systeme
angepasst, bei denen der Wärme-
und Stoffaustausch Beschränkungen
unterliegt, zum Beispiel an die Reaktion von Substraten, die zumindest
während
eines Stadiums der Reaktion hochviskos sind und Probleme hinsichtlich
eines guten Vermischens und Produktertrags verursachen.
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Boodhoo,
Jachuck & Ramshaw
offenbaren in „Process
Intensification: Spinning Disc Polymeriser for the Manufacture of
Polystyrene" die
Verwendung einer Rotationsscheibenvorrichtung, bei der Monomer und
Initiator durch herkömmliche
Mittel zum Reagieren gebracht werden, um ein Prepolymer zu ergeben,
das dann bei hoher Temperatur über
die Fläche
einer Rotationsscheibe geführt
wird und ein Umwandlungsprodukt in Form von polymerisiertem Styrol
ergibt.
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Die
EP 0 499 363 (Tioxide Group
Services Limited) offenbart eine weitere Verwendung für die Rotationsscheibentechnologie
beim fotokatalytischen Abbau organischer Stoffe, wie zum Beispiel
Kohlenwasserstoffe. Eine Lösung
aus Salicylsäure
und Titandioxidkatalysator wurde über die Oberfläche einer Rotationsscheibe
geführt
und mit ultraviolettem Licht bestrahlt.
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Diese
Veröffentlichungen
offenbaren daher den Gebrauch der Rotationsscheibentechnologie für den Wärme- und
Stoffaustausch bei inerten und reaktiven Systemen.
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Die
US 5 624 999 offenbart ein
Verfahren, bei dem ein funktionalisiertes Polymer durch Mischen von
Reaktanden in verschiedenen Phasen in einem Reaktionsbereich zwischen
benachbarten Flächen, zwischen
denen eine Relativbewegung besteht, gebildet wird. Die in dieser
Schrift offenbarte Vorrichtung ist ein Schermischer und kein Reaktor
der RSORT-Art, bei dem ein Hochintensitätsmischen in einem dünnen, wellenförmigen Film
stattfindet. Da die benachbarten Flächen im Reaktor der
US 5 624 999 durch den ganzen
Reaktor im Wesentlichen die gleiche Ausdehnung aufweisen, ist es
noch nicht einmal möglich,
einen dünnen
wellenförmigen
Film zu erzeugen, wie er bei RSORT-Anwendungen erforderlich ist.
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Die
GB 9903474.6 (Universität Newcastle), von
der die vorliegende Anmeldung Priorität beansprucht und auf deren
Offenbarung hiermit von der vorliegenden Anmeldung ausdrücklich Bezug
genommen wird, beschreibt die Verwendung von RSORT bei der Umwandlung
eines Substrats in flüssiger
Phase durch dynamischen heterogenen Kontakt mit einem Mittel. In
dieser Anmeldung wird beschrieben, wie überraschenderweise herausgefunden
wurde, dass die Rotationsscheibentechnologie weiter angepasst werden
kann, um Prozessintensivierungsmethoden nicht nur auf den Gebieten
des Wärme-
und Stoffaustauschs anzuwenden, sondern auch auf dem Gebiet der
heterogenen Kontaktherstellung. Außerdem wird beschrieben, wie überraschenderweise
festgestellt wurde, dass die Qualität des erzielten Produkts höher ist
als die, die man mit herkömmlichen
Verfahren erzielt, zum Beispiel weist es eine höhere Reinheit oder, bei Polymeren,
eine engere molekulare Verteilung auf.
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Außerdem kann
die Rotationsscheibentechnologie zum Herstellen von Produkten herangezogen werden,
die durch eine andere Technologie nicht leicht verwirklicht werden
können.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Reaktorvorrichtung
mit einem um eine Achse drehbar ausgeführten Stützelement bereitgestellt, das
eine Fläche
mit einem Umfang und ihm zugeordnete Zuführungsmittel zur Zuführung mindestens
eines Reaktanden zur Fläche aufweist,
so dass bei Drehung der Fläche
der Reaktand lediglich durch durch Drehung der Fläche erzeugte
Zentrifugalkraft als ein dünner
Film frei über die
Fläche
strömt
und von deren Umfang geschleudert wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die Fläche im
Wesentlichen planar ist und dass weiterhin ein Scherglied vorgesehen
ist, das als Umfangsbasisfläche
einer Kuppel oder Kappe oder als zylindrisches oder röhrenförmiges Glied
ausgebildet ist, wobei das Scherglied in unmittelbarer Nähe zur Fläche angeordnet,
aber nicht daran angebracht ist, so dass es im Gebrauch den dünnen Film
nur dort berührt,
wo er zwischen der Umfangsbasisfläche und der Fläche hindurchströmt, und
nicht an anderen Stellen an der Fläche, und auf den Reaktanden
auf der Fläche
eine Scherkraft ausübt,
wenn das Stützelement
gedreht wird.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Reaktorvorrichtung
mit einem um eine Achse drehbar ausgeführten Stützelement bereitgestellt, das
eine Fläche
mit einem Umfang und ihm zugeordnete Zuführungsmittel zur Zuführung mindestens
eines Reaktanden zur Fläche aufweist,
so dass bei Drehung der Fläche
der Reaktand lediglich durch durch Drehung der Fläche erzeugte
Zentrifugalkraft als ein dünner
Film frei über die
Fläche
strömt
und von deren Umfang geschleudert wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die Fläche als
eine Innenfläche
eines kegelförmigen
Stützelements
ausgebildet ist und dass weiterhin ein Scherglied vorgesehen ist,
das in unmittelbarer Nähe
zur Fläche
angeordnet, aber nicht daran angebracht ist, so dass es im Gebrauch
den dünnen
Film nur dort berührt,
wo er zwischen dem Scherglied und der Fläche hindurchströmt, und
nicht an anderen Stellen an der Fläche, und auf den Reaktanden
auf der Fläche eine
Scherkraft ausübt,
wenn das Stützelement
gedreht wird.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Mischen oder Reagierenlassen mindestens eines Reaktanden unter Verwendung
einer Reaktorvorrichtung mit einem um eine Achse drehbar ausgeführten Stützelement bereitgestellt,
das eine Fläche
mit einem Umfang und ihm zugeordnete Zuführungsmittel zur Zuführung des Reaktanden
zur Fläche
aufweist, wobei die Reaktorvorrichtung weiterhin ein Scherglied
enthält,
das in unmittelbarer Nähe
zur Fläche
angeordnet, aber nicht daran angebracht ist; dadurch gekennzeichnet, dass
das Scherglied nur in unmittelbarer Nähe zu gewissen vorbestimmten
Teilen der Fläche,
aber nicht zu anderen Teilen der Fläche angeordnet ist und dass
der Reaktand allein durch durch Drehung der Fläche erzeugte Zentrifugalkraft
als ein dünner,
wellenförmiger
Film frei über
die anderen Teile der Fläche
strömt
und von deren Umfang geschleudert wird, und dass das Scherglied
den dünnen
Film berührt, während er über die
gewissen vorbestimmten Teile der Fläche passiert, und den dünnen Film
mit einer Scherkraft beaufschlagt.
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Es
versteht sich, dass der Begriff „Reaktand" nicht auf Substanzen beschränkt ist,
die dazu bestimmt sind, auf der ersten Fläche des Stützelements chemisch zu reagieren,
sondern auch Substanzen umfasst, die dazu bestimmt sind, physikalische
oder andere Prozesse zu erfahren, wie zum Beispiel Mischen oder
Erhitzen. Ebenso soll der Begriff „Produkt" die Substanz oder die Substanzen bezeichnen, die
von der ersten Fläche
des Stützelements
gesammelt werden, ob diese nun chemischer oder physikalischer Behandlung
oder beidem unterzogen wurden. Obgleich davon ausgegangen wird,
dass sich die meisten Reaktanden und Produkte in der flüssigen Phase
befinden, kann die Vorrichtung darüber hinaus mit allen geeigneten
Reaktanden und Produkten in flüssiger
Phase verwendet werden, darunter auch Kombinationen aus flüssigen,
festen und gasförmigen
Reaktanden und Produkten. Zum Beispiel können Substanzen in fester Phase
in im Wesentlichen frei strömender
Partikelform makroskopische Fluidströmungseigenschaften aufweisen.
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Eine
RSORT-Vorrichtung (gemeinhin unter der Bezeichnung Rotationsscheibenreaktor
bekannt), umfasst im Allgemeinen in einer Umwandlungskammer eine
sich drehende Fläche
oder eine Anordnung aus einer Vielzahl dieser sich drehenden Flächen, die
um eine Achse gedreht wird, um den Transfer eines oder mehrerer
Reaktanden von der Achse aus vorzugsweise radial über die
sich drehende Fläche
zu bewirken.
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Eine
RSORT-Vorrichtung, wie sie oben definiert wurde, mit einer sich
drehenden Fläche
wie oben definiert weist eine Anzahl vorteilhafter Konstruktionsmerkmale
gemäß der vorliegenden
Erfindung auf.
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Wenn
das Stützelement
der vorliegenden Erfindung mit einer angemessenen Geschwindigkeit gedreht
wird, neigt auf die Fläche
aufgebrachter Reaktand dazu, sich auf der Fläche auszubreiten, um einen
Film zu bilden. Wenn sich das Stützelement
weiter dreht, wird Produkt vom Umfang der Fläche geschleudert, und der Reaktand
wandert von der Aufbringstelle zum Umfang. Der Reaktand kann bei
seinem Wandern über
die Fläche
verschiedene chemische und physikalische Behandlungen erfahren,
wie zum Beispiel in der
GB 9903474.6 beschrieben.
Der Reaktand wird allgemein durch Zuführungsmittel zumindest auf
einen mittleren Teil der Fläche
und wahlweise auch auf andere Teile davon aufgebracht.
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Das
Scherglied kann verschiedene Formen annehmen. Eine wichtige Überlegung
ist dabei, dass sich das Scherglied nahe genug an der sich drehenden
Fläche
befinden muss, um den sich darauf befindenden Reaktanden- oder Produktfilm
mit einer Scherkraft zu beaufschlagen. Bei einer Ausführungsform
ist die sich drehende Fläche
allgemein planar und vorzugsweise scheibenförmig (obgleich auch andere
Formen, wie zum Beispiel Polygone oder andere regelmäßige oder
unregelmäßige Formen,
verwendet werden können).
Das Scherglied kann eine Kuppel oder eine Kappe beliebiger geeigneter
Größe oder
Form umfassen, wobei die Kuppel oder die Kappe eine Umfangsbasisfläche aufweisen,
die den Reaktanden- oder Produktfilm auf der sich drehenden Fläche während des
Betriebs des Reaktors berührt. Die
Kuppel oder die Kappe können
bezüglich
der sich drehenden Fläche
festgelegt sein oder auch sich mit der oder gegen die Fläche drehen
oder sich auf andere Weise bewegen, vorausgesetzt es gibt eine Relativbewegung
zwischen der sich drehenden Fläche und
der Basisfläche
während
des Betriebs. Statt einer Kuppel oder einer Kappe kann auch ein
zylindrisches oder ein röhrenförmiges Glied
(mit allgemein kreisförmigem
Querschnitt, obgleich auch polygonale oder andere regelmäßige und
unregelmäßige Querschnitte
von Nutzen sein können)
mit einer Umfangsbasisfläche
wie oben vorgesehen sein. Das zylindrische oder röhrenförmige Glied
kann entlang seiner Länge
einen konstanten Querschnitt aufweisen oder konvergieren, divergieren
oder auf andere Weise seinen Querschnitt entlang seiner Länge ändern, und bezüglich der
sich drehenden Fläche
stationär
sein oder sich mit der oder gegen die sich drehende Fläche drehen
oder sich auf andere Weise bewegen, wie oben beschrieben.
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Bei
Ausführungsformen,
bei denen sich das Scherglied drehen kann, kann sich das Scherglied um
die gleiche Drehachse drehen wie die sich drehende Fläche, oder
es kann sich um eine versetzte, aber allgemein parallele Achse drehen,
so dass es eine Orbitalbewegung bezüglich der sich drehenden Fläche ausführt. Das
Scherglied kann sich in einer entgegengesetzten Richtung von der
rotierenden Fläche
oder in der gleichen Richtung, aber mit einer anderen Drehgeschwindigkeit
drehen. Wenn sich das Scherglied um eine versetzte Achse dreht,
dann kann es in die gleiche Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit
wie die sich drehenden Fläche
gedreht werden, während
es noch immer die erforderliche Scherkraft durch die sich ergebende
Orbitalbewegung bereitstellt.
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Vorteilhafterweise
kann das Scherglied näher
zur sich drehenden Fläche
oder weiter davon weg bewegt werden, um eine Änderung der angelegten Scherkraft
zu gestatten.
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Als
Alternative dazu ist die sich drehende Fläche nicht allgemein planar,
sondern als eine Innenfläche
eines kegel-, kuppen- oder kappenförmigen Stützelements ausgebildet. Vorzugsweise
weist das Stützelement
einen im Wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt auf, wenn es entlang einer Ebene geschnitten wird, die
im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse verläuft. Der Reaktand wird durch
Zuführungsmittel
auf einen mittleren Innenteil der Fläche aufgebracht, bevor er in
Form eines dünnen
Films über
die Fläche
verteilt wird. Bei dieser Ausführungsform
kann das Scherglied die Form eines Stopfens annehmen, der so geformt
ist, dass, wenn der Stopfen koaxial zumindest teilweise im Stützelement
angebracht ist, ein Umfangsbereich des Stopfens eine Scherkraft
auf den Reaktanden- oder Produktfilm auf der sich drehenden Innenfläche ausübt, während sich
das Stützelement
immer noch frei drehen kann. Mit anderen Worten, der Stopfen ist
vorzugsweise so geformt, dass sein Umfangsbereich mit der Form der sich
drehenden Innenfläche
zusammenpasst, ist jedoch etwas kleiner, um eine freie Drehung des
Stützelements
zu gestatten. Bei einigen Ausführungsformen
kann der Stopfen allgemein scheibenförmig sein und eine Umfangswand
aufweisen, die so geformt ist, dass sie vorzugsweise komplementär zu der
Form der sich drehenden Innenfläche
entlang der Drehachse ist. Als Alternative dazu kann der Stopfen
auch kegel-, kuppel- oder kappenförmig und so bemessen sein,
dass er koaxial zumindest teilweise innerhalb des Stützelements
angebracht werden kann und so, dass eine Außenfläche des Stopfens komplementär zu der
sich drehenden Innenfläche
des Stützelements
ist. Bei all diesen Ausführungsformen
ist der Stopfen vorzugsweise entlang der Drehachse des Stützelements
beweglich, um seine Nähe
zu der sich drehenden Innenfläche
und somit die angelegte Scherkraft einzustellen. Der Stopfen kann
bezüglich des
Stützelements
stationär
sein oder in der gleichen oder in einer entgegengesetzten Richtung
gedreht werden, vorausgesetzt es liegt eine Relativbewegung zwischen
dem Stopfen und der sich drehenden Innenfläche vor.
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Durch
Anlegen einer Scherkraft auf diese Weise kann ein ausgezeichnetes
Mischen von Reaktanden erreicht werden. Der Reaktor der vorliegenden
Erfindung eignet sich besonders zur Bildung von Emulsionen zweier
oder mehrerer allgemein unmischbarer Fluide und zur Förderung
eines innigen Mischens aller Fluidarten.
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Das
Scherglied kann genauso wie die Fläche des Stützelements beschichtet oder
auf andere Weise mit einem Katalysator, in der Regel einem heterogenen
Katalysator, versehen sein. Zu Beispielen für geeignete katalytische Beschichtungen
gehören
Nickel, Palladium, Platin und verschiedene Legierungen. Das Aufbringen
eines Katalysators kann dazu beitragen, chemische Reaktionen im
Reaktor zu fördern.
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Der
Teil des Scherglieds, der den Reaktandenfilm auf der sich drehenden
Fläche
berührt,
kann allgemein glatt sein oder mit Diskontinuitäten, wie zum Beispiel einem
Netz, einem Gitter oder Wellungen, versehen sein, die zur Vergrößerung der
Oberflächen
dienen.
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Des
Weiteren kann das Scherglied mit Heiz- oder Kühlmitteln, wie zum Beispiel
einer elektrischen Heizvorrichtung oder einem damit thermisch verbundenen
Wärmetauscher
versehen sein.
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Die
Drehachse der sich drehenden Fläche oder
des Stützelements
kann im Wesentlichen vertikal verlaufen, wobei dann die Schwerkraft
dazu neigt, Reaktanden bezüglich
der Fläche
oder dem Stützelement
nach unten zu ziehen. Dies kann bei weniger viskosen Reaktanden
von Vorteil sein. Als Alternative dazu kann die Drehachse allgemein
horizontal verlaufen, wodurch ein verbessertes Mischen der Reaktanden
erreicht werden kann, vorausgesetzt diese werden auf geeignete Weise
an der ersten Fläche des
Stützglieds
gehalten.
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Es
können
beliebige geeignete Zuführungsmittel
zur Zuführung
des mindestens einen Reaktanden auf die sich drehende Fläche vorgesehen
sein. Zum Beispiel können
die Zuführungsmittel
einen Zuführungsverteiler
in Form eines „Duschkopfs", einer „Halskette" von Auslässen oder
eine einfache, vorzugsweise einstellbare, Einpunkteinleitung, wie
zum Beispiel ein „gartenschlauchartiges" Zuführungsmittel,
umfassen. Vorzugsweise umfasst das Zuführungsmittel einen Zuführungsverteiler
mit mehreren gleichmäßig beabstandeten
Auslässen
für den
mindestens einen Reaktanden auf die sich drehende Fläche, wie
oben definiert. Die Zuführungsmittel
können auch
Mittel zur Beaufschlagung der Reaktanden bei ihrer Zuführung zur
Wanne mit UV-, IR-, Röntgen-, HF-,
Mikrowellen- oder anderen Arten elektromagnetischer Strahlung oder
Energie, einschließlich
magnetischer und elektrischer Felder, oder auch Mittel zur Beaufschlagung
mit Schwingungen, wie zum Beispiel Ultraschallschwingungen, oder
Wärme umfassen.
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Die
Zuführungsmittel
können
in einer beliebigen geeigneten Position bezüglich der sich drehenden Fläche vorgesehen
sein, die eine Zuführung
des Reaktanden gestattet. Zum Beispiel können die Zuführungsmittel
für eine
axiale Zuführung
axial auf die sich drehende Fläche
ausgerichtet sein. Als Alternative dazu können die Zuführungsmittel
so positioniert sein, dass die Zuführung von der Achse der sich
drehenden Fläche
beabstandet ist. Solch eine Position kann zu mehr Turbulenzen und
einer verbesserten Mischwirkung führen.
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Vorteilhafterweise
enthält
die sich drehende Fläche
eine Wanne, in die der mindestens eine Reaktand durch das Zuführungsmittel
zugeführt
wird.
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Die
Tiefe der Wanne in der sich drehenden Fläche kann gemäß den Reaktionsanforderungen ausgewählt werden.
Zum Beispiel wird für
fotochemische Reaktionen, bei denen UV-Licht auf den Reaktanden
gestrahlt wird, bevorzugt, dass die Wanne relativ flach ist, dass
sie zum Beispiel eine Tiefe der gleichen Größenordnung oder innerhalb einer
Größenordnung
wie die erwartete Dicke eines über
die erste Fläche
des Stützelements
gebildeten Reaktandenfilms, wenn sie sich mit einer geeigneten Geschwindigkeit
dreht, aufweist.
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Bei
einer Ausführungsform
können
die Zuführungsmittel
eine einzelne Zuführung
zu jeder Wanne umfassen, die vorzugsweise auf der Drehachse der
sich drehenden Fläche
oder koaxial damit angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform
strömt Reaktand
vom Zuführungsauslass
in die Wanne und wird anschließend
durch Zentrifugalkraft aus der Wanne auf die sich drehende Fläche verteilt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das oben beschriebene sich drehende Element eine sich auf der
Drehachse befindende Wanne.
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Die
oben definierte Wanne kann eine beliebige geeignete Form aufweisen,
zum Beispiel durchgehend oder ringförmig sein. Zum Beispiel kann
sie eine durchgehende konkave Fläche
aufweisen, die einen Teil einer Kugel, wie zum Beispiel eine halbkugelförmige Fläche, umfasst,
oder sie kann eine Innenfläche
aufweisen, die durch mindestens eine Verbindungswand oder mindestens
zwei Verbindungswände,
wenn die Wanne ringförmig
ist, mit der sich drehenden Fläche
verbunden ist. Die Innenfläche und
die Verbindungswand können
eine beliebige Form aufweisen, die die Erfüllung der Funktion der Wanne
gestattet. Zum Beispiel kann die Innenfläche parallel zur sich drehenden
Fläche
oder konkav oder konvex verlaufen. Die Verbindungswand kann eine einzelne
kreisförmige
oder ovale Wand oder mehrere gerade Wände umfassen. Die Wände können divergieren
oder zur sich drehenden Fläche
konvergieren.
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Vorzugsweise
ist eine einzelne kreisförmige Wand
vorgesehen, die zu der sich drehenden Fläche konvergiert und so eine
hinterschnittene Wanne bildet. Diese Form erzeugt ein Behältnis, das
eine Umfangsverteilung der Reaktanden- oder Wärmeübertragungsfluidströmung verbessert.
Es kommen auch alternative Mittel zur Bildung einer hinterschnittenen Wanne
in Betracht. Wenn die Wanne zum Beispiel eine allgemein ringförmige Form
aufweist, kann wie oben eine Außenwand
vorgesehen sein, und eine Innenwand mit einer geeigneten Form kann
zur Definition eines inneren Rands der Wanne dienen. Der hinterschnittene
Teil der Wanne sollte allgemein als eine Außenwand vorgesehen sein, um
dazu beizutragen, einen unkontrollierten Austritt von Reaktand oder Wärmeübertragungsfluid
aus der Wanne zur ersten oder zweiten Fläche unter dem Einfluss von
Zentrifugalkraft bei Drehung des Stützelements zu verhindern.
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Vorteilhafterweise
kann eine Matrix in der Wanne vorgesehen sein, um zu unterstützen, dass sich
der Reaktand oder das Wärmeübertragungsfluid,
der bzw. das sich in der Wanne befindet, mit dem Stützelement
dreht, wodurch das Erreichen einer im Wesentlichen gleichförmigen Strömung aus
der Wanne über
die erste oder zweite Fläche
unterstützt wird.
Die Matrix kann in Form eines Stopfens aus faseriger Maschenware,
wie zum Beispiel Metall- oder Kunststoffwolle, vorliegen oder die
Form mehrerer Vorsprünge
annehmen, die an der Innenfläche
der Wanne befestigt sind. Für
den Fachmann sind andere Matrixmittel offensichtlich. Bei einigen
Ausführungsformen
wird die Matrix aus einem Material hergestellt, das hinsichtlich
des mindestens einen Reaktanden oder hinsichtlich des Produkts inert
ist und durch Temperatur oder andere variable Prozessbedingungen
nicht wesentlich beeinflusst wird. Als Alternative dazu kann die
Matrix aus einem Material hergestellt sein, das mit dem mindestens
einen Reaktanden oder dem Produkt zusammenwirkt, wie zum Beispiel
ein heterogener Katalysator (zum Beispiel Nickel, Palladium oder
Platin oder ein beliebiges geeignetes Metall oder eine Legierung
oder Verbindung davon). Wenn die Matrix aus einem elektrisch leitenden
Material besteht, kann es möglich
sein, einen elektrischen Strom dadurch zu leiten und somit Heizmittel
zum Erwärmen
des mindestens einen Reaktanden in der Wanne bereitzustellen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
können mehrere
Zuführungen
vorgesehen sein, die zur gezielten Zuführung eines oder mehrerer Reaktanden zu
mehreren in der ersten Fläche
ausgebildeten Wannen ausgeführt
sind. Wenn das Stützelement
allgemein scheibenförmig
ist und eine im Wesentlichen mittlere Drehachse aufweist, können beispielsweise eine
erste mittlere Wanne, die auf der Drehachse zentriert ist, und Zuführungsmittel
zur Zuführung
mindestens einen Reaktanden zur ersten Wanne sowie mindestens eine
weitere Wanne, die vorzugsweise auch auf der Drehachse zentriert
ist und eine ringförmige
Konfiguration aufweist, vorgesehen sein, wobei die mindestens eine
weitere Wanne mit Zuführungsmitteln
versehen ist, und zwar zur Zuführung
eines zweiten Reaktanden, der der gleiche wie der erste Reaktand
oder verschieden davon sein kann, zu der mindestens einen weiteren
Wanne. Für
den fachmännischen
Leser liegt auf der Hand, dass mehrere Wannen auf ähnliche
Weise auf Stützelementen
mit anderen Formen als eine allgemein scheibenförmige vorgesehen sein können.
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Durch
Bereitstellung mehrerer Wannen und Zuführungen kann über die
erste Fläche
des Stützelements
eine Folge von Reaktionen durchgeführt werden. Zum Beispiel können der
ersten Wanne, in der ein gewisses Mischen und Reagieren stattfindet, zwei
Reaktanden zugeführt
werden. Während
sich das Stützelement
dreht, werden die Reaktanden aus der ersten Wanne zur ersten Fläche des
Stützelements,
wo eine weitere Reaktion und weiteres Mischen stattfindet, und von
dort in eine mit der ersten Wanne konzentrische zweite ringförmige Wanne verteilt.
Dann kann der zweiten Wanne ein dritter Reaktand zugeführt werden,
und es findet weiteres Mischen und Reagieren statt, während der
dritte Reaktand und die beiden Anfangsreaktanden und jegliches zugehörige Produkt
aus der zweiten Wanne auf die erste Fläche des Stützelements zwecks weiterer Mischung
und Reaktion verteilt werden. Da die Bewegungsrichtung der Reaktanden
und Produkte von der Drehachse nach außen verläuft, kann über die erste Fläche des
Stützelements
eine kontrollierte Reihe von Reaktionen durchgeführt werden.
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Es
können
beliebige geeignete Auffangmittel zum Auffangen des Produkts bei
seinem Verlassen der sich drehenden Fläche an ihrem Umfang vorgesehen
sein. Zum Beispiel kann ein Behältnis
in Form einer Schale oder Wanne vorgesehen sein, die das sich drehende
Element oder ein anderes festgelegtes Teil der Vorrichtung zumindest
teilweise umgibt. Die Auffangmittel können darüber hinaus eine Ablenkvorrichtung
umfassen, die um den Umfang der sich drehenden Fläche angeordnet
ist, um Produkt in das Auffangmittel abzulenken. Die Ablenkvorrichtung ist
vorzugsweise in einem spitzen Winkel zu der sich drehenden Fläche angeordnet.
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Die
Komponenten der Auffangmittel, wie zum Beispiel die Schale oder
Wanne oder die Ablenkvorrichtung, können beschichtet oder auf andere Weise
mit einem heterogenen Katalysator versehen sein, der sich für die auf
dem Stützelement
zum Reagieren gebrachten Reaktanden eignet, oder sie können sogar
vollständig
aus einem Material bestehen, das als ein heterogener Katalysator
wirkt. Des Weiteren können
die Komponenten der Auffangmittel auf eine vorbestimmte Temperatur
erwärmt
oder gekühlt werden,
um eine Kontrolle der Reaktionsparameter zu ermöglichen, indem sie zum Beispiel
einem Anhalten der Reaktion zwischen Reaktanden dienen, wenn diese
die erste Fläche
in Produktform verlassen. Des Weiteren können Zuführungsmittel zur Zuführung eines
Reaktanden zu dem die erste Fläche
verlassenden Produkt vorgesehen sein. Zum Beispiel können Zuführungsmittel
zur Zuführung
eines Abschreckmittels zum Produkt im Auffangmittel vorgesehen sein, um
chemische oder andere Reaktionen zwischen Reaktanden anzuhalten,
wenn diese die erste Fläche verlassen
haben.
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Darüber hinaus
können
die Auffangmittel Auslassmittel in einer beliebigen geeigneten Form umfassen.
Zum Beispiel kann eine einzelne Auffangwanne vorgesehen sein, die
sich um den Umfang der Scheibe erstreckt, oder eine Auffangschale,
die das sich drehende Element teilweise umgibt.
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Auslassmittel
können
auch in den Auffangmitteln vorgesehen sein, und diese können die
Form von Öffnungen
beliebiger Größe und Form
annehmen, die sich an einer beliebigen geeigneten Stelle des Auffangmittels
befinden, um einen Austritt des Produkts zu gestatten. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform
sind die Auslassmittel zum Gestatten eines vertikalen Austritts
des verwendeten Substrats vorgesehen.
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Als
Alternative dazu können
die Auffangmittel eine Außenwand,
die am Umfang des Stützelements
vorgesehen ist, um zu verhindern, dass Produkt von der ersten Fläche geschleudert
wird, und mindestens ein Pitot-Rohr umfassen, das sich in das Produkt
erstreckt, das durch die Außenwand
am Umfang des Stützelements
zurückgehalten
wird. Die Außenwand
kann allgemein zur Drehachse des Stützglieds konvergieren, um Produkt
besser zurückzuhalten,
während
das Stützelement
gedreht wird, obgleich auch andere Wandkonfigurationen, wie zum Beispiel
eine allgemein parallel zur Drehachse verlaufende oder davon divergierende,
nützlich
sein können.
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Zu
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
Mehrfach-Stützelemente
gehören, die
eine gemeinsame Drehachse teilen und an einer einzigen drehbaren
Welle angebracht sein können, oder
die mit einzelnen drehbaren Wellen versehen sein können. Die
jeglichen gegebenen Stützelementen
zugeordneten Auffangmittel können
mit den Zuführungsmitteln
verbunden sein, die jeglichen anderen gegebenen Stützelementen
zugeordnet sind, um mehrere Stützelemente
in Reihe oder parallel miteinander zu verbinden. Auf diese Weise
kann eine Reaktion über
mehrere Stützelemente
in Reihe oder parallel durchgeführt
werden. Die Auffangmittel eines ersten Stützelements können direkt
mit den Zuführungsmitteln
eines zweiten Stützelements
verbunden sein, oder sie können über eine
Verarbeitungseinheit, wie zum Beispiel eine Pumpe, einen Extruder,
eine Heizvorrichtung oder einen Wärmetauscher oder irgendeine
andere geeignete Vorrichtung, verbunden sein. Dies ist besonders
nützlich,
wenn viskose Produkte beteiligt sind, wie zum Beispiel jene, die
in Polymerisationsreaktionen erhalten werden, da das viskose Produkt
eines ersten Stützelements
verarbeitet werden kann, um günstigere
physikalische Eigenschaften zu erhalten, bevor es als die Reaktandenbeschickung
für ein
zweites Stützelement
verwendet wird.
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Wenn
das Auffangmittel zum Beispiel eine Außenwand an der ersten Fläche des
Stützelements umfasst,
wie oben beschrieben, dann können
mehrere Stützelemente
koaxial auf einer einzigen drehbaren Welle angebracht sein, um einen
Stapel von Stützelementen
zu bilden. Eine Reaktandenbeschickung wird zur Wanne eines ersten
Stützelements
geführt, und
die Spitze einer Auffangvorrichtung in Form eines Pitot-Rohrs ist
in der Nähe
der ersten Fläche
des ersten Stützelements
nahe der Wand angeordnet, um Produkt aus diesem Bereich aufzunehmen.
Ein Ende des Pitot-Rohrs, das von der Spitze entfernt ist, wird
zur Wanne eines zweiten Stützelements
geführt, damit
das Produkt des ersten Stützelements
als der Reaktand für
das zweite Stützelement
dienen kann, wodurch mehrere Reaktionen nacheinander durchgeführt werden
können.
Als Alternative dazu können mehrere
parallele Zuführungen
den Wannen mehrerer Stützelemente
den gleichen mindestens einen Reaktanden gleichzeitig zuführen, und
mehrere parallele Pitot-Rohr-Auffangvorrichtungen können Produkt
von einem Umfangsbereich jedes Stützelements auffangen, wodurch
eine Reaktion über
mehrere Stützelemente
parallel stattfinden kann.
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Des
Weiteren kommt in Betracht, dass das vom Umfang eines Stützelements
aufgefangene Produkt als Beschickung für dieses Stützelement recycelt wird. Dies
ist für
Prozesse nützlich,
die eine verlängerte
Kontaktzeit für
die Reaktanden erfordern. Das Produkt kann in Abhängigkeit
von den Anforderungen vollständig
oder nur teilweise recycelt werden.
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Der
Bezug in dieser Schrift auf eine sich drehende Fläche betrifft
eine durchgehende oder diskrete planare oder dreidimensionale Fläche oder
Anordnung, die sich annähernd
oder wirklich um eine Achse dreht, und betrifft vorzugsweise eine
annähernde oder
wirkliche sich drehende Rotationsfläche. Eine annähernde sich
drehende Rotationsfläche
kann eine asymmetrische Achse und/oder Abweichung des Flächenkörpers und/oder
Umfangs umfassen, die eine Rotationsfläche mit axialer oder radialer
Wellung erzeugt. Eine diskrete Fläche kann in Form eines Netzes,
Gitters, gewellten Fläche
und dergleichen vorliegen.
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Der
Bezug in dieser Schrift auf einen im Wesentlichen radial nach außen fließenden Film,
wie oben definiert, betrifft einen Fluidfilm, der durch dynamischen
Kontakt des Reaktanden in flüssiger
Phase und der sich drehenden Fläche,
wie oben definiert, erzeugt wird, zweckmäßigerweise wird der Reaktand in
flüssiger
Phase mit der sich drehenden Fläche
an einer oder an mehreren Stellen auf der Fläche in Kontakt gebracht, und
es wird durch die Wirkung der Zentrifugalkraft bewirkt, dass er
nach außen
fließt. Ein
Film kann ein durchgehender Ring oder ein nicht durchgehender Bogen
an einer radialen Stelle sein. Das Substrat kann mehrere Filme in
dynamischem Kontakt mit einer sich drehenden Fläche bereitstellen, wie oben
definiert.
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Es
können
zum Beispiel Prozesse, die eine verlängerte Kontaktzeit erfordern,
kontinuierlich unter Verwendung eines den Umfang der sich drehenden Fläche verlassenden,
zur Achse der sich drehenden Fläche
recycelten Fluids durchgeführt
werden, wodurch aufeinander folgende Fluidläufe über die Fläche ermöglicht werden. In kontinuierlichem
stationärem
Betrieb kann eine die Fläche
verlassende Fluidmenge als Produkt abgezogen werden, und durch Recycling
kann eine Menge zur weiteren Umwandlung mit einer Menge frischer
Reaktandenbeschickung zurückgeführt werden.
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Der
Prozess der Erfindung, wie oben definiert, kann in einer einzigen
oder in mehreren Stufen durchgeführt
werden. Ein mehrstufiger Prozess kann eine erste Vorverarbeitungsstufe
mit weiteren Nachverarbeitungsstufen oder Verbesserungsstufen umfassen
und chargenweise unter Verwendung einer einzigen sich drehenden
Fläche,
wie oben definiert, oder kontinuierlich mit mehreren sich drehenden
Flächen
in Reihe durchgeführt
werden.
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Zweite
oder mehr Reaktanden können
dem Beschickungsreaktanden zugesetzt werden, wenn er von einer sich
drehenden Anordnung zur nächsten fließt, oder
der sich drehenden Anordnung an einer beliebigen Stelle zwischen
der Drehachse oder dem Auslass der Anordnung direkt zugesetzt werden.
In bestimmten Fällen
kann durch einmaliges oder mehrmaliges Zusetzen von Reaktand zwischen
der Drehachse und dem Auslass einer einzigen sich drehenden Anordnung
ein mehrstufiger Prozess erreicht werden, um in einem einzigen Durchlauf
mehr als einen einzigen Prozess zu erreichen. Des Weiteren ist es
möglich,
verschiedene Bereiche der sich drehenden Fläche mit verschiedenen Temperaturen
und Bedingungen sowie verschiedenen Oberflächengeometrien, wie für die Prozessanforderungen
geeignet, vorzusehen.
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Es
ist offensichtlich, dass der Prozess der Erfindung sowohl durch
Wahl einer bestimmten sich drehenden Fläche für das Stützelement als auch durch Wahl
von Prozessvariablen, wie zum Beispiel Temperatur, Drehgeschwindigkeit,
Reaktandenbeschickungsrate, Umwandlungszeit und dergleichen, gesteuert
werden kann. Demgemäß gewährleistet der
Prozess der Erfindung eine erhöhte
Flexibilität der
Prozesssteuerung, einschließlich
sowohl herkömmlicher
Steuerung mittels Betriebsbedingungen sowie zusätzlicher Steuerung mittels
der Art der sich drehenden Fläche.
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Weiterhin
kann die Vorrichtung ein beliebiges geeignetes Steuersystem umfassen.
Ein solches Steuersystem kann die Temperatur oder die Kontaktzeit
der Reaktanden über
die Drehgeschwindigkeit, die Substratbeschickungsrate und andere
Prozessparameter regulieren, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.
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Die
oben definierte Vorrichtung kann Mittel zum Optimieren von Prozessbedingungen
umfassen. Zum Beispiel können
Mittel vorgesehen werden, die der sich drehenden Fläche und
somit dem Reaktanden eine zusätzliche
Bewegung verleihen. Eine solche Bewegung kann in jeder beliebigen
Ebene oder in mehreren Ebenen erfolgen und umfasst bevorzugt Schwingungen.
Es kann jedes zweckmäßige Schwingungsmittel
vorgesehen werden, wie zum Beispiel das flexible Installieren der
Fläche
oder eine exzentrische Installation, die beide passive Schwingungen
herbeiführen,
oder aktive Schwingungsmittel, wie zum Beispiel ein mechanisches
Element in Berührung
mit dem sich drehenden Element, das in einer Richtung schwingt,
die parallel zur Achse des sich drehenden Elements liegt. Vorzugsweise
wird ein passives Schwingungsmittel in Form einer exzentrischen
Installation des sich drehenden Elements auf seiner Drehachse vorgesehen.
Als Alternative dazu kann die Schwingung durch einen Ultraschallsender
geliefert werden, der mit dem sich drehenden Element für eine Schwingung
in jeder gewünschten Ebene
oder in mehreren Ebenen in Kontakt steht.
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Die
sich drehende Fläche
kann jede beliebige Form und Flächenausbildung
aufweisen, um die Prozessbedingungen zu optimieren. Die sich drehende
Fläche
kann zum Beispiel allgemein eben oder gekrümmt, gekräuselt, gewellt oder gebogen
sein. Die sich drehende Fläche
kann einen Kegel bilden oder allgemein kegelstumpfförmig sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die sich drehende Fläche
allgemein eben und vorzugsweise allgemein kreisförmig. Der Umfang der sich drehenden
Fläche
kann eine ovale, rechteckige oder andere Form bilden.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
wird die sich drehende Fläche
als die Innenfläche
eines Kegels vorgesehen. Die Vorrichtung kann mindestens einen Kegel
umfassen und mindestens eine weitere sich drehende Fläche oder
mindestens ein Paar einander gegenüberstehender Kegel, die so positioniert
sind, dass ein zweistufiger Prozess möglich ist, bei dem jedem Kegel
ein Reaktand oder mehrere Reaktanden zugeführt werden. Vorzugsweise wird
das Produkt von einem kleineren Kegel (oder einer anderen Rotationsfläche) auf
die Fläche
eines größeren Kegels
(oder andere Rotationsfläche)
gespritzt, von der er mindestens teilweise umgeben ist und für dessen
Fläche
ein weiterer Reaktand durch Zuführungsmittel
wie oben definiert zugeführt
wird, um das Mischen des Produkts und des Reaktanden auf der größeren sich
drehenden Fläche
zu gestatten. Vorzugsweise werden Mittel so vorgesehen, dass sich
die beiden Kegel in entgegengesetzten Richtungen drehen. Eine solche
Anordnung verbessert das Mischen und den innigen Kontakt der Reaktanden
und vermindert die erforderliche physische Kontaktzeit. Als Alternative
können
Mittel so vorgesehen werden, dass sich die Kegel gemeinsam drehen oder
dass einer stationär
ist.
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Eine
sich drehende Fläche
beliebiger Form und Flächenausbildung,
wie hierin definiert, kann mit Flächenmerkmalen versehen werden,
die dazu dienen, den gewünschten
Prozess zu fördern.
Die Fläche
kann zum Beispiel ein Mikro- oder Makroprofil haben, mikro- oder
makroporös,
nicht haftend sein, zum Beispiel eine Trennbeschichtung aufweisen, durchgehend
oder unterbrochen sein und Elemente wie ein Netz, zum Beispiel ein
Netzgewebe, netzförmigen
Schaumstoff, Pellets, Tuch, Stifte oder Drähte, umfassen, um eine vergrößerte Fläche, eine
verstärkte
oder verringerte Reibungswirkung, eine vergrößerte oder verkleinerte Laminarströmung, Schermischen
des Rückführungsstroms
in axialer Richtung und dergleichen zu erzielen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Mischmerkmale der sich drehenden Fläche durch die oben genannten
Merkmale oder Ähnliches verbessert,
die auf oder in der sich drehenden Fläche vorgesehen werden. Sie
können
in beliebiger geeigneter regelmäßiger oder
willkürlicher
Anordnung von Gittern, konzentrischen Ringen, Spinnennetzen oder ähnlichen
Mustern vorgesehen werden, die sich für eine bestimmte Anwendung
eignen.
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Als
Alternative oder zusätzlich
zu anderen Flächenmerkmalen
können
radial beabstandete Stifte in Form von Kreisen oder Kreissegmenten
vorgesehen werden.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
wird eine poröse
Flächenbeschichtung
vorgesehen, die das Verarbeiten bestimmter Reaktanden unterstützt. Eine
solche Beschichtung kann mit einem anderen der oben erwähnten Flächenmerkmale
kombiniert vorgesehen werden.
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Flächenmerkmale
in Form von Rillen können konzentrisch
oder in einer beliebigen anderen radial beabstandeten Form angeordnet
werden. Die Rillen können
zum Beispiel „wellige" oder verzerrte Kreise für maximales
Mischen bilden.
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Die
Rillen können
parallele Seiten aufweisen, oder eine oder beide Seiten können divergieren und
hinterschnittene Rillen bilden oder konvergieren und konisch zulaufende
Rillen bilden. Vorzugsweise sind die Rillen hinterschnitten, um
das Mischen zu begünstigen.
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Die
Rillen können
abgewinkelt zur Achse der sich drehenden Fläche hin oder davon weg gerichtet sein,
um Hinterschnitt oder Konizität
zu vergrößern oder
zu verringern.
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Energietransfermittel
können
für die
sich drehende Fläche
oder den Reaktanden oder das Produkt wie weiter oben beschrieben
vorgesehen werden. Zum Erhitzen des Reaktanden können zum Beispiel Heizmittel,
zum Beispiel als Teil der Zuführungsmittel,
vorgesehen werden. Zusätzlich
oder als Alternative können
zum Erhitzen des sich drehenden Elements Heizmittel in Form eines
Strahlers oder anderer Heizvorrichtungen vorgesehen werden, die
auf der Fläche
des sich drehenden Elements positioniert werden, die nicht die sich
drehende Fläche
für die Umwandlung
umfasst. Vorzugsweise werden radial beabstandete, allgemein kreisförmige Heizstrahler vorgesehen.
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Es
können
beliebige bevorzugte Kühl-
oder Abschreckmittel in einer geeigneten Position vorgesehen werden,
um das Substrat nach der Reaktion abzukühlen. Zum Beispiel können Abkühlspulen
oder ein Kühlkörper Kühlung durch
Wärmeaustausch
liefern, oder ein Abschreckmittelbehälter kann für Abkühlung oder das Beenden der
Reaktion durch inniges Mischen im Auffangmittel sorgen.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung und zur Darstellung, wie sie verwirklicht werden
kann, wird hier beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug
genommen. Darin zeigen:
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1 in
schematischer Form eine Rotationsscheibenvorrichtung;
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2 eine
mit einem kuppelförmigen
Scherglied versehene Rotationsscheibe;
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3 einen
Rotationskegel mit einem Stopfenscherglied;
-
4 ein
Detail einer Rotationsscheibe mit einer mittleren Wanne; und
-
5 ein
Detail einer Rotationsscheibe mit einer ringförmigen Wanne.
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1 zeigt
eine Rotationsscheibenvorrichtung der vorliegenden Erfindung. Die
Vorrichtung wird von einem Gefäß (1)
umschlossen, das als Achse eine Antriebswelle (2) aufweist,
die eine Rotationsscheibe (3) trägt. Zuführungsmittel (4) liefert
Reaktand zur Fläche
(5) der Scheibe (3) um ihre Achse (6).
Die Drehung der Scheibe (3) bewirkt, dass der Reaktand
radial nach außen
strömt,
wodurch er mit der Fläche
(5) der Rotationsscheibe (3) in Kontakt kommt
und darüber
einen Film (17) bildet. Ein stationäres, ringförmiges Scherglied (18)
ist knapp über der
Fläche
(5) angeordnet, so dass ein Basisteil (19) des
Scherglieds (18) den Film (17) berührt und
ihn mit einer Scherkraft beaufschlagt, wenn die Scheibe (3)
gedreht wird. Fluid wird mittels einer Auffangwanne (7)
an den Umfangsrändern
der Scheibe (3) aufgefangen und kann mittels Kühlspulen
(8) schnell abgeschreckt werden. Eine Schürze (9)
verhindert, dass ein meniskenförmiges
Zurückziehen
von Fluid den Antriebswellenmechanismus verunreinigt. Einlassmittel
(10) ermöglichen
die Bereitstellung von kontrollierten Umgebungsbedingungen, zum
Beispiel eine Stickstoffatmosphäre.
Auslassentlüftungsmittel (11)
ermöglichen
die Entlüftung
von atmosphärischen
Gasen oder von Gasen, die während
des Betriebs entstanden. Mittels Fenstern (12) werden Beobachtungsmittel
bereitgestellt, um den Verlauf der Umwandlung zu beobachten.
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Die
Vorrichtung nach 1 kann wie in dem Beispiel 1
unten beschrieben gestartet und betrieben werden. wenn es sich bei
dem Prozess um eine exotherme Umwandlung handelt, können Kühlspulen
(8) verwendet werden, um das aufgefangene Produkt in der
Wanne (7) abzuschrecken. Die Rotationsscheibe (3)
ist mit (nicht gezeigten) Heizspulen versehen, die zum Auslösen oder
Aufrechterhalten der Umwandlung verwendet werden können. Die
Scheibe (3) oder das Reaktorgefäß (1) kann mit einer
Strahlungsquelle, Mitteln zum Anlegen eines elektrischen oder magnetischen
Feldes und dergleichen, wie beschrieben, an der Scheibenfläche (5)
oder darüber
oder an der Wand des Reaktorgefäßes (1)
versehen sein.
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2 zeigt
eine Rotationsscheibe (3) mit einer Fläche (5), die an einer
Antriebswelle (2) angebracht ist, welche eine Drehachse
(6) definiert. Ein Zuführungsrohr
(4) führt
einer mittleren Wanne (14) (siehe unten) Reaktand (15)
zu, von wo der Reaktand (15) in Form eines Films (17)
auf die Fläche
(5) überläuft. Ein
Scherglied in Form einer Kappe (20) mit einer Umfangsbasisfläche (21)
ist so über
der Scheibe (3) angebracht, dass die Basisfläche (21)
im Betrieb den Film (17) berührt und ihn dank einer Relativbewegung
zwischen der Basisfläche
(21) und der sich drehenden Fläche (5) mit einer
Scherkraft beaufschlagt. Die Scherkraft unterstützt die Förderung eines innigen Mischens
des Reaktanden (15). Die Kappe (20) kann bezüglich der
Scheibe (3) festgelegt sein oder so ausgeführt sein,
dass sie sich entweder in die gleiche oder in die entgegengesetzte
Richtung dreht, wobei immer vorausgesetzt wird, dass zwischen der
Basisfläche
(21) und der sich drehenden Fläche (5) eine Relativbewegung
besteht. Des Weiteren kann der Abstand zwischen der Basisfläche (21) und
der sich drehenden Fläche
(5) durch Bewegen der Kappe (20) nach oben oder
nach unten eingestellt werden, um die an den Film (17)
angelegte Scherkraft zu ändern.
Das Produkt (27) wird von der sich drehenden Fläche (5)
an ihrem Umfangsteil zum Auffangen weggeschleudert.
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3 zeigt
ein becherförmiges
Stützelement (22)
mit einer Innenfläche
(23) mit divergierenden Seiten, das auf einer horizontalen
Antriebswelle (24) angebracht ist. Der Reaktand (15)
wird einer Wanne (14) in einem Basisbereich des Stützelements
(22) zugeführt,
von wo aus er in Form eines Films (17) auf die Fläche (23) überläuft, wenn
das Stützelement (22)
gedreht wird. Ein scheibenförmiger
Stopfen (25) mit einer Umfangsfläche (26), die zu der
Fläche
(23) komplementär
ist, ist so in dem Stützelement
(22) angebracht, dass er den Film (17) berührt, wenn
das Stützelement
(22) gedreht wird, wodurch eine Scherkraft ausgeübt wird.
Der Stopfen (25) kann stationär sein oder sich mit der Fläche (23)
oder gegen sie drehen, wobei immer vorausgesetzt wird, dass zwischen den
beiden eine Relativbewegung besteht. Durch Hin- und Herbewegen des
Stopfens entlang der Achse der Antriebswelle (24) kann
der Abstand zwischen der Umfangsfläche (26) und der Innenfläche (23)
geändert
werden, um die angelegte Scherkraft zu ändern. Das Produkt (27)
wird von der Innenfläche
(23) an einem Mündungsteil
des Stützelements
(22) zum Auffangen weggeschleudert.
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4 zeigt
eine axial angeordnete mittlere Wanne (14), die durchgehend
ist und eine Vertiefung bildet, die sich auf der Drehachse (6)
der sich drehenden Fläche
(5) einer Scheibe (3) befindet. Durch Drehung
wird bewirkt, dass Reaktand oder Wärmeübertragungsfluid (15),
der bzw. das von dem Zuführungsmittel
(4) zugeführt
wird, zur Wand strömt
und einen ringförmigen
Film (16) in der Wanne (14) bildet. Dann läuft der
ringförmige
Film (16) auf die Fläche
(5) der Scheibe (3) über, um einen Film (17)
auf der Fläche (5)
zu bilden.
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In 5 ist
die Wanne (13) ringförmig
und bildet einen Kanal, der um die Drehachse (6) der Scheibe
(3) koaxial ist. Die durch das Wannenprofil unterstützte Drehung
bewirkt, dass Reaktand oder Wärmeübertragungsfluid
(15) in die Wanne (13) und zu ihrer Wand fließt und einen
ringförmigen
Film (16) in der Wanne (13) bildet, bevor es auf
die Fläche
(5) der Scheibe (3) in Form eines Films (17) überläuft.
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Beispiel 1 – Polymerisaton
von Ethylen unter Verwendung einer mit Katalysator beschichteten
Scheibe
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Es
wurde Phillips-Katalysator unter Verwendung der oben beschriebenen
Verfahren auf die Fläche
einer Rotationsscheibenvorrichtung aufgebracht. Die beschichtete
Scheibe wurde in einer Rotationsscheibenvorrichtung montiert.
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Die
verwendete Rotationsscheibenvorrichtung wird in 1 schematisch
gezeigt. Die Hauptkomponenten, die von Interesse sind, sind wie
folgt:
- i) Obere Scheibe – Eine glatte Messingscheibe mit
einer Dicke von 17 mm und einem Durchmesser von 500 mm, die sich
um eine vertikale Achse drehen kann.
- ii) Flüssigkeitsverteiler – Ein konzentrisch über der Scheibe
angebrachtes kreisförmiges
Kupferrohr mit einem Durchmesser von 100 mm spritzte Fluid aus 50
gleichmäßig beabstandeten
Löchern
in der Unterseite vertikal auf die Scheibenfläche. Der Durchfluss wurde durch
ein Ventil manuell gesteuert und unter Verwendung eines metrischen Schwebekörper-Durchflussmessers
aus rostfreiem Stahl, Größe 18, überwacht.
Ein typischer Fluiddurchfluss betrug 31,3 ml/s.
- iii) Motor – Es
wurde ein Gleichstromregelmotor, der sich mit einer Drehgeschwindigkeit
von 3000 U/min drehen kann, verwendet. Die Drehgeschwindigkeit wurde
unter Verwendung einer digitalen Steuerung, die für Scheibengeschwindigkeiten
zwischen 0 und 1000 U/min kalibriert war, geändert. Eine typische Drehgeschwindigkeit
betrug 50 U/min.
- iv) Heizstrahler – 3
unter der Scheibe gleichmäßig beabstandete
Heizstrahler (die jeweils aus zwei Elementen bestanden) führten der
Scheibe Wärme
zu. Die Temperatur wurde unter Verwendung eines Temperaturreglers
für jede
Heizvorrichtung geändert.
Jede Heizvorrichtungstemperatur konnte bis zu 400°C geregelt
werden. Zur Steuerung der Geschwindigkeit der Reglerreaktion wurden Triac-Regler
verwendet. (Diese blieben während der
gesamten Tests auf Einstellung 10).
- v) Thermoelemente und Datenscanner – In der oberen Scheibe eingebettete
16-K-Thermoelemente zeigten das Flächentemperaturprofil entlang
dem Scheibenradius an. Ungeradzahlige Thermoelemente 1 bis
einschließlich
15 waren von unterhalb der Scheibe bis zu einem Abstand von 3 mm
von der Scheibenoberfläche
eingebettet. Geradzahlige Thermoelemente 2 bis einschließlich 16
waren von unterhalb der Scheibe bis zu einem Abstand von 10 mm von
der Scheibenoberfläche
eingebettet. Jedes Thermoelementpaar, das heißt 1 & 2 und 3 & 4 und 5 & 6 usw. war in radialen Abständen von
85 mm, 95 mm, 110 mm, 128 mm, 150 mm, 175 mm, 205 mm bzw. 245 mm
nebeneinander eingebettet (siehe 3). Die
Thermoelemente waren mit dem Datenscanner verbunden, der die Daten
unter Verwendung des DALITE-Konfiguration-
und -Überwachungs-Software-Packets
zu eingestellten Intervallen zum PC übertrug und protokollierte.
- vi) Manuelles Thermoelement – Es wurde ein Hand-K-Thermoelement zur
Messung der Bulk-Fluidtemperatur oben auf der Scheibe verwendet.
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Die
Ausrüstung
wurde in zwei Anordnungen verwendet. Bei einer wurde die Beschickung
konstant zugesetzt, und das erhitzte Produkt wurde zur Auffangwanne
geleitet. Bei einer alternativen Anordnung wurde in der Ausrüstung eine
Recycle-Leitung eingebaut.
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Die
Rotationsscheibenvorrichtung nach 1 wurde
hochgefahren und die Temperatur und die Drehgeschwindigkeit wurden
eingestellt. Sobald das stationäre
Stadium erreicht war, wurde der sich drehenden, mit Katalysator
beschichteten Scheibenfläche
an ihrer Achse Ethylengas zugeführt.
Produkt wurde in der Auffangwanne am Umfang der Scheibe abgezogen.
Eine Analyse zeigte auf, dass es sich bei dem Produkt um hochwertiges
Polyethylen handelte.
-
Weitere
Vorteile der Erfindung gehen aus dem Obigen hervor.