WO2010081600A2 - Rotierende oberflächen für sdr - Google Patents

Abstract

Der vorgeschlagene Spinning Disc Reaktor umfasst im Wesentlichen ein horizontal rotierbares, scheibenförmiges und temperierbares Trägerelement, welches eine äußere Reaktionsoberfläche, Zufuhrmittel zum Zuführen mindestens eines Reaktanden auf die Reaktionsoberfläche sowie innenliegende Strukturen zum Temperieren der Reaktionsoberfläche aufweist. Außerdem enthält er mindestens eine Abscheidevorrichtung zum Sammeln und Abführen des Reaktionsproduktes von der Reaktionsoberfläche. Gekennzeichnet ist das Trägerelement insbesondere dadurch, dass es aus zwei horizontal übereinander angeordneten Bauteilen a) und b) mit im Wesentlichen identischen Flächenmassen besteht. Diese beiden Bauteile sind während der Betriebszeit miteinander formschlüssig und dicht verbunden und das untere Bauteil a) weist auf seiner dem Innenbereich des Trägerelements zugewandten Oberseite mindestens eine flächig eingefräste und im Wesentlichen ununterbrochene Nut zur Aufnahme, Weiterleitung und Ableitung eines Wärmeübertragungsfluids auf. Außerdem verfügt es über mindestens zwei Bohrungen zur Beaufschlagung und Ableitung des Wärmeübertragungsfluids, wobei zwischen dem Bauteil a) und dem Bauteil b) mindestens eine den äußeren Flächenbereich kreisförmig umfassende Profildichtung angeordnet ist. Die beiden Bauteile a) und b) sind insgesamt reversibel miteinander verbunden. Durch die genannten spezifischen Merkmale liegt ein einfach konstruierter und wartungstechnisch vorteilhafter Reaktor vor, der vielfältig einsetzbar ist und dabei eine gezielte Steuerung der chemischen Reaktion auf seiner rotierenden Oberfläche erlaubt.

Description

Rotierende Oberflächen für SDR

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein so genannter Spinning Disk Reaktor („SDR") und seine Verwendung.

Spinning Disk Reaktoren, die im Wesentlichen aus einem um eine vertikale Achse rotierbar angeordneten, scheibenförmigen und temperierbaren Trägerelement bestehen und so zur Durchführung von chemischen Reaktionen befähigt sind, sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt.

So beschreibt WO 00/48728 A1 einen Reaktor mit Trägerelement, welches um eine Achse rotierbar ist, wobei das Trägerelement eine Oberfläche aufweist, und damit verbundene Zuführmittel, mit denen mindestens ein Reaktand auf die Oberfläche verbracht werden kann. Ausgestattet ist dieser Reaktor mit einem rotierenden Flügelrad oder einem Fön, die beide so angebracht sind, dass sie die Oberfläche des Trägerelements bedecken und eine Gasphasen-Komponente aus einem Bereich der die Oberfläche umgebenden Peripherie zum Zentrum der Oberfläche ansaugen.

EP 1 156 875 B1 beschreibt einen Reaktor mit einem um eine Achse rotierbar angebrachten Trägerelement, welches eine Oberfläche mit einem Zuführungsmittel zum Zuführen mindestens eines Reaktanden zur Oberfläche des Trägerelements und Sammelmittel zum Sammeln eines Produkts von der Oberfläche des Trägerelements aufweist. Die Oberfläche des Trägerelements beinhaltet eine Hinterschnitteinkerbung, in die bei Gebrauch des Reaktors mindestens ein Reaktand direkt von den Zuführungsmitteln zugeführt wird; bei der Rotation des Trägerelements bildet der mindestens eine Reaktand einen im Wesentlichen ringförmigen Film innerhalb der mindestens einen Unterschnitteinkerbung und strömt von dort über die Oberfläche des Trägerelements zum Flächenrand.

Ebenfalls eine Reaktorvorrichtung mit einem um eine Achse rotierbar ausgeführten Trägerelement beschreibt EP 1 169 125 Bl Das Trägerelement weist in diesem Fall eine Fläche mit einem Umfang und ein Zuführungsmittel zur Zuführung mindestens eines Reaktanden zur Fläche auf. Bei Drehung der Fläche wird eine Zentrifugalkraft erzeugt, so dass der Reaktand als ein dünner Film frei über die Fläche strömt und von deren Umfang geschleudert wird. Die Fläche ist dabei im Wesentlichen planar und es ist weiterhin ein Scherglied vorgesehen, 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. Auf diese Weise berührt es im Gebrauch nur den dünnen Film an der Stelle, wo er zwischen der Umfangsbasisfläche und der Fläche hindurchströmt, und nicht an anderen Stellen der Reaktionsfläche.

US 7,247,202 B1 beschreibt ein Verfahren zur Umwandlung eines Substrats in im Wesentlichen fluider Phase durch den heterogenen Kontakt dieses Substrats, oder eines Fragments oder Derivats davon, mit einem Agens in im Wesentlichen fester Phase. Das Festphasenreagenz liegt dabei als Oberfläche eines Trägerelements vor, wobei das Trägerelement so ausgeführt ist, dass es sich in einer Weise um eine Achse dreht, dass das Festphasenagens eine rotierende Oberfläche oder einen Teil davon ergibt und das Substrat einen Film, der im Wesentlichen radial von der Achse nach außen und im dynamischen Kontakt mit dem Agens fließt. Zusätzlich wird dem Substrat eine Schwingungsenergie zugeführt, bei der es sich vorzugsweise um Ultraschall handelt.

Gemäß EP 1 152 824 B2 ist eine Reaktorvorrichtung mit einem Hohlträgerelement versehen. Dieses ist um eine Achse rotierbar, wobei das Trägerelement eine erste äußere Fläche zur Reaktion, eine zweite innere Fläche zur Wärmeübertragung und eine Einrichtung zum Beaufschlagen der zweiten Fläche mit einem Wärmeübertragungsfluid aufweist. Die erste und die zweite Fläche sind dynamisch miteinander verbunden und das Trägerelement weist einen Innenraum auf, der auf einer Seite von der zweiten Fläche begrenzt ist. Außerdem besitzt das Trägerelement eine Zuführeinrichtung zum Beaufschlagen der ersten äußeren Reaktionsfläche mit einem Reaktanden in flüssiger, gasförmiger oder fester Phase, wobei eine Platte oder Membran im Inneren des Hohlraumträgerelements vorgesehen ist, die sich im Wesentlichen über den gesamten Innenraum erstreckt. Auf diese Weise bildet sich so ein erster Raum zwischen der zweiten Fläche und der einen Seite der Platte oder Membran, sowie ein zweiter Raum zwischen einer gegenüberliegenden Seite der Platte oder Membran und einer von der zweiten Fläche entfernten Innenfläche des Trägerelements. Am Umfang der Platte oder der Membran muss dabei allerdings zwingend ein Spalt verbleiben, so dass ein Wärmeübertragungsfluid zwischen dem ersten und dem zweiten Raum strömen kann, und wobei die gegenüberliegende Platte oder Membran mit einem Netz, einem Gewebe oder Schaumstoff versehen ist, um auf diese Weise die Bildung von freien Wirbeln im Wärmeübertragungsfluid zu verhindern.

Die Verwendung von derartigen Spinning Disk Reaktoren ist bspw. in den Dokumenten WO 03/008083 A1 und WO 03/008460 A1 beschrieben: Im ersten Fall handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung von Teilchen, wobei zunächst eine Lösung mit mindestens einer vorbestimmten Substanz auf eine rotierende Fläche eines Rotationsreaktors geführt wird. Anschließend verteilt sich diese Lösung auf der rotierenden Fläche in Form eines ununterbrochenen fließenden und dünnen Films, gefolgt von einem Ausfällen oder Auskristallisieren von Teilchen aus der Lösung mittels Mikrovermischen und homogener Keimbildung. Abschließend werden die ausgefällten oder auskristallisierten Teilchen in der Peripherie der rotierenden Fläche gesammelt.

Im zweiten Fall dient die Verwendung eines drehenden Oberflächenreaktors der Steuerung bimolekularer Abbruchreaktionen in Polymerisationsreaktionen. Chemische Bestandteile werden in diesem Fall dadurch polymerisiert, dass sie sich in einem dünnen Film über eine Oberfläche bewegen, die um eine Drehachse rotiert, wobei der dünne Film von einem inneren Bereich zu einem äußeren Bereich der Oberfläche strömt und von dieser abgezogen wird. Auf diese Weise werden in dem dünnen Film Polymerketten ausgebildet und zum Wachstum angeregt. Die Oberfläche wird dabei derart gedreht, dass die Polymerketten dazu veranlasst werden, sich über die Oberfläche in Richtungen, die sich radial von der Drehachse wegerstrecken, zu entknäueln und/oder zu strecken, um somit eine translatorische und/oder segmentweise Diffusion von aktiven Polymerketten zu reduzieren und dadurch bimolekulare Abbruchreaktionen zu reduzieren.

Da sich derartige Spinning Disc Reaktoren insbesondere für Massen- und Wärmetransferreaktionen eignen, gab es selbstverständlich auch Ansätze, um Spinning Disc Reaktoren für derartige Reaktionen noch geeigneter zu machen. Der wesentliche Aspekt dabei hat sich auf die Übertragung von Reaktionsenergie auf die Reaktionsoberfläche und insbesondere auf den Einsatz von Wärmeübertragungsfluiden gerichtet: So beschreibt bspw. WO 2006/008500 A1 einen Reaktor einschließlich eines Trägerelements, wobei dieses Trägerelement wiederum um eine Achse rotierbar angeordnet ist und eine erste Oberfläche aufweist, welche allgemein an der Achse zentriert ist. Die erste Oberfläche ist an einen nach außen gerichteten radialen Fluss eines dünnen Films eines Flüssigfarbenreaktanden angepasst, welcher im Falle des Rotierens des Trägerelements nach seinem Aufbringen auf dieses über das Trägerelement abfließt. Weiterhin ist eine zweite Oberfläche umfasst, die entgegengesetzt zur ersten Oberfläche angeordnet ist und im Wärmeaustausch zur ersten Oberfläche steht. Die zweite Oberfläche ist dabei mit einem spiralförmigen Durchgang versehen, welcher allgemein an der Achse zentriert ist. Die zweite Oberfläche weist Vorrichtungen auf, um ein Wärmetransferfluid dem spiraligen Durchgang zuzuführen. Einen ähnlichen Reaktor beschreibt WO 2004/004888 A1. Dessen mindestens ein Trägerelement besitzt eine spiralförmige Konfiguration mit einer inneren und einer äußeren Oberfläche. Das Trägerelement ist wiederum rotierbar um eine Achse so angeordnet, dass die innere Oberfläche der Rotationsachse zugewandt ist. Außerdem sollte das Trägerelement mit Mitteln zum Wärmeübergang zur oder von der inneren Oberfläche ausgestattet sein.

Eine weitere Variante zum Austausch zwischen innerer und äußerer Oberfläche eines Trägerelements stellt der Gegenstand gemäß WO 2006/040566 A1 dar: Der dort beschriebene Spinning Disc Reaktor verfügt über ein Trägerelement mit einer zentrierten Oberfläche und einer inneren, der freiliegenden externen Oberfläche entgegengesetzten Oberfläche. Diese freiliegende Oberfläche ist dabei so ausgeführt, dass ein dünner Film einer Flüssigphase, wenn er auf die rotierende Oberfläche aufgebracht wird, zum Außenrand der Oberfläche wandert. Dabei sollte mindestens ein Teil des Trägerelements permeabel oder semipermeabel oder porös sein, um so einer Flüssig- oder Gasphase zwischen der äußeren und inneren Oberfläche einen Durchgang zu erlauben, jedoch Partikeln im μ-Bereich den Durchtritt zu verwehren.

Schließlich weist ein insgesamt hohles Trägerelement eines Spinning Disc Reaktors gemäß WO 2006/018622 A1 eine zweite innere Oberfläche zu einem Wärmeaustausch auf. Zusätzlich verfügt das hohle Trägerelement in seinem Inneren über eine Platte oder eine Membran, die sich im Wesentlichen über den inneren Raum erstreckt und eine Durchströmlücke bildet, um dem Wärmetransferfluid einen Durchfluss zwischen den unterschiedlichen Räumen zu ermöglichen. Mindestens eine der Platten oder Membranen der zweiten Oberfläche ist so geformt oder profiliert, dass der Abstand zwischen der einen Seite der Platte oder Membrane und der zweiten Oberfläche entlang dem Radius und ausgehend von der Achse variiert.

Sämtliche Spinning Disc Reaktoren des Standes der Technik und insbesondere die eben näher beschriebenen Varianten weisen den Nachteil auf, dass sie aufwändig herzustellen, zu betreiben und zu warten sind. Auch sind die spezifischen Einrichtungen zur Beaufschlagung, Weiterleitung und Abführung von Wärmeübertragungsfluiden komplex und anfällig gegenüber Störungen.

Aus diesem Grund hat sich für die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, einen Reaktor zu entwickeln, der gemäß Stand der Technik über ein um eine zentral angeordnete und im Wesentlichen vertikale Achse rotierbar angeordnetes, scheibenförmiges und temperierbares Trägerelement verfügt. Dieses Trägerelement besitzt eine äußere Reaktionsfläche, Zufuhrmittel zum Zuführen mindestens eines Reaktanden auf die Reaktionsoberfläche, sowie innenliegende Strukturen zum Temperieren der Reaktionsoberfläche. Außerdem verfügt dieser Reaktor über mindestens eine Abscheidevorrichtung zum Sammeln und Abführen des Reaktionsproduktes von der Reaktionsoberfläche. Die Weiterbildung eines so ausgestalteten Reaktors sollte die Verwendung eines Wärmeübertragungsfluids vereinfachen und insbesondere eine erleichterte Herstellung eines Spinning Disc Reaktors ermöglichen. Dabei war insbesondere darauf zu achten, dass der Reaktor gegenüber dem Wärmeübertragungsfluid während seiner Betriebszeit eine vollständige Dichtigkeit aufweist und dass das Wärmeübertragungsfluid so geführt wird, dass die Reaktionsoberfläche gleichmäßig und während der Reaktionszeit dauerhaft die jeweils gewünschte Reaktionstemperatur gewährleistet. Selbstverständlich waren bei der Herstellung, dem Betrieb und der Wartung des Reaktors wirtschaftliche Aspekte zugrunde zu legen.

Gelöst wurde diese Aufgabe mit Hilfe eines Reaktors, bei dem das Trägerelement aus zwei horizontal übereinander angeordneten Bauteilen a) und b) mit im Wesentlichen identischen Flächenmaßen besteht. Die beiden Bauteile a) und b) sind während der Betriebszeit des Reaktors miteinander formschlüssig und dicht verbunden, wobei das untere Bauteil a) auf seiner dem Innenbereich des Trägerelements zugewandten Oberseite (1) mindestens eine flächig eingefräste und im wesentlichen ununterbrochene Nut (2) zur Aufnahme, Weiterleitung und Ableitung eines Wärmeübertragungsfluids, sowie mindestens zwei Bohrungen (3) zur Beaufschlagung und Ableitung des Wärmeübertragungsfluids aufweist, wobei zwischen dem Bauteil a) und dem Bauteil b) mindestens eine den äußeren Flächenbereich kreisförmig umfassende Profildichtung (4) angeordnet ist und die beiden Bauteile a) und b) reversibel miteinander verbunden sind.

Überraschend hat sich beim Einsatz des erfindungsgemäßen Spinning Disc Reaktors herausgestellt, dass man mit diesem nicht nur in der Lage ist, die Aufgabenstellung vollständig zu erfüllen, sondern dass insbesondere aufgrund der vereinfachten Führung des Wärmeübertragungsfluids chemische Reaktionen durchgeführt werden können, die eine feine Abstimmung der Wärmeübertragung erfordern. Der Vorteil zeigt sich auch bezüglich der Beeinflussung der Reaktionsprodukte und hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften, insbesondere bei der Herstellung partikelförmiger Teilchen. Im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik und insbesondere zu der Vorrichtung gemäß WO 2006/008500 A1 zeichnet sich der erfindungsgemäße Reaktor vor allem durch seine einfache Bauweise aus. Gemäß nächstkommenden Stand der Technik besteht nämlich das Trägerelement aus zwei fest miteinander verbundenen und übereinander angeordneten Teilen, die untereinander einen Hohlraum aufweisen. Der untere Teil hat, wie bereits dargelegt, auf seiner Unterseite zwei gleichmäßig angeordnete und spiralförmige Stege, die vom Scheibenmittelpunkt zum Randbereich führen. In der Scheibenmitte befinden sich zwei Löcher, die Richtung Rotorachse gerichtet sind, und durch die eine Flüssigkeit in und aus dem Hohlraum geleitet werden kann. Die Unterseite des oberen Teils der Scheibe hat eine komplementär angeordnete Spiralanordnung, so dass die beiden Spiralen des oberen und des unteren Teils der Scheibe ineinander greifen. Durch die so entstehenden Zwischenräume dieser beiden Doppelspiralen wird die Wärmeübertragungsflüssigkeit vom Scheibenmittelpunkt zum Scheibenrand und wieder zurückgeleitet, so dass es möglich ist, die Scheibe zu kühlen oder zu heizen. Die gemäß diesem Stand der Technik beschriebene Scheibengeometrie führt dazu, dass das Trägerelement aus einem einzigen Bauteil besteht. Muss nun dieses Bauteil einer anderen Reaktionsführung angepasst werden, was bspw. durch geänderte Materialien, Konturen und Beschichtungen der Oberflächen notwendig wird, so muss das gesamte Trägerelement neu gebaut werden. Zudem ist die beschriebene Konstruktion gemäß Stand der Technik sehr komplex aufgebaut, da der untere und der obere Teil in ihrem Inneren aufwändig strukturiert sind.

Dem gegenüber ermöglicht der Reaktor gemäß vorliegender Erfindung aufgrund seiner überraschend einfachen Konstruktionsmerkmale eine flexible Anpassung hinsichtlich des geforderten Materials, der Reaktionsoberfläche, seiner Kontur, aber auch möglicherweise hilfreicher Beschichtungen. Auf diese Weise kann den unterschiedlichsten Anforderungen, die die jeweiligen chemischen und physikalischen Reaktionen notwendig machen, ohne großen Aufwand entsprochen werden, da üblicherweise jeweils nur das Bauteil b), also der obere Teil, an seiner Außenseite, die die Reaktionsfläche darstellt, angepasst werden muss. Außerdem kann im Falle von Betriebsstörungen das Trägerelement ohne großen Aufwand gewartet werden. Die Vorteile dieser Verbesserungen waren in ihrem Ausmaß so nicht vorherzusehen.

Wie bereits angedeutet, zeichnet sich der erfindungsgemäße Reaktor insbesondere dadurch aus, dass er flexibel den jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann. Aus diesem Grund sieht die vorliegende Erfindung auch eine Variante vor, bei der das untere Bauteil a) aus Metall, einem Kunststoff oder einer Keramik gefertigt ist. Vorzugsweise besteht das untere Bauteil aus Metall, wobei natürlich auch sämtliche Mischungen der genannten Materialien in Frage kommen. Eine ähnliche Variationsbreite betrifft das obere Bauteil b). Dieses kann ebenfalls aus Metall, einem Kunststoff oder einer Keramik gefertigt sein, wobei in diesem Fall auch Glas in Frage kommt. Als bevorzugt ist allerdings auch hier wieder Metall als Konstruktionsmaterial anzusehen. Der Einsatz des vorgeschlagenen Reaktors ist auf keine spezifischen Gebiete beschränkt, da sich die eigentliche Erfindung auf die verbesserte Aufnahme, die Weiterleitung und die Ableitung eines Wärmeübertragungsfluids im Inneren des Trägerelements bezieht. Das erfindungswesentliche Konstruktionsmerkmal ist dabei von der äußeren Reaktionsoberfläche des Trägerelements unabhängig, so dass dieses als ein wesentlicher Bestandteil des oberen Bauteils b) glatt, geriffelt, gewellt und/oder konkav oder konvex ausgebildet sein kann. Auf diese Art und Weise kann die Reaktionsführung gezielt gesteuert und das Reaktionsverhalten der aufgegebenen Reaktanden auf die Reaktionsfläche beeinflusst werden. Durch die jeweilige Oberflächenstruktur, die natürlich auch auf ein und derselben Reaktionsfläche unterschiedlich sein kann, indem sich verschiedene Strukturen mischen oder abwechseln, ergeben sich unterschiedliche Aufenthaltszeiten auf der Reaktionsoberfläche, denen auch unterschiedliche Wanderungsgeschwindigkeiten über die Oberfläche zum Scheibenrand hin zugrunde liegen. Selbstverständlich dienen auch die unterschiedlichen Ausgestaltungselemente der Reaktionsoberfläche der homogenen Durchmischung der Reaktanden im Reaktionsfilm.

Zusätzlich aber auch unabhängig von der jeweiligen strukturellen Ausgestaltung der Reaktionsoberfläche, sieht die vorliegende Erfindung vor, dass die äußere Reaktionsoberfläche zumindest teilweise beschichtet ist. Vorzugsweise besteht diese Beschichtung aus einem wärmeleitenden und/oder einem inerten und temperaturbeständigen Material und insbesondere aus einem Polymer, wie z. B. einem polymeren, halogenierten, ungesättigten Kohlenwasserstoff und bevorzugt einem polymeren Tetrafluorethylen. Auf diese Weise ergibt sich ein zusätzlich verbessertes Reaktionsverhalten der eingesetzten Reaktanden auf der Reaktionsoberfläche und konstruktive sowie strukturelle Abweichungen auf der Reaktionsoberfläche können auf diese Weise ausgeglichen werden. Selbstverständlich kann die Reaktionsfläche insgesamt, aber auch nur stellen- oder abschnittsweise, zusätzlich, aber auch unabhängig von zusätzlichen Beschichtungen mit weiteren Komponenten wie bspw. Komponenten mit katalytischen Fähigkeiten versehen sein.

Wie bereits mehrfach angedeutet, besteht der hauptsächliche erfindungswesentliche Aspekt der vorliegenden Erfindung in der inneren Ausgestaltung des Trägerelements. In diesem Zusammenhang berücksichtigt die vorliegende Erfindung eine Variante, bei der die beiden sich zugewandten Flächen der Bauteile a) und b), also die beiden Flächen im Inneren des Trägerlements, einen überwiegend flächenschlüssigen Bereich aufweisen und dabei vorzugsweise mit Ausnahme des Nut-Bereichs (2) in ihrer Gesamtheit im flächigen Kontakt miteinander stehen.

Bezüglich der Nut (2) berücksichtigt die vorliegende Erfindung Ausgestaltungsvarianten, bei denen die Nut spiralförmig, ringförmig und/oder meandrierend in der Oberseite (1) des unteren Bauteils verläuft, oder in Form von mindestens zweier konzentrisch angeordneter Nuten vorliegt. Im zuletzt genannten Fall sind die Nuten dann durch mindestens eine radial verlaufende Nut miteinander verbunden. In jedem Fall ist die Nut oder sind die Nute so anzuordnen, dass das Wärmetransferfluid die Reaktionsoberfläche des Bauteils b) gleichmäßig erwärmt oder kühlt.

Die vorliegende Erfindung besteht somit im Wesentlichen darin, dass die der Reaktionsfläche des oberen Bauteils b) abgewandte Fläche, die gleichzeitig den oberen Teil des Inneren des Trägerelements bildet, glattflächig ist und dass die Oberseite (1) des unteren Bauteils a), welche gleichzeitig den unteren Teil des Innenraums des Trägerelements bildet, mindestens eine in sie eingefräste Nut (2) aufweist. Wird nun das obere Bauteil b) auf das untere Bauteil a) aufgesetzt, kommt es zu einem flächenschlüssigen Kontakt der jeweiligen inneren Oberflächen mit Ausnahme des Nutbereichs. In dem so verbleibenden Hohlraum der Nut(e) kann das Wärmeübertragungsfluid zu-, weiter- und abgeleitet werden.

Ein wesentlicher Aspekt kommt in Form mindestens zweier Bohrungen (3) des unteren Bauteils a) dazu, die der Beaufschlagung und Ableitung des Wärmeübertragungsfluids dienen. Vorzugsweise sollten diese mindestens zwei Bohrungen (3) zentral und benachbart zur Achse angeordnet sein. Auf diese Weise kann das Wärmeübertragungsfluid in einfacher Weise über eine Vorrichtung, die mit der Drehachse gekoppelt ist, dem Inneren des Trägerelements zugeführt und aus diesem abgeführt werden.

Es ist aber auch möglich, dass mindestens eine der mindestens zwei Bohrungen zur Beaufschlagung und Ableitung des Wärmeübertragungsfluids zentral und benachbart zur Achse und die andere mindestens eine Bohrung peripher am Flächenrand des Trägerelements angeordnet sind. Der minimale Abstand der Bohrungen zueinander im Zentral- und Peripherbereich entspricht somit in der Regel dem Radius des Trägerelements. Da das Trägerelement so angeordnet ist, dass es horizontal in der Fläche rotiert, wird das Wärmeübertragungsfluid in diesem Fall immer zentral aufgegeben und im peripheren Bereich abgeleitet werden. Die Führung und Flussrichtung des Wärmeübertragungsfluids ist stets von der Rotationsgeschwindigkeit des Trägerelements und der sich daraus ergebenden Zentrifugalkraft in seinem Inneren abhängig. Dabei kann die vertikale Achse des Trägerelements im Bedarfsfall auch durchaus von der Lotrechten abweichen oder aber die Achse selbst kann während der Rotation die Mantelfläche eines Kegels beschreiben, so dass es zu einer Taumelbewegung des Trägerelements kommt.

Die vorliegende Erfindung deckt auch die Möglichkeit ab, die beiden Bauteile a) und b) zumindest während der Betriebszeit durch Klammern, Zwingen, Steckschrauben, Gewindestangen oder Magnete fest miteinander zu verbinden. Selbstverständlich können auch alle weiteren Möglichkeiten in Betracht gezogen werden, um das obere und das untere Bauteil des Trägerelements formschlüssig und dicht miteinander zu verbinden. Hier ist bspw. auch an Bajonettverschlüsse oder eingefräste Gewinde zu denken. Besonders geeignet sind Steckschrauben (5).

Ein weiteres erfindungswesentliches Merkmal besteht in der dichten Verbindung der oberen und unteren Bauteile, was insbesondere während der Rotation des Trägerelements, also während der eigentlichen Reaktionszeit von Bedeutung ist. Um diese Dichtung zu gewährleisten oder aber zusätzlich zu erhöhen, sieht die vorliegende Erfindung mindestens eine Profildichtung (4) vor. Diese sollte in einer ringförmigen Nut im periphären Bereich des Bauteils a) und/oder b) verlaufen. Diese Nut kann ebenfalls wie die Nut zur Leitung des Wärmeübertragungsfluids eingefräst sein, oder aber auch durch die Kombination des unteren und/oder oberen Bauteils mit einer den Peripherbereich der jeweiligen Bauteile umfangenden Vertiefung gewährleistet werden. Die angesprochene Profildichtung kann in jeder möglichen Ausgestaltung ausgeführt sein. So kann ihr Querschnitt kreisförmig, mehreckig, oval aber auch insgesamt flach ausgeführt sein. In den meisten Fällen wird es sich allerdings um eine typische Quetschdichtung handeln, um so den erwünschten Abdichtungseffekt maximal zu gewährleisten. Selbstverständlich können mehrere auch unterschiedlich geformte und aufgebaute Ringdichtungen miteinander kombiniert werden.

Als Wärmeübertragungsfluid kommen sowohl Gase als auch Flüssigkeiten in Frage; es können aber auch Feststoffe verwendet werden, falls deren Teilchen makroskopische Fließeigenschaften besitzen. Typischerweise werden Wasser oder Wasserdampf aber auch Öle eingesetzt. Generell eignen sich vor allem Flüssigkeiten mit günstigen Gefrier- und Siedepunkten und entsprechenden spezifischen Wärmekapazitäten.

Durch die rotierende Oberfläche des Trägerelements entstehen Zentrifugalkräfte, welche die Ausbildung eines Reaktionsfilms auf der rotierenden Oberfläche bewirken. In Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit und der Viskosität der Ausgangsreaktanden sowie des Reaktionsproduktes, bewegt sich der Film zum Flächenäußeren, wo er von der Fläche abgeschleudert wird. Zum Sammeln und Abführen des entstehenden Reaktionsproduktes von der Reaktionsoberfläche verfügt der beanspruchte Reaktor über eine entsprechende Vorrichtung, die im einfachsten Fall aus einer vertikalen Wandung besteht, welche das Trägerelement in kreisförmiger Anordnung und in einem abgestimmten Abstand vollständig umfasst. Diese Wandung kann in ihrer Temperatur dem jeweiligen Verfahren angepasst werden, so dass sie entweder erwärmt oder aber gekühlt werden kann. In den meisten Fällen einer erhöhten Reaktionstemperatur auf der rotierenden Oberfläche ist die Auffangwandung gekühlt, so dass das abgeschleuderte Reaktionsprodukt an der senkrechten Wandung kondensiert und entsprechend seiner Viskosität und der Schwerkraft folgend abläuft und in einer Auffangvorrichtung, bspw. in Form einer Rinne, gesammelt werden kann. Aus dieser Rinne kann abschließend das Reaktionsprodukt abgezogen werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die vertikale Wandung so zu beeinflussen, dass ein an ihm anhaftendes Reaktionsprodukt schneller und ohne Rückstände zu bilden, der Sammelvorrichtung zugeführt wird. Hierfür eignet sich insbesondere eine leichte und kontinuierliche Erschütterung der Prallwand, was bspw. mechanisch, aber auch durch Ultraschall erfolgen kann. Durch die zentrale Reaktionsachse mit dem sie umgebenden horizontalen Trägerelement und der das Trägerelement kreisförmig umfassenden Auffangvorrichtung ergibt sich eine weitgehend kompakte Konstruktionsmöglichkeit für den Spinning Disc Reaktor. So kann die Ablaufvorrichtung (Ablaufrinne) im unteren Bereich der Konstruktion den Boden des Reaktors bilden und auf die kreisförmig angebrachte vertikale Auffangwandung kann ein Deckel aufgesetzt werden, der in seiner Form und seinem Material den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden kann.

Neben dem Reaktor selbst umfasst die vorliegende Erfindung auf dessen Verwendung. Diese unterliegt insgesamt keiner speziellen Beschränkung, da der beanspruchte Spinning Disc Reaktor im Wesentlichen den Ausgestaltungsvarianten des Standes der Technik folgt und sich lediglich hinsichtlich des Innenbereichs des Trägerelements von diesen gravierend unterscheidet. Der erfindungsgemäße Reaktor wird deshalb vorrangig zur Durchführung von Reaktionen mit beteiligten Massen und/oder Wärmeübertragungsvorgängen eingesetzt. Dabei werden vorzugsweise auf die Reaktionsoberfläche des Trägerelements mindestens zwei Reaktanden aufgebracht. Diese sollten in vorteilhafter Weise in jeweils flüssiger Form vorliegen. Selbstverständlich können in diesem Fall die jeweiligen Viskositäten der beteiligten Reaktanden variiert werden. Die jeweiligen Reaktanden können miteinander reagieren und zu gewünschten Produkten führen. Einer der Reaktanden kann aber auch dazu verwendet werden, um Verunreinigungen aus dem anderen Reaktanden zu entfernen.

Auch der Reaktionstemperatur sind im Wesentlichen keine Grenzen gesetzt. Mit Hilfe des Wärmeübertragungsfluids sollte allerdings erfindungsgemäß die Reaktionstemperatur auf der Reaktionsoberfläche des Trägerelements auf Temperaturen zwischen -50° C und 250° C eingestellt werden. Bevorzugte Bereiche liegen zwischen -20 und 220° C und insbesondere zwischen 0 und 200° C. Ein Bereich zwischen 10 und 150° C dürfte für die meisten Reaktionen geeignet sein, weshalb dieser Bereich auch als besonders bevorzugt anzusehen ist.

Der vorgeschlagene Reaktor ist ebenso für einen breiten Bereich der Rotationsgeschwindigkeit geeignet: So sollte das Trägerelement zumindest während der Reaktionszeit mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 2500 Umdrehungen pro Minute rotieren. Bevorzugte Umdrehungszahlen liegen zwischen 200 und 2000, insbesondere zwischen 400 und 1700 und besonders bevorzugt zwischen 800 und 1500 Umdrehungen pro Minute. In den genannten Bereichen können die unterschiedlichsten chemischen Reaktionen, aber auch Veränderungen von physikalischen Eigenschaften bspw. hinsichtlich der Teilchengröße durchgeführt werden. So eignet sich der beanspruchte Reaktor vor allem zur Herstellung von Polyurethanen, aber auch zu deren Derivatisierung sowie zur Aufreinigung von Ausgangsverbindungen und Produkten.

In den Abbildungen 1 und 2 ist beispielhaft eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trägerelements mit seinen zwei Bauteilen a) und b) dargestellt. Die beiden Bohrungen (3) sind dabei zentriert angeordnet; abgedichtet werden die Bauteile a) und b) über eine ringförmige und umlaufende Profildichtung (4). Verbunden sind die Bauteile a) und b) über Steckschrauben (5), welche durch umlaufende Öffnungen an mindestens einem der Bauteile a) und b) geführt und an der Außenseite gesichert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Reaktor mit einem um eine zentral angeordnete und im Wesentlichen vertikale Achse rotierbar angeordneten scheibenförmigen und temperierbaren Trägerelement, welches eine äußere Reaktionsoberfläche, Zufuhrmittel zum Zuführen mindestens eines Reaktanden auf die Reaktionsoberfläche sowie innenliegende Strukturen zum Temperieren der Reaktionsoberfläche aufweist, sowie mindestens einer Abscheidevorrichtung zum Sammeln und Abführen des Reaktionsproduktes von der Reaktionsoberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement aus zwei horizontal übereinander angeordneten Bauteilen a) und b) mit im Wesentlichen identischen Flächenmaßen besteht, die während der Betriebszeit miteinander formschlüssig und dicht verbunden sind, wobei das untere Bauteil a) auf seiner dem Innenbereich des Trägerelements zugewandten Oberseite mindestens eine flächig eingefräste und im Wesentlichen ununterbrochene Nut zur Aufnahme, Weiterleitung und Ableitung eines Wärmeübertragungsfluids sowie mindestens zwei Bohrungen zur Beaufschlagung und Ableitung des Wärmeübertragungsfluids aufweist, wobei zwischen dem Bauteil a) und dem Bauteil b) mindestens eine den äußeren Flächenbereich kreisförmig umfassende Profildichtung angeordnet ist und die beiden Bauteile a) und b) reversibel miteinander verbunden sind.

2. Reaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das untere Bauteil a) aus Metall, einem Kunststoff oder einer Keramik und vorzugsweise aus Metall besteht.

3. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Bauteil b) aus Metall, Glas, einem Kunststoff oder einer Keramik und vorzugsweise aus Metall besteht.

4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Reaktionsoberfläche des oberen Bauteils b) glatt, geriffelt, gewellt und/oder konkav oder konvex ausgebildet ist oder solchermaßen ausgebildete Bereiche oder Mischformen daraus aufweist.

5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Reaktionsoberfläche zumindest teilweise beschichtet ist, vorzugsweise mit einem wärmeleitenden und/oder einem inerten und temperaturbeständigen Polymer wie z. B. einem polymeren halogenierten ungesättigten Kohlenwasserstoff und insbesondere mit einem polymeren Tetrafluorethylen.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden sich zugewandten Flächen der Bauteile a) und b) mindestens einen flächenschlüssigen Bereich aufweisen und vorzugsweise mit Ausnahme des Nut- Bereiches in ihrer Gesamtheit im flächigen Kontakt miteinander stehen.

7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Nut spiralförmig, ringförmig oder meandrierend in die Oberseite des Bauteils a) eingefräst ist oder in Form mindestens zweier konzentrisch angeordneter Nuten vorliegt, die dann durch mindestens eine radial verlaufende Nut verbunden sind.

8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bohrungen des Bauteils a) zur Beaufschlagung und Ableitung des Wärmeübertragungsfluids zentral und benachbart zur Achse angeordnet sind.

9. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens zwei Bohrungen zur Beaufschlagung und Ableitung des Wärmeübertragungsfluids zentral und benachbart zur Achse und die andere mindestens eine Bohrung periphär am Flächenrand angeordnet sind.

10. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile a) und b) während der Betriebszeit durch Klammern, Zwingen, Steckschrauben, Gewindestangen oder Magnete miteinander verbunden sind.

11. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Profildichtung in einer ringförmigen Nut des Bauteils a) und/oder b) verläuft.

12. Verwendung des Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Durchführung von Reaktionen mit beteiligten Massen- und/oder Wärmeübertragungsvorgängen.

13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Reaktionsoberfläche des Trägerelements mindestens zwei Reaktanden, vorzugsweise in jeweils flüssiger Form aufgebracht werden.

14. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionstemperatur auf der Reaktionsoberfläche des Trägerelements mit Hilfe des Wärmeübertragungsfluids auf Temperaturen zwischen -50° C und 250° C, vorzugsweise zwischen -20° C und 220° C, bevorzugt zwischen 0 und 200° C und besonders bevorzugt zwischen 10 und 150° C eingestellt wird.

15. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement zumindest während der Reaktionszeit mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 2500 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise 200 bis 2000, bevorzugt 400 bis 1700 und besonders bevorzugt 800 bis 1500 Umdrehungen pro Minute rotiert.