專利名稱：用于化學(xué)反應(yīng)的紫外反應(yīng)器及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有權(quán)利要求1前序部分所載明特征的用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的紫外 (UV)反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
已知在化學(xué)反應(yīng)中，如果期望氧化，則添加諸如臭氧或H2A的氧化手段。對于難以氧化的物質(zhì)，還已知可額外地照射紫外輻射到反應(yīng)室中，以產(chǎn)生自由基。以此方式，例如，鹵代烴和藥用物質(zhì)的殘留物可以被氧化，并因此變得無害。使用已知的裝置，多種紫外發(fā)射器輻射到液體或氣體介質(zhì)中。為此目的，發(fā)射器被布置平行或橫向于介質(zhì)的流動方向。它們可以被布置在反應(yīng)室內(nèi)，但是對于紫外透明反應(yīng)室，它們也可以被布置在介質(zhì)的外部。裝置的有效性取決于氧化手段和待處理的介質(zhì)被相互混合的程度，以及到介質(zhì)中的輻射的均勻程度。氧化物質(zhì)的濃度應(yīng)當(dāng)在待處理的整個介質(zhì)體積范圍內(nèi)盡可能地恒定， 并且介質(zhì)的每個部分體積還應(yīng)當(dāng)接收相同的紫外劑量。這些要求滿足的越少，就必須過量供給越多的氧化手段和紫外輻射。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是建造一種用于在氧化條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的裝置，該裝置具有最佳的可能有效性。該目的通過具有權(quán)利要求1所述特征的裝置來實(shí)現(xiàn)。由于在流動方向上前后布置的紫外發(fā)射器關(guān)于徑向方向以一定角度彼此交錯的事實(shí)，待處理介質(zhì)的部分體積穿過具有不足的紫外強(qiáng)度的流動路徑上的裝置并因此在該處不引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的可能性降低。特別地，多相的可泵送介質(zhì)也可以由此被有效地進(jìn)行處理。本發(fā)明的其他實(shí)施方案在從屬權(quán)利要求中描述。如果角度α是15°至45°，優(yōu)選地30°，則獲得良好的效果。根據(jù)該實(shí)施方案， 角度α可以例如作為反應(yīng)器直徑的函數(shù)來選擇。如果夾套管相對于反應(yīng)室的徑向方向傾斜30°到70°的角度β，則可以使用具有較大放電長度的發(fā)射器。如果提供至少兩組夾套管，每組夾套管的一個夾套管被布置為相對于反應(yīng)室的中心軸靠近另一組的夾套管，并且其中每種情況中夾套管組均形成分開的螺旋狀的行，則所有可能的流動路徑均可以被全面地輻射。對于特別高的流量和/或具有特別低的紫外透射率的介質(zhì)，還可以將三個或更多個發(fā)射器布置為在徑向平面中彼此靠近。如果夾套管被布置在距離中心軸一定的距離處，則接近反應(yīng)室的壁的區(qū)域也在所達(dá)到的過程中。如果所述組距離中心軸不同的距離，即第一組距離長的距離，并且第二組距離短的距離，則結(jié)果將尤其好。此外，第一組可以以相對于徑向方向50°至70°的大角度β對準(zhǔn)，并且第二組可以以30°到49°的較小角度β對準(zhǔn)，以使兩個組均可以被配備相同的發(fā)射器。
3
優(yōu)選地，較大距離可以大于泵管半徑的60%，并且較小距離可以小于反應(yīng)室半徑的40%。具體地，一個距離可以是反應(yīng)室半徑的75%，并且第二距離可以是反應(yīng)室半徑的 20%。如果組內(nèi)的軸向距離也變化，例如，第一組平均具有半徑的60%的距離，然而其變化 +/-10%，同時(shí)第二組平均具有半徑的20%的距離，其類似地變化半徑的+/-10%，則可以防止形成具有不期望的高流速或低強(qiáng)度的流動路徑。如果每組夾套管均包括總計(jì)12個夾套管，則結(jié)果是所用發(fā)射器數(shù)目與所實(shí)現(xiàn)的效果之間具有尤其有利的關(guān)系。最后，使用根據(jù)本發(fā)明的裝置來處理諸如鹵代烴的惰性烴是有利的。


下文借助于附圖來描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方案。圖1 示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)具有平行布置的發(fā)射器的反應(yīng)器；圖2 以示意、透視圖解示出根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器；圖3 以流動方向中的前視圖示出另一反應(yīng)器；圖4:以縱斷面示出來自圖3的反應(yīng)器；圖5 以從側(cè)面的橫截面示出在入口和出口區(qū)域具有螺旋布置的紫外發(fā)射器和連續(xù)直徑變化的反應(yīng)器；圖6 示出與圖5相似的反應(yīng)器，其在入口區(qū)域具有導(dǎo)片布置；圖7 示出在入口區(qū)域具有不連續(xù)的橫截面變化的反應(yīng)器；以及圖8 示出具有用于勻化流動的內(nèi)置裝置的反應(yīng)器。
具體實(shí)施例方式為了在流動介質(zhì)(例如水)中通過形成自由基來引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，需要向介質(zhì)供應(yīng)最低紫外劑量。因此，要得到良好的生產(chǎn)率，目的是在輻射的位點(diǎn)，即在反應(yīng)室中達(dá)到高的紫外強(qiáng)度。該強(qiáng)度由多個高性能紫外發(fā)射器產(chǎn)生。發(fā)射器自身布置在夾套管中。這些夾套管由石英制成并且以如下方式穿過反應(yīng)室它們以密封形式被插入到壁中。然后發(fā)射器被依次插入到夾套管中，以使它們不與介質(zhì)相接觸，但卻能發(fā)射它們的輻射輸出穿過夾套管而到達(dá)介質(zhì)。首先，將借助于圖1來解釋現(xiàn)有技術(shù)。圖1示出設(shè)計(jì)為具有基本上圓形橫截面的反應(yīng)室的管。流動方向沿著反應(yīng)室1的縱向，其由流動箭頭2指示。對稱軸3表示反應(yīng)室1 的中心軸，并且代表布置的旋轉(zhuǎn)對稱。恰當(dāng)定義兩個角，即，首先在外周方向和在順時(shí)針方向從水平對準(zhǔn)的半徑測量的角α，以及其次在對稱軸3的方向上從半徑測量的角度β。多個紫外發(fā)射器附在反應(yīng)室內(nèi)，這些紫外發(fā)射器橫向于流動方向2對準(zhǔn)。它們在圖1中水平示出，因此相對于中心軸3位于平面中。發(fā)射器4布置在反應(yīng)室1中具有最大直徑的區(qū)域中。關(guān)于以上解釋的角度定義，角α是0°，并且角β同樣也是0°。各發(fā)射器4恰好設(shè)置為橫向于貫穿這些發(fā)射器4的中心軸3。在根據(jù)圖1的實(shí)施方案中，實(shí)踐中發(fā)生的是流動路徑在發(fā)射器4之上或之下形成， 其中紫外劑量相對低，使得僅能以來自發(fā)射器4的非常高的輸出才能實(shí)現(xiàn)有效反應(yīng)。在此，現(xiàn)在應(yīng)用本發(fā)明，其中發(fā)射器布置被選擇為允許在其通過反應(yīng)室的路線中的實(shí)際上每種可能的流動路徑都遇到紫外發(fā)射器至少一次，因此，除了均勻輻射以外，還促進(jìn)流動介質(zhì)的混合。本發(fā)明的示例性實(shí)施方案首先在對應(yīng)于圖1的圖2中的圖示中示出。圖2示出具有多個發(fā)射器7的反應(yīng)室1，發(fā)射器7在每種情況中均相對于彼此偏置角a。該圖示中的角α為約30°。在該示例性實(shí)施方案中，針對兩個發(fā)射器彼此相鄰布置的每種情況距離d 均相同。圖3示出另一示例性實(shí)施方案，這次是反應(yīng)室1的中心軸3方向的前視圖。圖示示出在流動方向從前到后連續(xù)編號的多個夾套管。兩個夾套管10和10’置于第一平面中， 在其后面的第二平面由兩個夾套管11和11’形成，第三平面由夾套管12和12’形成，以此類推。這里的術(shù)語“平面”不應(yīng)嚴(yán)格理解為徑向平面，而應(yīng)理解為兩個發(fā)射器相對于泵送介質(zhì)的流動方向彼此相鄰置于其中的區(qū)域?？梢源_定夾套管10、11、12、13等離中心軸3的距離為rl，其大致為反應(yīng)室1半徑的75%。夾套管10’、11’、12’、13’等離反應(yīng)室1的中心軸3的距離大致為反應(yīng)室1半徑的 18%。在根據(jù)圖2的示例性實(shí)施方案中，雖然每種情況中中心軸3上彼此相鄰徑向放置的兩個發(fā)射器之間的距離相同，但是圖3中示出了其中彼此相鄰放置的兩個發(fā)射器之間的距離不同的示例性實(shí)施方案。該示例性實(shí)施方案為當(dāng)前優(yōu)選的。據(jù)認(rèn)為，在待輻射的介質(zhì)的流動方向中，根據(jù)圖3的布置產(chǎn)生一種雙螺旋或超螺旋。在根據(jù)圖3的示例性實(shí)施方案中，夾套管10、11、12、13等的可用弦長短于夾套管 10M1M2M3'等的弦長。這由相對于反應(yīng)器夾套管1的縱軸3的不同的角度β來補(bǔ)償，如從圖4可見的。圖4以示意圖的方式示出反應(yīng)室1的透視插圖，反應(yīng)室1具有以對應(yīng)于圖3的構(gòu)造布置在其內(nèi)部的夾套管11至15和11，至15，。夾套管10、11、12、13等的角β是60°， 并且更靠近軸3放置的夾套管10’、11’、12’、13，等的角β是40°。由此，在每種情況中， 用于將紫外輻射發(fā)射到介質(zhì)中可用夾套管長度均大致相等。此處僅示意性圖示了發(fā)射器的夾套管穿過反應(yīng)室1的壁，并且因此可從外部到達(dá)。然后紫外發(fā)射器自身被插入到這些夾套管中，使它們可以將其輻射輸出發(fā)射到反應(yīng)室 1內(nèi)的流動介質(zhì)。夾套管也可以設(shè)計(jì)為僅在一端穿過反應(yīng)室的壁。然后該端與反應(yīng)室保持機(jī)械連接和密封，以及發(fā)射器的電氣和機(jī)械連接。另一端像手指一樣自由突起到反應(yīng)室中。為了比較反應(yīng)室中各種發(fā)射器布置的效力度，使用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)方法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算顯示，應(yīng)用根據(jù)圖3和4的示例性實(shí)施方案介質(zhì)獲得優(yōu)異的紫外輻射，圖3和 4中發(fā)射器被布置為螺旋形扭曲的兩行，其中兩行距離反應(yīng)室1的中心軸不同的距離rl和 r2，每種情況中前后布置的發(fā)射器具有相對于彼此為30°的角α，并且更靠近中心軸布置的發(fā)射器行以40°的角β相對于徑向方向傾斜，而進(jìn)一步遠(yuǎn)離中心軸的發(fā)射器行以60° 的角β相對于徑向方向傾斜。雖然在以上描述中概述了基于直的、圓柱形管反應(yīng)室1的設(shè)計(jì)，但是反應(yīng)室也可以是扭曲的、成角度的或者被提供有另一橫截面。那樣，反應(yīng)室中發(fā)射器的布置必須相應(yīng)地
5調(diào)整。不同于具有平行發(fā)射器對的均勻盤繞的所述示例性實(shí)施方案，發(fā)射器也可以以不同的方式對準(zhǔn)，例如發(fā)射器對也可以在流動方向相對于彼此偏置，發(fā)射器對可以在流動方向中一個平面內(nèi)具有非平行關(guān)系，并且這些相同的發(fā)射器對可以具有不同的角β。然而，與均勻和有效輻射同樣重要的是，介質(zhì)與可能被添加的氧化物質(zhì)以及其他試劑被均勻地混合。為此，在反應(yīng)室的入口和/或出口處的流體布置是有利的。這樣的示例性實(shí)施方案在接下來的圖5至8中描述。圖5以從側(cè)部的橫截面示出具有螺旋形布置的紫外發(fā)射器和在入口 20和出口 21 區(qū)域中連續(xù)直徑變化的反應(yīng)器。發(fā)射器的布置對應(yīng)于圖3和4中的布置，并且在上文中進(jìn)一步描述。連續(xù)直徑變化造成在入口處流動連續(xù)變寬，并且因此造成流動變慢，具有足夠低的速度的流動幾乎保持為層流。這樣的布置對預(yù)混合的介質(zhì)可以是有利的。圖6示出與圖5相似的反應(yīng)器，其在入口區(qū)域21中具有提供湍流且因此混合介質(zhì)中存在的試劑的導(dǎo)片布置22。如果導(dǎo)片布置22的漩渦方向相對于螺旋形布置的發(fā)射器的漩渦方向取向，則該布置尤其有效。圖7示出在入口區(qū)域具有不連續(xù)橫截面變化的反應(yīng)器，由于在不連續(xù)的區(qū)域23中引起的漩渦，所述不連續(xù)橫截面變化導(dǎo)致混合。最后，圖8示出在入口側(cè)21上具有用于使流動勻化的內(nèi)置設(shè)備的反應(yīng)器。這樣的設(shè)備可從化學(xué)工程中作為柱中的填充物知道。它們使上游添加的介質(zhì)的組分非常全面地混合，并且提供幾乎為層流的均勻流動，然后所述流動遭遇位于下游的紫外發(fā)射器。在操作中，水可以在流動方向上流通過反應(yīng)器。在反應(yīng)器的入口處，液體或氣體氧化手段可以經(jīng)由進(jìn)料槍25添加。發(fā)射器的螺旋布置使流過反應(yīng)器的氧化手段與水流均勻地混合，并且同時(shí)，通過紫外光的作用而觸發(fā)氧化反應(yīng)。當(dāng)使用氣體氧化手段時(shí)，反應(yīng)器被有利地垂直布置，并且被從底部向上流過。有細(xì)微氣泡的氣體的分布由此被保持盡可能得長。由于紫外輻射還影響氣相，反應(yīng)還可以在氣相中引發(fā)。對于一些過程，這可能意義重大， 因?yàn)闅庀喾磻?yīng)常常以較高數(shù)量級的反應(yīng)速度發(fā)生。對于氧化反應(yīng)，控制反應(yīng)期間的ρΗ值是有利的。這可以經(jīng)由額外的進(jìn)料槍來實(shí)現(xiàn)，借助于所述進(jìn)料槍可添加相應(yīng)的試劑。此處，發(fā)射器的螺旋結(jié)構(gòu)還使被添加的化學(xué)品均勻地混合到流動中。對于非水介質(zhì)也可適用。因此，例如，可以在有機(jī)化學(xué)品中通過紫外光的作用來觸發(fā)反應(yīng)。反應(yīng)器的應(yīng)用對于單相介質(zhì)尤為有利，原因是輻射均勻，并且因此通過均勻混合物在反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)均勻的高轉(zhuǎn)化率。另外的化學(xué)品可以被添加到反應(yīng)器入口。在反應(yīng)器中，化學(xué)品隨后在流過螺旋形結(jié)構(gòu)時(shí)被混合，且同時(shí)通過紫外光來引起反應(yīng)。反應(yīng)器也可以用氣體介質(zhì)來操作。作為例子的一個應(yīng)用是通過紫外光引發(fā)的從氣相的聚合作用。在此，螺旋形結(jié)構(gòu)提供冷凝表面，用來沉積出現(xiàn)的流體相。某些氧化過程要求顆粒形式的光催化劑。當(dāng)使用這樣的顆粒狀光催化劑時(shí)，螺旋形結(jié)構(gòu)在紫外輻射期間在流動中保持均勻的顆粒分布。通過使用與圖6或者尤其與圖8相對應(yīng)的入口中的混合設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了流動的進(jìn)一步勻化和總體長度的縮短。以此方式，可混合性尤其差的化學(xué)品也可以已經(jīng)被預(yù)混合。然
6后紫外反應(yīng)器的螺旋結(jié)構(gòu)可以在紫外輻射期間維持在入口側(cè)上被混合的混合物并且抵消
未混合。對于水-有機(jī)兩相流動
附圖標(biāo)記
1.反應(yīng)室
2.流動箭頭
3.對稱軸
4.發(fā)射器
7.發(fā)射器
10和 10，.夾套管
11和 11，·夾套管
12和 12，.夾套管
13和 13，.夾套管
14和 14，.夾套管
15和 15，.夾套管
20入口
21出口
22導(dǎo)片體
23不連續(xù)橫截面變化
24填充物
25進(jìn)料槍
權(quán)利要求
1.一種用于通過紫外輻射在可泵送介質(zhì)中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的紫外反應(yīng)器，其具有所述介質(zhì)可以在從入口到出口的流動方向⑵流過其中的反應(yīng)室(1)，其中所述反應(yīng)室⑴被多個紫外透明夾套管(7 ；10-15 ；10，-15，)穿過，所述多個紫外透明夾套管(7 ；10-15 ；10，_15，) 在所述流動方向上前后布置，并且其中布置有用于發(fā)射紫外輻射到所述反應(yīng)室(1)中的紫外發(fā)射器，所述反應(yīng)器的特征在于，前后布置的夾套管(7 ；10-15 ；10’ -15’ )在所述反應(yīng)室 (1)的外周方向以角α彼此交錯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述角α為15°至45°，優(yōu)選30°。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述夾套管(7等)相對于所述反應(yīng)室(1)的徑向方向傾斜30°至70°的角β。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，提供至少兩組夾套管(10、 11、12等-15;10，、11，、12，等_15’)，其中相對于所述反應(yīng)室(1)的中心軸(3)的一組 (10-15)的每個夾套管均布置為與另一組(10’ -15’ )的一個夾套管相鄰，并且其中在每種情況中所述組均形成螺旋狀的行。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述夾套管(7;10-15; 10，-15，)布置為距離所述中心軸(3) 一定的距離(d、rl、r2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述組(10-15；10’ -15’ )距離所述中心軸(3)不同的距離(rl、r2)，即第一組(10-15)距離長的距離(rl)，并且第二組(10，_15，) 距離短的距離(r2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，相對于所述徑向方向所述第一組(10-15) 以50°至70°的大角度β對準(zhǔn)，并且所述第二組(10，-15，)以30°至49°的較小角度 β對準(zhǔn)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述距離rl大于所述反應(yīng)室 (1)半徑的50%，并且所述距離r2小于所述反應(yīng)室(1)半徑的50%。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述距離rl是所述反應(yīng)室(1)半徑的 75%，并且所述距離r2是所述反應(yīng)室(1)半徑的20%。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于，組內(nèi)的軸向距離是變化的，所述第一組平均具有距離rl，其以所述半徑的+/-10%變化，同時(shí)第二組平均具有距離r2，其類似地以所述反應(yīng)室(1)的所述半徑的+/-10%變化。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求4至9中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，每個所述夾套管的組 (10-15 ；10，-15，)包括總計(jì)12個夾套管。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，用于混合所述介質(zhì)的裝置布置在所述反應(yīng)室(1)的所述入口處。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，用于將氧、臭氧和/或H2O2或其他氧化物質(zhì)供給到所述介質(zhì)中的裝置布置在所述反應(yīng)室(1)的所述入口處。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的裝置用于氧化降解惰性烴的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在可泵送的(必要時(shí)為多相的)介質(zhì)中借助于紫外輻射進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的紫外反應(yīng)器，其具有所述介質(zhì)可以在從入口到出口的流動方向(2)流過其中的反應(yīng)室(1)，其中所述反應(yīng)室(1)被多個紫外透明夾套管(7；10-15；10’-15’)穿過，所述多個紫外透明夾套管(7；10-15；10’-15’)在所述流動方向上前后布置，并且其中布置有用于發(fā)射紫外輻射到所述反應(yīng)室(1)中的紫外發(fā)射器，其中前后布置的夾套管(7；10-15；10’-15’)在所述反應(yīng)室(1)的外周方向以角α彼此交錯。
文檔編號C02F101/36GK102216223SQ200980140948
公開日2011年10月12日 申請日期2009年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者厄恩斯特·馬丁·比林, 弗里德黑爾姆·克呂格爾 申請人:Itt制造企業(yè)公司