专利名称：用于化学反应的紫外反应器及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有权利要求1前序部分所载明特征的用于进行化学反应的紫外 (UV)反应器。
背景技术：
已知在化学反应中，如果期望氧化，则添加诸如臭氧或H2A的氧化手段。对于难以氧化的物质，还已知可额外地照射紫外辐射到反应室中，以产生自由基。以此方式，例如，卤代烃和药用物质的残留物可以被氧化，并因此变得无害。使用已知的装置，多种紫外发射器辐射到液体或气体介质中。为此目的，发射器被布置平行或横向于介质的流动方向。它们可以被布置在反应室内，但是对于紫外透明反应室，它们也可以被布置在介质的外部。装置的有效性取决于氧化手段和待处理的介质被相互混合的程度，以及到介质中的辐射的均勻程度。氧化物质的浓度应当在待处理的整个介质体积范围内尽可能地恒定， 并且介质的每个部分体积还应当接收相同的紫外剂量。这些要求满足的越少，就必须过量供给越多的氧化手段和紫外辐射。
发明内容
因此，本发明的目的是建造一种用于在氧化条件下进行化学反应的装置，该装置具有最佳的可能有效性。该目的通过具有权利要求1所述特征的装置来实现。由于在流动方向上前后布置的紫外发射器关于径向方向以一定角度彼此交错的事实，待处理介质的部分体积穿过具有不足的紫外强度的流动路径上的装置并因此在该处不引发化学反应的可能性降低。特别地，多相的可泵送介质也可以由此被有效地进行处理。本发明的其他实施方案在从属权利要求中描述。如果角度α是15°至45°，优选地30°，则获得良好的效果。根据该实施方案， 角度α可以例如作为反应器直径的函数来选择。如果夹套管相对于反应室的径向方向倾斜30°到70°的角度β，则可以使用具有较大放电长度的发射器。如果提供至少两组夹套管，每组夹套管的一个夹套管被布置为相对于反应室的中心轴靠近另一组的夹套管，并且其中每种情况中夹套管组均形成分开的螺旋状的行，则所有可能的流动路径均可以被全面地辐射。对于特别高的流量和/或具有特别低的紫外透射率的介质，还可以将三个或更多个发射器布置为在径向平面中彼此靠近。如果夹套管被布置在距离中心轴一定的距离处，则接近反应室的壁的区域也在所达到的过程中。如果所述组距离中心轴不同的距离，即第一组距离长的距离，并且第二组距离短的距离，则结果将尤其好。此外，第一组可以以相对于径向方向50°至70°的大角度β对准，并且第二组可以以30°到49°的较小角度β对准，以使两个组均可以被配备相同的发射器。
3
优选地，较大距离可以大于泵管半径的60%，并且较小距离可以小于反应室半径的40%。具体地，一个距离可以是反应室半径的75%，并且第二距离可以是反应室半径的 20%。如果组内的轴向距离也变化，例如，第一组平均具有半径的60%的距离，然而其变化 +/-10%，同时第二组平均具有半径的20%的距离，其类似地变化半径的+/-10%，则可以防止形成具有不期望的高流速或低强度的流动路径。如果每组夹套管均包括总计12个夹套管，则结果是所用发射器数目与所实现的效果之间具有尤其有利的关系。最后，使用根据本发明的装置来处理诸如卤代烃的惰性烃是有利的。
下文借助于附图来描述本发明的示例性实施方案。图1 示出根据现有技术具有平行布置的发射器的反应器；图2 以示意、透视图解示出根据本发明的反应器；图3 以流动方向中的前视图示出另一反应器；图4:以纵断面示出来自图3的反应器；图5 以从侧面的横截面示出在入口和出口区域具有螺旋布置的紫外发射器和连续直径变化的反应器；图6 示出与图5相似的反应器，其在入口区域具有导片布置；图7 示出在入口区域具有不连续的横截面变化的反应器；以及图8 示出具有用于勻化流动的内置装置的反应器。
具体实施例方式为了在流动介质(例如水)中通过形成自由基来引发化学反应，需要向介质供应最低紫外剂量。因此，要得到良好的生产率，目的是在辐射的位点，即在反应室中达到高的紫外强度。该强度由多个高性能紫外发射器产生。发射器自身布置在夹套管中。这些夹套管由石英制成并且以如下方式穿过反应室它们以密封形式被插入到壁中。然后发射器被依次插入到夹套管中，以使它们不与介质相接触，但却能发射它们的辐射输出穿过夹套管而到达介质。首先，将借助于图1来解释现有技术。图1示出设计为具有基本上圆形横截面的反应室的管。流动方向沿着反应室1的纵向，其由流动箭头2指示。对称轴3表示反应室1 的中心轴，并且代表布置的旋转对称。恰当定义两个角，即，首先在外周方向和在顺时针方向从水平对准的半径测量的角α，以及其次在对称轴3的方向上从半径测量的角度β。多个紫外发射器附在反应室内，这些紫外发射器横向于流动方向2对准。它们在图1中水平示出，因此相对于中心轴3位于平面中。发射器4布置在反应室1中具有最大直径的区域中。关于以上解释的角度定义，角α是0°，并且角β同样也是0°。各发射器4恰好设置为横向于贯穿这些发射器4的中心轴3。在根据图1的实施方案中，实践中发生的是流动路径在发射器4之上或之下形成， 其中紫外剂量相对低，使得仅能以来自发射器4的非常高的输出才能实现有效反应。在此，现在应用本发明，其中发射器布置被选择为允许在其通过反应室的路线中的实际上每种可能的流动路径都遇到紫外发射器至少一次，因此，除了均勻辐射以外，还促进流动介质的混合。本发明的示例性实施方案首先在对应于图1的图2中的图示中示出。图2示出具有多个发射器7的反应室1，发射器7在每种情况中均相对于彼此偏置角a。该图示中的角α为约30°。在该示例性实施方案中，针对两个发射器彼此相邻布置的每种情况距离d 均相同。图3示出另一示例性实施方案，这次是反应室1的中心轴3方向的前视图。图示示出在流动方向从前到后连续编号的多个夹套管。两个夹套管10和10’置于第一平面中， 在其后面的第二平面由两个夹套管11和11’形成，第三平面由夹套管12和12’形成，以此类推。这里的术语“平面”不应严格理解为径向平面，而应理解为两个发射器相对于泵送介质的流动方向彼此相邻置于其中的区域。可以确定夹套管10、11、12、13等离中心轴3的距离为rl，其大致为反应室1半径的75%。夹套管10’、11’、12’、13’等离反应室1的中心轴3的距离大致为反应室1半径的 18%。在根据图2的示例性实施方案中，虽然每种情况中中心轴3上彼此相邻径向放置的两个发射器之间的距离相同，但是图3中示出了其中彼此相邻放置的两个发射器之间的距离不同的示例性实施方案。该示例性实施方案为当前优选的。据认为，在待辐射的介质的流动方向中，根据图3的布置产生一种双螺旋或超螺旋。在根据图3的示例性实施方案中，夹套管10、11、12、13等的可用弦长短于夹套管 10M1M2M3'等的弦长。这由相对于反应器夹套管1的纵轴3的不同的角度β来补偿，如从图4可见的。图4以示意图的方式示出反应室1的透视插图，反应室1具有以对应于图3的构造布置在其内部的夹套管11至15和11，至15，。夹套管10、11、12、13等的角β是60°， 并且更靠近轴3放置的夹套管10’、11’、12’、13，等的角β是40°。由此，在每种情况中， 用于将紫外辐射发射到介质中可用夹套管长度均大致相等。此处仅示意性图示了发射器的夹套管穿过反应室1的壁，并且因此可从外部到达。然后紫外发射器自身被插入到这些夹套管中，使它们可以将其辐射输出发射到反应室 1内的流动介质。夹套管也可以设计为仅在一端穿过反应室的壁。然后该端与反应室保持机械连接和密封，以及发射器的电气和机械连接。另一端像手指一样自由突起到反应室中。为了比较反应室中各种发射器布置的效力度，使用计算流体动力学(CFD)方法进行计算。计算显示，应用根据图3和4的示例性实施方案介质获得优异的紫外辐射，图3和 4中发射器被布置为螺旋形扭曲的两行，其中两行距离反应室1的中心轴不同的距离rl和 r2，每种情况中前后布置的发射器具有相对于彼此为30°的角α，并且更靠近中心轴布置的发射器行以40°的角β相对于径向方向倾斜，而进一步远离中心轴的发射器行以60° 的角β相对于径向方向倾斜。虽然在以上描述中概述了基于直的、圆柱形管反应室1的设计，但是反应室也可以是扭曲的、成角度的或者被提供有另一横截面。那样，反应室中发射器的布置必须相应地
5调整。不同于具有平行发射器对的均勻盘绕的所述示例性实施方案，发射器也可以以不同的方式对准，例如发射器对也可以在流动方向相对于彼此偏置，发射器对可以在流动方向中一个平面内具有非平行关系，并且这些相同的发射器对可以具有不同的角β。然而，与均勻和有效辐射同样重要的是，介质与可能被添加的氧化物质以及其他试剂被均勻地混合。为此，在反应室的入口和/或出口处的流体布置是有利的。这样的示例性实施方案在接下来的图5至8中描述。图5以从侧部的横截面示出具有螺旋形布置的紫外发射器和在入口 20和出口 21 区域中连续直径变化的反应器。发射器的布置对应于图3和4中的布置，并且在上文中进一步描述。连续直径变化造成在入口处流动连续变宽，并且因此造成流动变慢，具有足够低的速度的流动几乎保持为层流。这样的布置对预混合的介质可以是有利的。图6示出与图5相似的反应器，其在入口区域21中具有提供湍流且因此混合介质中存在的试剂的导片布置22。如果导片布置22的漩涡方向相对于螺旋形布置的发射器的漩涡方向取向，则该布置尤其有效。图7示出在入口区域具有不连续横截面变化的反应器，由于在不连续的区域23中引起的漩涡，所述不连续横截面变化导致混合。最后，图8示出在入口侧21上具有用于使流动勻化的内置设备的反应器。这样的设备可从化学工程中作为柱中的填充物知道。它们使上游添加的介质的组分非常全面地混合，并且提供几乎为层流的均勻流动，然后所述流动遭遇位于下游的紫外发射器。在操作中，水可以在流动方向上流通过反应器。在反应器的入口处，液体或气体氧化手段可以经由进料枪25添加。发射器的螺旋布置使流过反应器的氧化手段与水流均勻地混合，并且同时，通过紫外光的作用而触发氧化反应。当使用气体氧化手段时，反应器被有利地垂直布置，并且被从底部向上流过。有细微气泡的气体的分布由此被保持尽可能得长。由于紫外辐射还影响气相，反应还可以在气相中引发。对于一些过程，这可能意义重大， 因为气相反应常常以较高数量级的反应速度发生。对于氧化反应，控制反应期间的ρΗ值是有利的。这可以经由额外的进料枪来实现，借助于所述进料枪可添加相应的试剂。此处，发射器的螺旋结构还使被添加的化学品均勻地混合到流动中。对于非水介质也可适用。因此，例如，可以在有机化学品中通过紫外光的作用来触发反应。反应器的应用对于单相介质尤为有利，原因是辐射均勻，并且因此通过均勻混合物在反应中实现均勻的高转化率。另外的化学品可以被添加到反应器入口。在反应器中，化学品随后在流过螺旋形结构时被混合，且同时通过紫外光来引起反应。反应器也可以用气体介质来操作。作为例子的一个应用是通过紫外光引发的从气相的聚合作用。在此，螺旋形结构提供冷凝表面，用来沉积出现的流体相。某些氧化过程要求颗粒形式的光催化剂。当使用这样的颗粒状光催化剂时，螺旋形结构在紫外辐射期间在流动中保持均勻的颗粒分布。通过使用与图6或者尤其与图8相对应的入口中的混合设备，实现了流动的进一步勻化和总体长度的缩短。以此方式，可混合性尤其差的化学品也可以已经被预混合。然
6后紫外反应器的螺旋结构可以在紫外辐射期间维持在入口侧上被混合的混合物并且抵消
未混合。对于水-有机两相流动
附图标记
1.反应室
2.流动箭头
3.对称轴
4.发射器
7.发射器
10和 10，.夹套管
11和 11，·夹套管
12和 12，.夹套管
13和 13，.夹套管
14和 14，.夹套管
15和 15，.夹套管
20入口
21出口
22导片体
23不连续横截面变化
24填充物
25进料枪
权利要求
1.一种用于通过紫外辐射在可泵送介质中进行化学反应的紫外反应器，其具有所述介质可以在从入口到出口的流动方向⑵流过其中的反应室(1)，其中所述反应室⑴被多个紫外透明夹套管(7 ；10-15 ；10，-15，)穿过，所述多个紫外透明夹套管(7 ；10-15 ；10，_15，) 在所述流动方向上前后布置，并且其中布置有用于发射紫外辐射到所述反应室(1)中的紫外发射器，所述反应器的特征在于，前后布置的夹套管(7 ；10-15 ；10’ -15’ )在所述反应室 (1)的外周方向以角α彼此交错。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述角α为15°至45°，优选30°。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述夹套管(7等)相对于所述反应室(1)的径向方向倾斜30°至70°的角β。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，提供至少两组夹套管(10、 11、12等-15;10，、11，、12，等_15’)，其中相对于所述反应室(1)的中心轴(3)的一组 (10-15)的每个夹套管均布置为与另一组(10’ -15’ )的一个夹套管相邻，并且其中在每种情况中所述组均形成螺旋状的行。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述夹套管(7;10-15; 10，-15，)布置为距离所述中心轴(3) 一定的距离(d、rl、r2)。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述组(10-15；10’ -15’ )距离所述中心轴(3)不同的距离(rl、r2)，即第一组(10-15)距离长的距离(rl)，并且第二组(10，_15，) 距离短的距离(r2)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，相对于所述径向方向所述第一组(10-15) 以50°至70°的大角度β对准，并且所述第二组(10，-15，)以30°至49°的较小角度 β对准。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述距离rl大于所述反应室 (1)半径的50%，并且所述距离r2小于所述反应室(1)半径的50%。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述距离rl是所述反应室(1)半径的 75%，并且所述距离r2是所述反应室(1)半径的20%。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，组内的轴向距离是变化的，所述第一组平均具有距离rl，其以所述半径的+/-10%变化，同时第二组平均具有距离r2，其类似地以所述反应室(1)的所述半径的+/-10%变化。
11.根据前述权利要求4至9中任一项所述的装置，其特征在于，每个所述夹套管的组 (10-15 ；10，-15，)包括总计12个夹套管。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，用于混合所述介质的装置布置在所述反应室(1)的所述入口处。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，用于将氧、臭氧和/或H2O2或其他氧化物质供给到所述介质中的装置布置在所述反应室(1)的所述入口处。
14.根据前述权利要求1至13中任一项所述的装置用于氧化降解惰性烃的用途。
全文摘要
本发明涉及用于在可泵送的(必要时为多相的)介质中借助于紫外辐射进行化学反应的紫外反应器，其具有所述介质可以在从入口到出口的流动方向(2)流过其中的反应室(1)，其中所述反应室(1)被多个紫外透明夹套管(7；10-15；10’-15’)穿过，所述多个紫外透明夹套管(7；10-15；10’-15’)在所述流动方向上前后布置，并且其中布置有用于发射紫外辐射到所述反应室(1)中的紫外发射器，其中前后布置的夹套管(7；10-15；10’-15’)在所述反应室(1)的外周方向以角α彼此交错。
文档编号C02F101/36GK102216223SQ200980140948
公开日2011年10月12日 申请日期2009年6月2日 优先权日2008年10月17日
发明者厄恩斯特·马丁·比林, 弗里德黑尔姆·克吕格尔 申请人:Itt制造企业公司