DE102007008876A1

DE102007008876A1 - Verfahren zur Durchführung chemischer und physikalischer Prozesse und Reaktionszelle

Info

Publication number: DE102007008876A1
Application number: DE102007008876A
Authority: DE
Inventors: Sonja Dr. Grothe
Original assignee: Sachtleben Chemie GmbH
Current assignee: Venator Germany GmbH
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2007-12-27
Also published as: WO2007096383A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung chemischer und physikalischer Prozesse, wobei zum Initiieren dieser Prozesse Reaktanden (1, 2, 8) über Pumpen durch jeweils eine Reaktandendüse (5, 6, 9) in einen Reaktionsraum einer Reaktionszelle (3) auf einen gemeinsamen Kollisionspunkt (11) gespritzt werden und das durch die Vermischung der Reaktanden (1, 2, 8) entstandene Produkt (4) aus dem Reaktionsraum entfernt wird.
Damit die Reaktandendüsen nicht verstopfen, wird vorgeschlagen, dass die Düsenstrahlen aller Reaktandendüsen (5, 6, 9) in einem Winkel α = 10°-170° zueinander ausgerichtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung chemischer und physikalischer Prozesse nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine Reaktionszelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14 und eine bevorzugte Verwendung.
WO 00/61275 beschreibt ein Verfahren zur Durchführung chemischer und physikalischer Prozesse, dadurch gekennzeichnet, dass zum Initiieren chemischer oder physikalischer Prozessabläufe mindestens zwei flüssige Medien (Reaktanden) über Pumpen, vorzugsweise Hochdruckpumpen, durch jeweils eine Reaktandendüse in einen von einem Reaktorgehäuse umschlossenen Reaktionsraum auf einen gemeinsamen Kollisionspunkt gespritzt werden, dass über eine Öffnung in den Reaktionsraum ein Gas, eine verdampfende Flüssigkeit, eine kühlende Flüssigkeit oder ein kühlendes Gas zur Aufrechterhaltung der Gasatmosphäre im Reaktionsraum, insbesondere im Kollisionspunkt der Flüssigkeitsstrahlen, bzw. zur Kühlung der entstehenden Produkte, eingeleitet wird und dass die entstehenden Produkte und überschüssiges Gas durch eine Auslassöffnung aus dem Reaktionsraum durch Überdruck auf der Gaseintrittseite oder durch Unterdruck auf der Produkt- und Gasaustrittseite entfernt werden.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass bei der kolinearen Ausrichtung zweier Flüssigkeitsstrahlen beim Ausfall eines Reaktandes die entsprechende Reaktandendüse dadurch verstopft, dass der andere Reaktand in diese Düse eintreten kann. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens ist, dass sehr hohe Drücke von p > 50 bar, vorzugsweise p > 500 bar und besonders bevorzugt von p = 1000–4000 bar verwendet werden. Dies bedeutet einerseits, dass sehr teure Hochdruckpumpen eingesetzt werden. Andererseits bedeutet es auch, dass die gesamte Anlage (inkl. Peripherie) auf diese hohen Drücke ausgelegt und entsprechend geprüft werden muss. Neben den finanziellen Nachteilen ist auch aus Sicht der Arbeitssicherheit ein Prozess mit niedrigeren Drücken vorzuziehen.
Ein weiterer Nachteil des in WO 00/61275 beschriebenen Verfahrens ist, dass das wirtschaftlich erforderliche Up-Scaling nicht möglich ist, da bei kolinearer Ausrichtung der Düsen in Kombination mit hohen Durchsatzmengen der Produktstrom aus dem Reaktionsraum zunächst nach oben austritt, d.h. weg von der Öffnung aus dem Reaktionsraum und erst später in die durch die Gasströmung vorgegebenen Richtung ausgetragen wird. Dieses Strömungsverhalten führt zu einer breiten Verweilzeitverteilung bzw. zu einer langen Verweilzeit des Produktes im Reaktionsraum. Zudem kommt es zu Anlagerungen des Produktes im Bereich der Gaszuleitung, die zu Verstopfungen führen können.
Allgemein
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchführung chemischer und physikalischer Prozesse, wobei zum Initiieren dieser Prozesse Reaktanden über Pumpen durch jeweils eine Reaktandendüse in einen Reaktionsraum einer Reaktionszelle auf einen gemeinsamen Kollisionspunkt gespritzt werden und das durch die Vermischung der Reaktanden entstandene Produkt aus der Reaktionszelle entfernt wird, derart zu verbessern, dass die Reaktandendüsen nicht verstopfen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Düsenstrahlen aller Reaktandendüsen in einem Winkel α von α = 10°–170° zueinander ausgerichtet werden, können die Reaktandendüsen nicht verstopfen.
Die Volumendurchsätze f der Reaktanden durch die Reaktandendüsen liegen bevorzugt im Bereich von je f = 0,5 bis 20.000 l/h, besonders bevorzugt im Bereich von je f = 20 l/h bis 5.000 l/h, besonders bevorzugt im Bereich von je 40 l/h bis 1.000 l/h, besonders bevorzugt im Bereich von je 100 l/h bis 500 l/h, so dass die Verweilzeit des Produktes im Reaktionsraum minimiert ist. l/h bedeutet Liter pro Stunde.
In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Düsenstrahlen der Reaktandendüsen in einem Winkel α = 30°–140°, bevorzugt α = 60°–110° zueinander ausgerichtet.
Bevorzugt werden die Reaktanden mit einem Druck p von p >= 1 bar, bevorzugt p >= 10 bar, besonders bevorzugt p >= 30 bar, jedoch bevorzugt maximal mit einem Druck von 49 bar in den Reaktionsraum der Reaktionszelle gespritzt.
In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden mindestens zwei Reaktanden mit jeweils einer Reaktandendüse verwendet.
Die Düsenweiten der Reaktandendüsen bei kreisförmigen Reaktandendüsen liegen im Bereich von 0,1 mm–5 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm–2 mm.
Spezielle Ausgestaltung als „Reaktionszelle"
In spezieller Ausführungsform besitzt die Reaktionszelle bzw. der Reaktionsraum eine Produktdüse, durch die das Produkt aus der Reaktionszelle bzw. dessen Reaktionsraum ausgetragen wird. Das durch das Reaktorgehäuse abgeschlossene Volumen der Reaktionszelle liegt im Bereich von V = 1 μl–10 ml, bevorzugt bei V = 10 μl–3 ml. Zudem werden der Durchmesser bzw. der wirksame Querschnitt der Reaktandendüsen und der Druck, mit dem die Reaktanden eingespritzt werden, vorteilhaft so gewählt, dass die Verweilzeit des Produktes in der Reaktionszelle bzw. im Reaktionsraum kürzer als 1 s (Sekunde) ist. Auch der wirksame Querschnitt der Produktdüse muss hieran angepasst werden.
Spezielle Ausgestaltung als „optimierter „MicroJetReaktor" (MJR) In spezieller Ausgestaltung wird das Produkt mittels eines Gases, bevorzugt Druckluft, aus der Reaktionszelle bzw. aus dem Reaktionsraum ausgetragen. Das Gas wird durch einen Öffnung zugeführt und durch eine weitere Öffnung zusammen mit dem Produkt ausgetragen.
Der Gasdurchsatz f liegt in einer Ausführungsform bei f >= 500 l/h (bei Normaldruck), vorzugsweise bei f >= 3.000 l/h (bei Normaldruck).
In einer Ausführungsform wird zum Austragen des Produktes aus dem Reaktionsraum Druckluft mit einem Druck von p = 0,5–100 bar, vorzugsweise von p = 2–30 bar verwendet.
In erfindungsgemäßer Ausgestaltung weist die Reaktionszelle bzw. der Reaktionsraum, wenn dieser kreisförmig oder zylinderförmig ausgebildet ist, einen Durchmesser von d = 1 mm–50 mm, vorzugsweise von d = 2 mm–10 mm auf.
Verwendung der Reaktionszellen
Eine erfindungsgemäße Reaktionszelle zum Initiieren chemischer und physikalischer Prozesse, mit mindestens zwei Reaktandendüsen, welche die mindestens zwei Reaktanden in den Reaktionsraum der Reaktionszelle, die von einem Gehäuse umschlossen ist, auf einen gemeinsamen Kollisionspunkt spritzen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenstrahlen der Reaktandendüsen in einem Winkel α von α = 10°–170° zueinander angeordnet sind. Die Reaktanden-Volumendurchsätze liegen bevorzugt im Bereich von je 0,5 l/h–20.000 l/h, vorzugsweise im Bereich von je 20 l/h–5.000 l/h, besonders vorzugsweise im Bereich von je 40 l/h–1.000 l/h, besonders vorzugsweise im Bereich von je 100 l/h bis 500 l/h. Der Winkel α liegt in einer Ausführungsform zwischen α = 30°–140°, bevorzugt α = 60°–110°. Auf keinen Fall darf der Winkel 0° bzw. 180° betragen.
Verwendung der speziellen Ausgestaltung als „Reaktionszelle" In spezieller Ausführungsform besitzt die Reaktionszelle eine Produktdüse und das Volumen der Reaktionszelle liegt im Bereich von V = 1 μl–10 ml, bevorzugt bei V = 10 μl–3 ml. Zudem wird der Durchmesser oder der wirksame Querschnitt der Reaktandendüsen und der Druck, mit dem die Reaktanden eingespritzt werden, vorteilhaft so gewählt, dass die Verweilzeit des Produktes im Reaktionsraum der Reaktionszelle kürzer als 1 s (Sekunde) ist.
Verwendung der speziellen Ausgestaltung als „optimierter MJR" In spezieller Ausgestaltung wird das Produkt mittels eines Gases, bevorzugt Druckluft, aus der Reaktionszelle ausgetragen.
Der Gasdurchsatz f liegt in einer Ausführungsform bei f >= 500 l/h (bei Normaldruck), vorzugsweise bei f >= 3.000 l/h (bei Normaldruck).
In einer Ausführungsform wird zum Austragen des Produktes aus dem Reaktionsraum Druckluft mit einem Druck von p = 0,5–100 bar, vorzugsweise von p = 2–30 bar verwendet.
In erfindungsgemäßer Ausgestaltung weist die Reaktionszelle bzw. der Reaktionsraum bei kreisförmigen oder zylinderförmigen Reaktionsräumen einen Durchmesser von d = 1 mm–50 mm, vorzugsweise von d = 2 mm–10 mm auf.
Bevorzugte Verwendung der Reaktionszellen
Bevorzugt werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Reaktionszelle zur Fällung von nanoskaligen Partikeln, insbesondere Bariumsulfat, unter Prozessbedingungen verwendet.
Die Erfindung beschreibt somit eine Reaktionszelle zur ultraschnellen Vermischung von mehreren Reaktanden. Als Reaktanden werden typischerweise Flüssigkeiten z. B. Lösungen oder Suspensionen verwendet, es können aber auch Gase oder verdampfende Flüssigkeiten eingesetzt werden. Durch die ultraschnelle Vermischung der Reaktanden kann eine Reaktion, wie z. B. eine Fällung, initiiert werden. Eine mögliche Anwendung der erfindungsgemäßen Reaktionszelle ist, wie schon erwähnt, die Fällung von nanoskaligen Partikeln unter Prozessbedingungen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen mit zugehörigen Figuren näher erläutert.
Beispiel 1:
In der 1a ist ein Querschnitt durch eine 2-Strahl-Reaktionszelle 3 und in 1 b eine Aufsicht auf diese erfindungsgemäße Reaktionszelle dargestellt, in der zwei Reaktanden 1, 2 zur Reaktion gebracht werden. Das Volumen der Reaktionszelle 3 beträgt V = 3 ml. Die Düsenweiten der kreisförmigen Reaktandendüsen 5, 6 haben einen Durchmesser von je d = 1,5 mm. Der Volumendurchsatz f der eingesetzten Reaktanden 1, 2 beträgt bei einem Druck p von p = 29 bar f = 300 l/h. Die Düsenweite der Produktdüse 7 beträgt d = 4,5 mm, so dass sich im Volumen der Reaktionszelle bzw. des Reaktionsraums 3 ein Druck von 16 bar einstellt. Diese Druckdifferenz bewirkt ein schnelles Austragen des Produktes 4 aus der Reaktionszelle 3. Die mittlere Verweilzeit in der Reaktionszelle 3 beträgt 5 ms.
Mit dem Bezugszeichen 10 ist das Gehäuse der Reaktionszelle 3 und mit dem Bezugszeichen 11 der Kollisionspunkt der Düsenstrahlen der Reaktandendüsen 5, 6 bezeichnet.
Als Reaktanden werden 0,3 molare wässrige Bariumsulfid-Lösung und 0,3 molare, wässrige Natriumsulfat-Lösung eingesetzt. In der Reaktionszelle findet folgende Reaktion statt: n Na₂SO₄+ n BaS → n Na₂S + n BaSO₄
Das Produkt der Reaktion ist eine Mischung aus nanoskaligem Bariumsulfat und gelöstem Natriumsulfid in Wasser.
Beispiel 2:
In den 2a, 2b ist eine erfindungsgemäße Reaktionszelle 3 gezeigt, in der drei Reaktanden 1, 2, 8 zur Reaktion gebracht werden. 2a zeigt dabei einen Querschnitt und 2b eine Aufsicht auf diese 3-Strahl-Reaktionszelle 3. Die Düsenweiten der Reaktandendüsen 5, 6, 9 haben einen Durchmesser von d = 0,8 mm. Bei Produktdrücken von p = 17 bar ergeben sich Volumendurchsätze von f = 50 l/h pro Reaktandendüse 5, 6, 9. Das Volumen der Reaktionszelle 3 beträgt V = 450 μl, so dass die mittlere Verweilzeit in der Reaktionszelle 3 bei t = 3 ms liegt. Die Produktdüse 7 hat einen Düsendurchmesser von d = 2,4 mm, so dass sich ein Druck von p = 6 bar im Volumen der Reaktionszelle 3 einstellt.
Als Reaktanden wird 0,5 molare, wässrige Bariumhydroxid-Lösung (Ba(OH)₂) und 0,5 molare, wässrige Schwefelsäure-Lösung (H₂SO₄) und eine 0,01 molare wässrige Lösung von Natriumlaurylsulfat (C₁₂H₂₅NaO₄S) eingesetzt. In der Reaktionszelle fällt als Produkt nanoskaliges Bariumsulfat aus, wobei sich das Natriumlaurylsulfat an die Oberflächen der Bariumsulfatpartikel begibt und so weiteres Partikelwachstum verhindert. Zudem führt die Verwendung vom Natriumlaurylsulfat zur Hydrophobierung der Bariumsulfatpartikel.
Beispiel 3:
In der 3 ist eine erfindungsgemäße zylinderförmige Reaktionszelle gezeigt, in der zwei Reaktanden 1, 2 zur Reaktion gebracht werden. Das durch die Vermischung der Reaktanden entstandene Produkt 4 wird durch einen Gasstrom 12 ausgetragen. Die Düsenweiten der Reaktandendüsen 5, 6 liegen bei d = 0,8 mm. Die Produktdrücke liegen bei p = 45 bar, die Volumendurchsätze bei f = 300 l/h pro Reaktandendüse 5, 6. Der Durchmesser des zylinderförmigen Reaktionsraums beträgt d = 2,5 mm. Der Winkel α zwischen den Reaktan- dendüsen beträgt α = 90°. Als Gas wird Druckluft mit einem Druck von p = 5 bar und ein Volumendurchsatz von f = 6.000 l/h eingesetzt.
Gleiche Bezugszeichen in den 1a, 1b, 2a, 2b, 3 bezeichnen auch gleiche Gegenstände.
Als Reaktanden wird 0,5 molare, wässrige Bariumsulfid-Lösung und 0,5 molare, wässrige Zinksulfat-Lösung eingesetzt. In der Reaktionszelle findet folgende Reaktion statt: n ZnSO₄ + n BaS → n ZnS + n BaSO₄
Das Produkt der Reaktion ist eine Mischung aus nanoskaliges Zinksulfid und nanoskaligem Bariumsulfat in Wasser.
In der räumlichen Darstellung in 4 ist eine Reaktionszelle, bzw. deren Reaktionsraum oder Mischkammer dargestellt.
In der in 5 dargestellten Vorderansicht erfolgt die Zuführung der Substanzen oder Reaktanden, die gemischt werden sollen, über zwei schräg angeordnete Zuführungen E und F (Reaktandendüsen), die unter den Winkeln M-a und M-b angeordnet sind.
Über den Einlass C wird ein Gas, hier Luft zugeführt. An der Stelle, wo die zu mischenden Substanzen aufeinandertreffen, werden sie intensiv und schnell durchmischt. Durch die Neigung der Zuführungen wird der Mischung ein resultierender Impuls in die Richtung des Auslasses D gegeben, der durch die Luftströmung verstärkt wird.
Die Luftführung des Auslasses des Reaktionsraums erfolgt in einem düsenähnlich gestalteten Kanal A. Der Kanal ist so geformt, dass keine Strömungsabrisse durch Kanten oder schroffe Querschnittsveränderungen auftreten.
Ein Teil der Mischung trifft bereits in der Kammer (Reaktionsraum) an die Wandung, um dort weiter zufließen. Diese Trennung wird von der Düsenform unterstützt. An den Wandungen der Mischkammer (Reaktionsraum) können Leitkonturen B angebracht werden, die sowohl die Strömung der Mischung entlang der Wandung als auch die Luftströmung positiv beeinflussen. Die Leitkonturen können aus Rippen oder Nuten bestehen. Am Austritt der Zuführungen ist ein Kragen G angebracht, um dort eine vorzeitige Vermischung mit der an der Wand entlang strömenden Mischung zu verhindern.
Wie in 6 dargestellt können die Zuführungen seitlich um die Maße M-c und M-d versetzt werden. Durch diese Anordnung wird die Mischung in eine Rotationsbewegung versetzt, die die Mischung und die Trennung von der Luft verbessern.
In 7 ist beispielhaft eine Strömungssimulation dargestellt, die die Mischung der Ausgangssubstanzen zeigt. An den unterschiedlichen Grauschattierungen sind die Ausgangssubstanzen und deren gleichmäßige und ideale Mischung zu erkennen.
Bevorzugt wird eine gleichmäßige und hohe Übersättigung sowie eine kurze Verweilzeit der gefällten Partikel in dem Reaktionsvolumen gewährleistet. Es werden daher vorteilhaft Reaktanden mit ausreichend hohen Konzentrationen verwendet, so dass bei den vorliegenden Bedingungen (pH-Wert, Temperatur) eine Übersättigung von S >> 100 (S = Schwefel) erreicht wird. Die Reaktanden, die bei den vorliegenden Bedingungen (pH-Wert, Temperatur) ein schwerlösliches Fällprodukt bilden, werden in einem kleinen Volumen V, dem Reaktionsvolumen, vermischt, wobei das Reaktionsvolumen durch ein Reaktorgehäuse oder durch einen Gasstrom abgegrenzt ist. Ist das Reaktionsvolumen durch das Reaktorgehäuse begrenzt, beträgt das Reaktionsvolumen von 1 μL bis 10 mL, bevorzugt von 5 μL bis 5 mL, besonders bevorzugt von 10 μL bis 3 mL. Ist das Reaktionsvolumen durch den Gasstrom begrenzt, beträgt das Reaktionsvolumen von 1·10^–5 μl bis 100 μl, bevorzugt von 1·10^–4 μl bis 10 μl.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch folgende Merkmale aus, die miteinander kombiniert werden können:
– Die Düsenstrahlen aller Reaktandendüsen 5, 6, 9 werden in einem Winkel α von α = 10°–170° zueinander ausgerichtet.
– Die Volumendurchsätze f der Reaktanden 1, 2, 8 durch die Reaktandendüsen 5, 6, 9 liegen im Bereich von je f = 20 l/h bis 5.000 l/h, besonders bevorzugt im Bereich von je 40 l/h bis 1.000 l/h, besonders bevorzugt im Bereich von je 100 l/h bis 500 l/h.

– Die Reaktanden 1, 2, 8 werden mit einem Druck p von p >= 1 bar, bevorzugt p >= 10 bar, besonders bevorzugt p >= 30 bar, jedoch bevorzugt maximal mit einem Druck von 49 bar in den Reaktionsraum der Reaktionszelle 3 gespritzt.
– Die Düsenstrahlen der Reaktandendüsen 5, 6, 9 werden in einem Winkel α von α = 30°–140°, bevorzugt α = 60°–110° zueinander ausgerichtet.
– Es werden zwei Reaktanden 1, 2 mit jeweils einer Reaktandendüse 5, 6 verwendet.
– Es werden drei Reaktanden 1, 2, 8 mit jeweils einer Reaktandendüse 5, 6, 9 verwendet.
– Es werden kreisförmige oder schlitzförmige Reaktandendüsen 5, 6, 9 verwendet.
– Die Durchmesser der kreisförmigen Reaktandendüsen 5, 6, 9 liegen im Bereich von 0,1 mm–5 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm–2 mm.
– Der Reaktionsraum in der Reaktionszelle 3 beinhaltet eine Produktdüse 7, über die das entstandene Produkt 4 aus dem Reaktionsraum entfernt wird.
– Das Volumen V des Reaktionsraums liegt im Bereich von V = 1 μl–10 ml, bevorzugt bei V = 10 μl–3 ml.
– Die Durchmesser oder der jeweilige wirksame Querschnitt der Reaktandendüsen 5, 6, 9 und der Druck, mit dem die Reaktanden 1, 2, 8 in den Reaktionsraum eingespritzt werden, werden so gewählt, dass die Verweilzeit der Reaktanden 1, 2, 8 und/oder des Produktes 4 im Reaktionsraum der Reaktionszelle 3 kürzer als 1 s (Sekunde) beträgt.
– Das Produkt 4 wird mittels eines Gasstroms, bevorzugt Druckluft, aus dem Reaktionsraum ausgetragen.
– Für den Gasstrom durch den Reaktionsraum wird ein Durchsatz f von f >= 500 l/h (bei Normaldruck), vorzugsweise von f >= 3.000 l/h (bei Normaldruck) verwendet.
– Zum Austragen des Produktes 4 aus dem Reaktionsraum 3 wird Druckluft mit einem Druck von p = 0,5 bar–100 bar, vorzugsweise von p = 2 bar–30 bar verwendet.

Die erfindungsgemäße Reaktionszelle zeichnet sich durch folgende Merkmale aus, die miteinander kombiniert werden können:

– Die Düsenstrahlen der Reaktandendüsen 5, 6, 9 sind in einem Winkel α von α = 10°–170° zueinander angeordnet.
– Der Winkel α liegt zwischen α = 30°–140°, bevorzugt α = 60°–110°.
– Die Volumendurchsätze der Reaktanden 1, 2, 8 durch die Reaktandendüsen 5, 6, 9 liegen im Bereich von je f = 20 l/h bis 5.000 l/h, besonders bevorzugt im Bereich von je 40 l/h bis 1.000 l/h, besonders bevorzugt im Bereich von je 100 l/h bis 500 l/h.
– Die Auslassöffnung des Reaktionsraums ist eine Produktdüse 7.
– Die Reaktandendüsen 5, 6, 9 sind bevorzugt kreisförmig oder schlitzförmig ausgebildet.
– Der Durchmesser kreisförmiger oder zylinderförmiger Reaktandendüsen 5, 6, 9 liegt im Bereich von 0,1–5 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,5–2 mm.
– Das Volumen V des Reaktionsraums in der Reaktionszelle liegt im Bereich von V = 1 μl–10 ml, bevorzugt bei V = 10 μl–3 ml.
– Die Durchmesser oder die wirksamen Querschnitte der Reaktandendüsen 5, 6, 9 und der Druck, mit dem die Reaktanden 1, 2, 8 eingespritzt werden, sind so gewählt, dass die Verweilzeit der Reaktanden 1, 2, 8 und/oder des Produktes 4 im Reaktionsraum der Reaktionszelle 3 kürzer als 1 s ist.
– In den Reaktionsraum mündet eine Einlassöffnung (C) zur Zuführung eines Gasstroms zur Austragung des Produktes.
– Der Gasdurchsatz f des Gasstroms beträgt f >= 500 l/h (bei Normaldruck), vorzugsweise f >= 3.000 l/h (bei Normaldruck).
– Der Druck p des Gasstroms liegt im Bereich von p = 0,5 bar–100 bar, vorzugsweise von p = 2 bar–30 bar.
– Der Reaktionsraum ist zylinderförmig ausgebildet, über dessen Einlassöffnung (C) der Gasstrom zugeführt wird und dessen Auslassöffnung in die Produktdüse zum Austragen des entstandenen Produktes übergeht, wobei der wirksame Querschnitt der Einlassöffnung (C) des Reaktionsraums kleiner als der wirksame Ausgangsquerschnitt des Auslasses (D) der Produktdüse ist.
– Die Reaktandendüsen (E, F) weisen an ihrem Austritt in den Reaktionsraum einen Kragen (G) auf, der den Querschnitt des Reaktionsraums an der Stelle des Kragens (G) verringert.
– Die Wandungen des Reaktionsraums und/oder der Produktdüse weisen Leitkonturen (B) wie Rippen oder Nuten auf.
– Die Austritte der Reaktandendüsen in den Reaktionsraum sind seitlich zu einer Mittelpunktsebene um die Maße M-c und M-d versetzt angeordnet, wodurch die Mischung in eine Rotationsbewegung versetzt wird.
– Das Verfahren und die Reaktionszelle wird zur Fällung von nanoskaligen Partikeln, insbesondere Bariumsulfat, bevorzugt unter Prozessbedingungen verwendet.

Claims

Verfahren zur Durchführung chemischer und physikalischer Prozesse, wobei zum Initiieren dieser Prozesse Reaktanden (1, 2, 8) über Pumpen durch jeweils eine Reaktandendüse (5, 6, 9) in einen Reaktionsraum einer Reaktionszelle (3) auf einen gemeinsamen Kollisionspunkt (11) gespritzt werden und das durch die Vermischung der Reaktanden (1, 2, 8) entstandene Produkt (4) aus dem Reaktionsraum entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenstrahlen aller Reaktandendüsen (5, 6, 9) in einem Winkel α von α = 10°–170° zueinander ausgerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumendurchsätze f der Reaktanden (1, 2, 8) durch die Reaktandendüsen (5, 6, 9) im Bereich von je f = 0,5 bis 20.000 l/h, bevorzugt im Bereich von je f = 20 l/h bis 5.000 l/h, besonders bevorzugt im Bereich von je 40 l/h bis 1.000 l/h, besonders bevorzugt im Bereich von je 100 l/h bis 500 l/h betragen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktanden (1, 2, 8) mit einem Druck p von p >= 1 bar, bevorzugt p >= 10 bar, besonders bevorzugt p >= 30 bar, jedoch bevorzugt maximal mit einem Druck von 49 bar in den Reaktionsraum der Reaktionszelle (3) gespritzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenstrahlen der Reaktandendüsen (5, 6, 9) in einem Winkel α von α = 30°–140°, bevorzugt α = 60°–110° zueinander ausgerichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Reaktanden (1, 2) mit jeweils einer Reaktandendüse (5, 6) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass drei Reaktanden (1, 2, 8) mit jeweils einer Reaktandendüse (5, 6, 9) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass kreisförmige oder schlitzförmige Reaktandendüsen (5, 6, 9) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruche 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der kreisförmigen Reaktandendüsen (5, 6, 9) im Bereich von 0,1 mm–5 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm–2 mm liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum in der Reaktionszelle (3) eine Produktdüse (7) beinhaltet, über die das entstandene Produkt (4) aus dem Reaktionsraum entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen V des Reaktionsraums im Bereich von V = 1 μl – 10 ml, bevorzugt bei V = 10 μl–3 ml liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser oder der wirksame Querschnitt der Reaktandendüsen (5, 6, 9) und der Druck, mit dem die Reaktanden (1, 2, 8) in den Reaktionsraum eingespritzt werden, so gewählt werden, dass die Verweilzeit der Reaktanden (1, 2, 8) und/oder des Produktes (4) im Reaktionsraum der Reaktionszelle (3) kürzer als 1 s (Sekunde) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt (4) mittels eines Gasstroms, bevorzugt Druckluft, aus dem Reaktionsraum ausgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für den Gasstrom durch den Reaktionsraum ein Durchsatz f von f >= 500 l/h (bei Normaldruck), vorzugsweise von f >= 3.000 l/h (bei Normaldruck) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Austragen des Produktes (4) aus dem Reaktionsraum (3) Druckluft mit einem Druck von p = 0,5 bar–100 bar, vorzugsweise von p = 2 bar–30 bar verwendet wird.
Reaktionszelle (3) zum Initiieren chemischer und physikalischer Prozesse, mit einem Reaktionsraum in den mindestens zwei Reaktandendüsen (5, 6, 9) zur Einspritzung der Reaktanden (1, 2, 8) münden, wobei die Reaktandendüsen (5, 6, 9) so angeordnet sind, dass die Düsenstrahlen der Reaktanden (1, 2, 8) auf einen gemeinsamen Kollisionspunkt (11) spritzen, und mit einer Auslassöffnung zum Austragen des entstandenen Produktes (4) aus dem Reaktionsraum, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenstrahlen der Reaktandendüsen (5, 6, 9) in einem Winkel α von α = 10°– 170° zueinander angeordnet sind.
Reaktionszelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumendurchsätze der Reaktanden (1, 2, 8) durch die Reaktandendüsen (5, 6, 9) im Bereich von je f = 20 l/h bis 5.000 l/h, besonders bevorzugt im Bereich von je 40 l/h bis 1.000 l/h, besonders bevorzugt im Bereich von je 100 l/h bis 500 l/h liegen.
Reaktionszelle nach Anspruche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α zwischen α = 30°–140°, bevorzugt zwischen α = 60°–110° liegt.
Reaktionszelle nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktandendüsen (5, 6, 9) kreisförmig oder schlitzförmig ausgebildet sind.
Reaktionszelle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser kreisförmiger oder zylinderförmiger Reaktandendüsen (5, 6, 9) im Bereich von 0,1–5 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,5–2 mm liegt.
Reaktionszelle nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen V des Reaktionsraums in der Reaktionszelle (3) im Bereich von V = 1 μl–10 ml, bevorzugt bei V = 10 μl–3 ml liegt.
Reaktionszelle nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser oder der wirksame Querschnitt der Reaktandendüsen (5, 6, 9) und der Druck, mit dem die Reaktanden (1, 2, 8) eingespritzt werden, so gewählt sind, dass die Verweilzeit der Reaktanden (1, 2, 8) und/oder des Produktes (4) im Reaktionsraum der Reaktionszelle (3) kürzer als 1 s ist.
Reaktionszelle nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung eine Produktdüse ist zur Austragung des Produktes (4) aus dem Reaktionsraum.
Reaktionszelle nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in den Reaktionsraum eine Einlassöffnung (C) zur Zuführung eines Gasstroms zur Austragung des Produktes mündet.
Reaktionszelle nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdurchsatz f des Gasstroms f >= 500 l/h (bei Normaldruck), vorzugsweise f >= 3.000 l/h (bei Normaldruck) beträgt.
Reaktionszelle nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck p des Gasstroms im Bereich von p = 0,5 bar–100 bar, vorzugsweise von p = 2 bar–30 bar liegt.
Reaktionszelle nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum zylinderförmig ausgebildet ist, über dessen Einlassöffnung (C) der Gasstrom zugeführt wird und dessen Auslassöffnung in die Produktdüse zum Austragen des entstandenen Produktes übergeht, wobei der wirksame Querschnitt der Einlassöffnung (C) des Reaktionsraums kleiner als der wirksame Ausgangsquerschnitt des Auslasses (D) der Produktdüse ist.
Reaktionszelle nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktandendüsen (E, F) an ihrem Austritt in den Reaktionsraum einen Kragen (G) aufweisen, der den Querschnitt des Reaktionsraums an der Stelle des Kragens (G) verringert.
Reaktionszelle nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen des Reaktionsraums und/oder der Produktdüse Leitkonturen (B) wie Rippen oder Nuten aufweisen.
Reaktionszelle nach einem der Ansprüche 15 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Austritte der Reaktandendüsen in den Reaktionsraum seitlich zu einer Mittelpunktsebene um die Maße M-c und M-d versetzt angeordnet sind, wodurch die Mischung in eine Rotationsbewegung versetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und Reaktionszelle (3) nach einem der Ansprüche 15 bis 29 zur Fällung von nanoskaligen Partikeln, insbesondere Bariumsulfat, bevorzugt unter Prozessbedingungen.