DE102019006639A1

DE102019006639A1 - Kontinuierliches Verfahren zum Erhitzen von Medien mittels Mikrowellenstrahlung und dafür geeignete Mikrowellenanlage

Info

Publication number: DE102019006639A1
Application number: DE102019006639.1A
Authority: DE
Inventors: Hans Jürgen Scholz; Rudolf Emmerich; Markus Schönwald
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2021-03-25
Also published as: WO2021052618A1

Abstract

Beschrieben wird ein kontinuierliches Verfahren zum Erhitzen eines Mediums in einer Kavität, durchgeführt in einer Mono-Mode-Mikrowellenanlage mit den Schritten:a) in einem Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt wird eine stehende elektromagnetische Welle im TE10 Mode ausgebildet, wobei die Länge des Hohlleiters eine halbe bis sechs Wellenlängen der stehenden elektromagnetischen Welle beträgt,b) das Medium enthält mindestens 1 Gewichtsprozent eines polaren oder polarisierbaren Bestandteiles, bezogen auf das Gesamtgewicht des Mediums,c) das Medium bewegt sich durch mindestens eine Kavität, die das Innere des Hohlleiters ganz oder teilweise durchläuft, so dass das Medium sich in Ausbreitungsrichtung der stehenden elektromagnetischen Welle bewegt, oder das Medium durchläuft mindestens eine Kavität, die senkrecht zur Längsachse des Hohlleiters durch den Hohlleiter verläuft, so dass das Medium sich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der stehenden elektromagnetischen Welle bewegt, wobei die senkrecht durch den Hohlleiter verlaufende Kavität so angeordnet ist, dass ein Maximum des elektrischen Feldes der stehenden Welle in der Kavität auftritt,d) das Medium wird innerhalb von 0,1 Sekunden bis 10 Minuten durch den der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzten Teil der Kavität hindurchgeführt,e) das Medium absorbiert 10% bis 99% der eingespeisten Mikrowellenenergie, undf) das Medium erreicht in der Kavität eine Temperatur von 30 °C bis 300°C.Das Verfahren und die Mikrowellenanlage zeichnen sich durch eine hohe Energieeffizienz bei gleichzeitig schonender Behandlung der Inhaltsstoffe des Mediums aus.

Description

Die Erfindung betrifft kontinuierlich durchgeführte mikrowellenunterstützte chemischen Reaktionen und sonstige Prozesse, wie mikrowellenunterstützte Trenn- und Reinigungsverfahren. Unter Nutzung von spezifisch konfigurierten Kavitäten und Reaktoraufbauten einer Mikrowellenanlage können chemische Reaktionen und sonstige Prozesse sowohl im Labormaßstab als auch im Pilotanlagenmaßstab bis zum industriellen Maßstab mit äußerst effizienter Raum-Zeit-Ausbeute, hervorragender Produktqualität, hoher Selektivität und hoher Energieeffizienz durchgeführt werden.
In zahlreichen Publikationen und Patentschriften werden mikrowellenunterstütze chemische Reaktionen beschrieben, jedoch mit für kommerzielle Anwendungen unbefriedigenden Umsätzen. Einen umfassenden Überblick gibt die Buchveröffentlichung „Microwave Chemistry“ von G. Cravotto, 2017.
Das Up-Scaling von mikrowellenunterstützen chemischen Reaktionen vom Labormaßstab in einen technischen Maßstab und damit die Produktion von Tonnen pro Jahr konnte bisher in Batchreaktoren nicht befriedigend realisiert werden. Eine Ursache dafür ist die geringe Eindringtiefe von einigen Millimetern bis wenigen Zentimetern von Mikrowellen in das Reaktionsmedium. Deshalb kann ein Up-scaling nur in kontinuierlichen Reaktoren erfolgreich sein, in denen auch die Feldverteilung der Mikrowellen definiert ist.
Für eine besonders effektive Reaktionsführung mit Mikrowellen ist eine Erhöhung der Feldstärken erforderlich. Dem sind jedoch enge Grenzen gesetzt, da in den bisher zum Scale-up chemischer Reaktionen eingesetzten Multi-Mode-Geräten die Feldverteilung undefiniert ist und nur vergleichsweise geringe Feldstärken vorliegen.
Inhomogenitäten des Mikrowellenfeldes führen zu lokalen Überhitzungen des Reaktionsmediums und erschweren eine sichere, effektive und reproduzierbare Reaktionsführung.
Chemat et al. (J. Microwave Power and Electromagnetic Energy 1998, 33, 88-94) beschreiben verschiedene kontinuierlich durchgeführte Veresterungen in einer Monomode-Mikrowellenkavität, wobei der Mikrowellenleiter senkrecht auf das Reaktionsrohr trifft. Dabei werden bei heterogen katalysierten Veresterungen beschleunigte Umsetzungen beobachtet. Das für die Mikrowellenbestrahlung zur Verfügung stehende Volumen von nur 20 ml erfordert jedoch mehrmaliges Durchfahren der Reaktanden durch die Bestrahlungszone, um interessante Ausbeuten zu erzielen. Eine deutliche Erhöhung des Querschnitts des Reaktionsrohres ist auf Grund der Geometrie des Applikators nicht möglich und wegen der geringen Eindringtiefe von Mikrowellen auch nicht zum Up-Scaling geeignet.
EP 2,480,644 A1 entsprechend WO2011/035853 A1 offenbart kontinuierliche Umesterungsverfahren, EP 2,448,904 A1 entsprechend WO2011/000464 A2 und EP 2,448,905 A2 entsprechend WO2011/000463 A2 offenbaren Veresterungen, EP 2,658,882 A1 entsprechend WO2012/089297 A1 offenbart Polymerisationsreaktionen, EP 2,274,274 A1 entsprechend WO2009/121487 A1 , EP 2,274,271 A1 entsprechend WO2009/121488 A1 , EP 2,448,915 A1 entsprechend WO2011/000462 A1 und EP 2,274,272 A1 entsprechend WO2009/121485 A1 offenbaren Amidierungsreaktionen, jeweils durchgeführt in Mikrowellenreaktoren. In diesen Schriften werden hohe Umsätze und die Eignung zum Up-Scaling offenbart. Die Reaktionen erfolgen in kontinuierlichen Verfahren unter Mikrowellenbestrahlung in einem Reaktionsrohr, dessen Längsachse sich in der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen eines Monomode-Mikrowellenapplikators befindet. EP 2,274,272 A1 lehrt, daß die Amidierungsreaktion durch Bestrahlung der Reaktanten mit Mikrowellen in einem Reaktionsrohr, das sich in einem Hohlleiter befindet, erfolgt. Für dieses Verfahren besonders bevorzugte Mikrowellenapparate sind aus einem Hohlraumresonator, einer Koppeleinrichtung zum Einkoppeln eines Mikrowellenfeldes in den Hohlraumresonator und mit je einer Öffnung an zwei gegenüber liegenden Stirnwänden zum Hindurchführen des Reaktionsrohres durch den Resonator aufgebaut. Die Einkopplung der Mikrowellen in den Hohlraumresonator erfolgt bevorzugt über einen Koppelstift, der in den Hohlraumresonator hineinragt. Bevorzugt ist der Koppelstift als ein als Kopplungsantenne fungierendes, bevorzugt metallisches Innenleiterrohr ausgeformt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ragt dieser Koppelstift durch eine der stirnseitigen Öffnungen in den Hohlraumresonator hinein.
Besonders bevorzugt schließt sich das Reaktionsrohr an das Innenleiterrohr des koaxialen Übergangs an und speziell wird es durch dessen Hohlraum hindurch in den Hohlraumresonator geführt. Bevorzugt fluchtet das Reaktionsrohr axial mit einer zentralen Symmetrieachse des Hohlraumresonators, wozu der Hohlraum-resonator bevorzugt je eine zentrische Öffnung an zwei gegenüber liegenden Stirnwänden zum Hindurchführen des Reaktionsrohres aufweist. Die Einspeisung der Mikrowellen in den Koppelstift bzw. in das als Koppelantenne fungierende Innenleitrohr kann beispielsweise mittels einer koaxialen Anschlussleitung erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Mikrowellenfeld über einen Hohlleiter dem Resonator zugeführt, wobei das aus dem Hohlraumresonator herausragende Ende des Koppelstifts in eine Öffnung, die sich in der Wand des Hohlleiters befindet, in den Hohlleiter hineingeführt ist und von dem Hohlleiter Mikrowellenenergie entnimmt und in den Resonator koppelt.
EP 1,839,741 B1 beschreibt eine Mikrowellenanlage für kontinuierliche chemische Reaktionen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß von der TE10-Mode-Mikrowelle in einem ersten rechteckigen Wellenleiter die Übertragung der TM01 Mode Mikrowelle in einen kreisförmigen Wellenleiter erfolgt und von der TM01-Mode-Mikrowelle in dem kreisförmigen Wellenleiter neu umgewandelte TE10-Mode-Mikrowelle für den Verbrauch übertragen wird. Der Aufbau der Mikrowellenanlage entspricht im Wesentlichen dem in EP 2,274,272 A1 beschriebenen Prinzip der Mikrowellenanlage, so wie sie für die dort beschriebene Amidierung genutzt wird.
EP 2,448,663 A1 beschreibt eine Mono-mode Mikrowellenanlage für chemische Reaktionen im kontinuierlichen Verfahren, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sich direkt an die Mikrowellenkavität eine isotherme Verweilzone anschließt, die temperiert wird. Das Reaktionsgut ist damit über einen längeren Zeitraum höheren Temperaturen ausgesetzt, die sich negativ auf die Produktqualität auswirken können.
Es wurde daher ein Verfahren für chemische Reaktionen und sonstige Prozesse gesucht, die möglichst hohe bis zu quantitative Umsätze mit hohem energetischem Wirkungsgrad im industriellen Maßstab ermöglichen. Zudem soll das Verfahren eine sichere und reproduzierbare Prozessführung gewährleisten.
Darüber hinaus wurde nach einer Mikrowellenanlage gesucht, welche die Durchführung solcher Verfahren für chemische Reaktionen und sonstige Prozesse ermöglicht.
Es wurde überraschend gefunden, daß chemische Reaktionen und sonstige Prozesse vorteilhaft im kontinuierlichen Verfahren in einer Mono-Mode-Mikrowellenanlage durchgeführt werden können, wobei das Reaktionsmedium oder das Prozessmedium in einer Kavität parallel zur Ausbreitungsrichtung einer stehenden elektromagnetischen Welle im TE10 Mode (transverse electric mode) oder senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer stehenden elektromagnetischen Welle im TE10 Mode durch einen rechteckigen Hohlleiter transportiert wird, wobei sich im rechteckigen Hohlleiter stehende Wellen ausgebildet haben und die Länge des Hohlleiters zwischen einer halben Wellenlänge und bis zu sechs Wellenlängen der stehenden Welle beträgt. Typischerweise weist der Querschnitt des Hohlleiters in der Breite eine halbe Wellenlänge und in der Höhe ein Viertel der Wellenlänge der stehenden elektromagnetischen Welle auf, so dass diese einen TE10 Mode ausbildet.
Es wurde gefunden, dass eine Erhöhung der Anzahl der stehenden Wellen im Hohlleiter über den Wert 6 hinaus nicht zur Erhöhung der Umsatzrate führt bzw. keine Effizienzverbesserung beim Erhitzungsprozess mehr bewirkt. Die Energieeffizienz sinkt durch Eintragung von Energie, die nicht für die chemischen Reaktionen und sonstigen Prozesse verbraucht werden. Bereits durch einmaliges Durchleiten des zu erhitzenden Mediums durch die Kavität führt zu außerordentlich hohen Ausbeuten.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Produkte von außerordentlicher Qualität und Reinheit hergestellt werden und auch Biomaterialien und Wirkstoffe aus Biomasse ohne Zersetzung oder Umlagerungen der Wirkstoffe isoliert werden.
Durch Variation von Reaktionsrohrquerschnitt und -länge in dem das Reaktions- oder Prozessmedium der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist, Fließgeschwindigkeit, Geometrie des Hohlleiters bzw. Hohlraumresonators, der eingestrahlten Mikrowellenleistung sowie der dabei erreichten Temperatur können die Reaktions- oder Prozessbedingungen so eingestellt werden, dass die gewünschte Reaktions- oder Prozesstemperatur schnellstmöglich erreicht wird und die Verweilzeit bei Maximaltemperatur so kurz bleibt, dass so wenig Neben- oder Folgereaktionen wie möglich auftreten. Die Regelung der für die einzelnen chemischen Reaktionen bzw. sonstigen Prozesse gewünschten Reaktionsbedingungen erfolgt bevorzugt durch Steuerung der Temperatur des Reaktionsgemischs bzw. des im sonstigen Prozess zu behandelndem Gemisch über die eingestrahlte Mikrowellenleistung. Mittels Kurzschlussschieber kann die Verteilung der Energiedichte der elektromagnetischen Welle gesteuert werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zum Erhitzen eines Mediums in einer Kavität, durchgeführt in einer Mono-Mode-Mikrowellenanlage mit den Schritten:

a) in einem Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt wird eine stehende elektromagnetische Welle im TE10 Mode ausgebildet, wobei die Länge des Hohlleiters eine halbe bis sechs Wellenlängen der stehenden elektromagnetischen Welle beträgt,
b) das Medium enthält mindestens 1 Gewichts-prozent eines polaren oder polarisierbaren Bestandteiles, bezogen auf das Gesamtgewicht des Mediums,
c) das Medium bewegt sich durch mindestens eine Kavität, die das Innere des Hohlleiters ganz oder teilweise durchläuft, so dass das Medium sich in Ausbreitungsrichtung der stehenden elektromagnetischen Welle bewegt, oder das Medium durchläuft mindestens eine Kavität, die senkrecht zur Längsachse des Hohlleiters durch den Hohlleiter verläuft, so dass das Medium sich senkrecht zur Ausbreitungs-richtung der stehenden elektromagnetischen Welle bewegt, wobei die senkrecht durch den Hohlleiter verlaufende Kavität so angeordnet ist, dass ein Maximum des elektrischen Feldes der stehenden Welle in der Kavität auftritt,
d) das Medium wird innerhalb von 0,1 Sekunden bis 10 Minuten durch den der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzten Teil der Kavität hindurchgeführt,
e) das Medium absorbiert 10% bis 99% der eingespeisten Mikrowellenenergie,
f) das Medium erreicht in der Kavität eine Temperatur von 30 °C bis 300°C, und
g) das Medium ist gegebenenfalls einem Druck von 0,1 bar bis 30 bar in der Kavität ausgesetzt.

Vorzugsweise hat der Querschnitt des Hohlleiters eine Breite der halben Wellenlänge und eine Höhe eines Viertels der Wellenlänge der jeweils im Verfahren eingesetzten elektromagnetischen Welle. Das stellt sicher, dass sich im Hohleiter eine stehende elektromagnetische Welle im TE10 Mode ausbildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Einsatz einer speziellen Mikrowellenanlage gekennzeichnet. Diese weist ein Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt auf. In diesen Hohlleiter wird Mikrowellenstrahlung eingespeist, welche in einem Generator für Mikrowellen, beispielsweise einem Magnetron oder einer Mikrowellendiode erzeugt worden ist. Die Mikrowellenstrahlung wird so abgestimmt, dass sich im Hohlleiter eine stehende elektromagnetische Welle ausbildet. Der Hohleiter ist darüber hinaus so dimensioniert, dass sich im Innern des Hohlleiters eine Mikrowellenstrahlung im TE10 Mode ausbildet. Zu diesem Zweck weist der Querschnitt des Hohlleiters vorzugsweise die Breite der halben Wellenlänge und die Höhe eines Viertels der Wellenlänge der eingesetzten Mikrowellenstrahlung auf. Etwas geringere oder größere Breiten und/oder Höhen sind ebenfalls möglich.
Wie dem Fachmann bekannt ist, treten in elektromagnetischen Wellenleitern TE- und TM-Moden auf. Dabei steht TE für transversale elektrische Mode und TM steht für transversale magnetische Mode. Die TE- und TM-Moden treten in Wellenleitern, die aus elektrischem Leitermaterial bestehen, getrennt voneinander auf.
Der Begriff TE steht für transversalen elektrischen Modus. Dabei ist das elektrische Feld der Mikrowellenstrahlung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung durch den Hohlleiter und in Richtung der Breite des rechteckigen Querschnitts ausgerichtet. Im TE10-Modus beträgt die Breite des rechteckigen Querschnitts des Hohlleiters etwa eine halbe Wellenlänge der im Hohlleiter vorhandenen Mikrowellenstrahlung.
Als Mikrowellenstrahlung lassen sich im erfindungsgemäßen Verfahren grundsätzlich elektromagnetische Strahlungen im Zentimeter- bis Dezimeterbereich einsetzen. Für die industrielle Nutzung sind aktuell drei Frequenzen für die Mikrowellenstahlung zugelassen. Die Wellenlänge der vorzugsweise im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Mikrowellenstrahlung beträgt daher ca. 5,17 cm (entsprechend 5,8 GHz), 12,2 cm (entsprechend 2,45 GHz) oder ca. 32,7cm (entsprechend 915 MHz).
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu erhitzende Medium durch mindestens eine Kavität geleitet, welche der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wird. Dazu muss das Material der Kavität aus Material bestehen, das möglichst transparent für Mikrowellen ist und dass temperaturbeständig ist. Beispiele für gängige Materialien sind Glas, Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid. Die Kavität kann beliebige Ausgestaltungen haben, solange diese den Transport des fluiden, pastösen oder festen Mediums durch die Mikrowellenstrahlung im Hohlleiter ermöglichen. Möglich sind beispielsweise runde, ellipsoide, quadratische oder rechteckige Querschnitte der Kavität.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Kavität durch den gesamten Hohlleiter verlaufen oder auch nur durch einen Teil des Hohlleiters. An den Enden der Kavität sind Zu- und Ableitungen für das Medium vorgesehen. Diese Ableitungen können außerhalb des Hohlleiters an der Kavität angebracht sein oder auch innerhalb des Hohleiters dessen Seitenwände durchqueren, wenn beispielsweise die Kavität nur einen Teil des Hohlleiters durchläuft. Durch den Hohlleiter können ein oder mehrere Kavitäten verlaufen, vorzugsweise eine Kavität. Die Längsachse der Kavität verläuft bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens parallel zur Längsachse des Hohlleiters. Bevorzugt wird nur eine Kavität verwendet, deren Längsachse wiederum bevorzugt mit der Längsachse des Hohleiters zusammenfällt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Kavität um ein Rohr, vorzugsweise mit rundem Querschnitt. Das Medium wird durch die Kavität bewegt. Im Falle von Flüssigkeiten kann diese Bewegung mittels Druckes erfolgen, wodurch die Flüssigkeit in der vorgesehenen Weise durch die Kavität strömt. Im Falle von partikulären Feststoffen kann diese Bewegung mittels einer Verwirbelung in einem Inertgas oder mittels einer Transportvorrichtung erfolgen, welche die partikulären Feststoffe in der vorgesehenen Weise durch die Kavität bewegen.
In einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Kavität quer zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen im Hohlleiter senkrecht durch den Hohlleiter verlaufen. An den Enden der Kavität sind Zu- und Ableitungen für das Medium vorgesehen. Diese Ableitungen sind in der Regel außerhalb des Hohlleiters an der Kavität angebracht. Auch bei dieser Ausführungsform können durch den Hohlleiter ein oder mehrere Kavitäten verlaufen, vorzugsweise eine Kavität. Die Längsachse der Kavität verläuft bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens senkrecht zur Längsachse des Hohlleiters. Bevorzugt wird nur eine Kavität verwendet, deren Längsachse wiederum bevorzugt die Längsachse des Hohlleiters schneidet. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Kavität um ein Rohr, vorzugsweise mit rundem Querschnitt. Das Medium wird wie oben beschrieben durch die Kavität bewegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann wie oben dargelegt in zwei Varianten durchgeführt werden, welche durch den Verlauf der Kavität in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung der Mikrowellenstrahlung gekennzeichnet sind.
In der einen Variante befindet sich die Kavität innerhalb des Hohlleiters, so dass das Medium sich in Ausbreitungsrichtung der stehenden Mikrowelle bewegt. Die Länge des Teils der Kavität, welcher der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist, beträgt in diesem Falle zwischen ein halben und sechs Wellenlängen der stehenden Welle im Hohleiter.
In der anderen Variante verläuft die Kavität senkrecht zum Hohlleiter und durchquert diesen, so dass das Medium sich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der stehenden Mikrowelle bewegt. Der Teil der Kavität, welcher der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist, ist in diesem Falle so angeordnet, dass ein Maximum des elektrischen Feldes der stehenden Welle in der Kavität auftritt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass beliebige, polare oder polarisierbare Stoffe enthaltende Medien äußerst effektiv und gleichzeitig schonend erhitzt werden können.
Als Medien eignen sich grundsätzlich fluide, pastöse oder feste Medien, welche durch die Kavität bewegt werden können. Bevorzugte Beispiele für fluide Medien sind Flüssigkeiten, wie Lösungen oder Dispersionen. Beispiele für feste Medien sind stückige Feststoffe, wie Pulver oder Granulate. Bevorzugte Beispiele für fluide Medien sind Flüssigkeiten oder Gemische von Flüssigkeiten oder Lösungen von festen oder flüssigen Verbindungen in Lösungsmitteln. Beispiele für pastöse Medien sind streichfeste Suspensionen von Feststoffen in einer Flüssigkeit.
Die stückigen Feststoffe können in beliebiger Größe vorliegen. Insbesondere handelt es sich dabei um Nanomaterialien. Darunter sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung Materialien zu verstehen, deren mittels Laserdiffratometer bestimmter Mittelwert D₅₀ der Teilchengröße weniger als 1 µm beträgt, vorzugsweise 50 nm bis 500 nm. Bei dem D₅₀-Wert handelt es sich um den numerischen Durchmesser in einer Teilchenpopulation, bei den 50% der Teilchen einen kleineren bzw. einen größeren Durchmesser als angegeben besitzen.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den erfindungsgemäß eingesetzten oder erzeugten Nanomaterialien um natürlich vorkommendes gegebenenfalls bearbeitetes oder um ein synthetisch hergestelltes Material, das Teilchen enthält, die einzeln oder als Aggregat oder als Agglomerat vorliegen, wobei 50 % oder mehr der Teilchen in der Größenverteilung eine Teilchengröße im Größenbereich 1 nm - 100 nm aufweisen.
Unter fest ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung ist ein nicht verformbarer Feststoff zu verstehen, der bei 25°C und 1013 mbar im festen Aggregatzustand vorliegt.
Unter flüssig ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine Flüssigkeit zu verstehen, die bei 25°C und 1013 mbar im flüssigen Aggregatzustand vorliegt.
Unter pastös ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine verformbare Zusammensetzung zu verstehen, welche die Konsistenz einer Paste aufweist. Unter einer Paste ist ein Feststoff-Flüssigkeitsgemisch, z.B. eine Suspension, mit einem hohen Gehalt an Festkörpern zu verstehen. Pasten sind nicht mehr fließfähig, sondern streichfest.
Das Medium kann chemisch reaktive Verbindungen enthalten, so dass durch das erfindungsgemäße Verfahren chemische Reaktionen bewirkt werden. Das Medium kann aber auch chemisch inerte Stoffe oder Stoffgemische enthalten, so dass durch das erfindungsgemäße Verfahren physikalische Prozesse, wie Trennverfahren, bewirkt werden.
Chemische Reaktionen und sonstige physikalische Prozesse können mit äußerst effizienten Raum-Zeit-Ausbeuten bei hervorragender Produktqualität, hoher Selektivität und hoher Energieeffizienz durchgeführt werden. Durch exakt definierten Energieeintrag werden Überhitzungen vermieden.
Unter chemischen Reaktionen sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung solche Prozesse zu verstehen, bei denen im erfindungsgemäßen Verfahren mindestens eine im Medium vorhandene Substanz eine chemische Umsetzung erfährt. Dabei kann es sich um beliebige Umsetzungen mit beliebigen anorganischen und/oder organischen Verbindungen handeln, solange diese durch das Erhitzen in der erfindungsgemäß eingesetzten Mikrowellenanlage ausgelöst oder gefördert werden. Beispiele für chemische Umsetzungen sind aus der anorganischen und organischen Chemie bekannte Reaktionstypen, wie Umlagerungen, Salzbildungen, Komplexbildungen, Veresterungen, Veretherungen, Amidierungen, Oxidationen, Hydrierungen, Additionen oder Eliminierungen. Neben kleinen Molekülen können auch Oligomere oder Polymere erzeugt werden.
Unter sonstigen physikalischen Prozessen sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung solche Prozesse zu verstehen, bei denen im erfindungsgemäßen Verfahren mindestens eine im Medium vorhandene Substanz eine physikalische Veränderung erfährt, ohne dass dabei zwingend eine chemische Umsetzung dieser Substanz erfolgt. Dabei kann es sich um beliebige physikalische Veränderungen handeln, solange diese durch das Erhitzen in der erfindungsgemäß eingesetzten Mikrowellenanlage ausgelöst oder gefördert werden. Beispiele für sonstige physikalische Prozesse sind Trennverfahren oder Reinigungsverfahren, wie Destillation, Extraktion, Eindampfen, Sintern oder Umkristallisieren.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können unter anderem natürlich vorkommende Wirkstoffe, beispielsweise Polyphenole aus biobasierten Rohstoffen gewonnen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht Umsätze vom Labormaßstab bis zum Großproduktionsmaßstab, beispielsweise von mehreren Tonnen pro Jahr.
Das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Medium enthält mindestens einen polaren oder polarisierbaren Bestandteil. Darunter sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung Verbindungen zu verstehen, die ein elektrisches Dipolmoment aufweisen oder bei denen unter Einwirkung von Mikrowellenstrahlung ein elektrisches Dipolmoment induziert wird. Polare oder polarisierbare Verbindungen sind erforderlich, damit Mikrowellenstrahlung von der Verbindung absorbiert werden kann und dadurch ein Erhitzen bewirkt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der polare oder polarisierbare Bestandteil ausgewählt aus Wasser, frei oder gebunden, Alkoholen, Säuren und deren Salzen, Laugen oder deren Salzen, Ketonen, Aldehyden, Amiden, Estern, organischen und anorganischen salzartigen Verbindungen oder Mischungen dieser Bestandteile.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der polare oder polarisierbare Bestandteil ausgewählt aus Wasser, frei oder gebunden, Methanol, Ethanol, n-Propanol, iso-Propanol, n-Butanol, isoButanol, n-Pentanol, iso-Pentanol, Ethylglycol, Propylenglycol, Methylethylenglycol, Glycolether und ionische Flüssigkeiten, sowie Mischungen aus diesen Bestandteilen. Der polare oder polarisierbare Bestandteil kann ebenso ein Reaktionspartner der chemischen Reaktion sein, beispielsweise eine Carbonsäure, insbesondere eine Fettsäure.
In einer außerordentlich bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der polare odere polarisierbare Bestandteil ausgewählt aus Wasser, frei oder gebunden und/oder Methanol und/oder Ethanol.
Vorteilhaft ist die sichere Verwendung von Wasser und Ethanol, sowohl unter ökologischen als auch unter gesundheitsrelevanten Aspekten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Medium 2 Gew.-% bis 100 Gew.-% eines oder mehrerer polarer oder polarisierbarer Bestandteile, bezogen auf die Gesamtmenge des Mediums.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein polarer oder polarisierbarer Bestandteil oder sind mehrere polare oder polarisierbare Bestandteile des Mediums zugleich Reaktionspartner, wobei der oder die polaren oder polarisierbaren Bestandteile vorzugsweise in Mengen von 5 Gew.-% bis 100 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Mediums vorliegen können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die Möglichkeit einer Reduzierung oder Vermeidung von Lösungsmitteln, Extraktionsmitteln und einer Reduzierung von Abfallströmen aus.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Medium 1 bis 90 Gew.-%, insbesondere 2 bis 70 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 5 bis 50 Gew.-% eines oder mehrerer polarer oder polarisierbarer Bestandteile, bezogen auf die Gesamtmenge des Mediums.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Medium innerhalb von 1 Sekunden bis 5 Minuten, insbesondere innerhalb von 2 Sekunden bis 3 Minuten durch den der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzten Teil der Kavität hindurchgeführt.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen insbesondere in einer sehr schnellen und trotzdem gezielten Erhitzung des Mediums mittels Mikrowellen auf die angestrebte Reaktions- oder Prozesstemperatur, ohne dass es zu wesentlichen Überschreitungen der durchschnittlichen Temperatur des Mediums zum Beispiel an der Gefäßwand kommt.
Dabei wird nahezu keine Bildung thermischer Zersetzungsprodukte beobachtet.
In einer außerordentlich bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Medium innerhalb von 2 Sekunden bis 3 Minuten durch die Kavität hindurchgeführt.
Dadurch werden außerordentlich gute Produktqualitäten erzielt. Wirkstoffe aus biologisch basierten Rohstoffen oder anderen chemisch labilen Verbindungen können bis zu 99 % ohne Zersetzung und Umlagerungsreaktionen isoliert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens absorbiert das Medium 20 % bis 98 %, besonders bevorzugt 80 bis 98 % der eingespeisten Mikrowellenenergie. Damit wird eine sehr gute Energieeffizienz erreicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht das Medium in der Kavität eine Temperatur von 40°C bis 250°C, insbesondere von 50°C bis 220°C. Man erreicht außerordentlich hohe Umsetzungen und Ausbeuten chemischer Reaktionen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht das Medium in der Kavität eine Temperatur von 80°C bis 140°C Zersetzungen werden so reduziert oder unterbunden und die Produktqualität verbessert.
Im Reaktionsrohr können Edukt, Produkt, gegebenenfalls Nebenprodukt und, sofern anwesend, Lösemittel durch die Temperaturerhöhung zu einem Druckaufbau führen, der die chemische Reaktion bzw. den Prozess beschleunigt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für chemische Reaktionen und Prozesse wird das Medium in der Kavität einem Druck von 0,1 bar bis 30 bar, besonders bevorzugt von 0,2 bis 20 bar ausgesetzt.
Durch die Druckeinstellung des Reaktions- oder Prozessmediums während der Mikrowellenbestrahlung kann das Verfahren so geführt werden, dass alle flüssigen Komponenten im flüssigen Zustand verbleiben und nicht sieden.
Der Druck kann dabei über ein Entspannungsventil (Druckhaltevorrichtung) am Ende der Kavität so hoch eingestellt werden, dass das fluide Medium inklusive anfallender Produkte und Nebenprodukte nicht siedet. Bei Anwesenheit gasförmiger Reaktanden werden deren Konzentration und der Druck in der Kavität bevorzugt so eingestellt, dass die gasförmigen Reaktanden im Medium gelöst oder in verflüssigter Form vorliegen.
Der Druck kann bei der Entspannung zur Verflüchtigung und Abtrennung von überschüssigem Edukt(en), Produkt, Nebenprodukt sowie gegebenenfalls Lösemittel und/oder zur Abkühlung des fluiden, pastösen oder festen Mediums genutzt werden.
In einer außerordentlich bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Medium in der Kavität einem Druck von 0,5 bis 15 bar ausgesetzt.
Es wird eine signifikante Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit und der Ausbeuten bei sehr sicherer Prozessführung erreicht.
Im erfindungsgemäßen Verfahren können auch Schutzgase, beispielsweise inerte Gase, wie Stickstoff, Argon oder Helium oder gasförmige Edukte, beispielsweise Wasserstoff, Sauerstoff, Chlor, Fluor, Ethylenoxid, Propylenoxid, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Methylamin, Dimethylamin, Hydrazin und Chlorwasserstoff zum Einsatz kommen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schließt sich nach der Kavität keine Verweilzone an, durch die das erhitzte Medium hindurchgeführt wird. Unter Verweilzone wird eine Zone verstanden, in der das Medium für einen bestimmten Zeitraum auf der Temperatur gehalten wird, die das Medium unmittelbar beim Verlassen der Kavität hat.
Das Medium wird vorzugsweise unmittelbar nach Verlassen der Kavität abgekühlt.
Vorteil der verwendeten Mikrowellentechnologie ist, dass dann keine weitere Energiezufuhr erfolgt und die in der Kavität entstandenen Konzentrationen der Produkte unmittelbar nach Verlassen der Kavität eingefroren werden und eine Veränderung der Produkte unterbleibt.
Bei vielen chemischen Reaktionen, wie z.B. Veresterungen, Umesterungen, Amidierungen, wird die Gleichgewichtskonzentration der Produkte überschritten und es können somit höhere Ausbeuten als mit herkömmlichen Verfahren erzielt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren für chemische Reaktionen ist für endotherme und exotherme Reaktionen geeignet, vorzugsweise für endotherme Reaktionen.
Die für die endotherme Reaktion benötigte Energie wird nahezu konstant und unabhängig der Wärmeleitung zugeführt. Es kommt so zu keiner lokalen Abkühlung.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer Mono-Mode-Mikrowellenanlage mit speziell konfigurierter Kavität durchgeführt. Die Erfindung betrifft auch eine solche Anlage gemäß den Ansprüchen 13 bis 15.
Der Aufbau einer für das erfindungs-gemäße Verfahren geeigneten Mono-Mode-Mikrowellenanlage bzw. einer erfindungsgemäßen Mono-Mode-Mikrowellenanlage ist beispielhaft in den und wiedergegeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Medium in einer Kavität senkrecht zur Ausbreitungs-richtung einer im rechteckigen Hohlleiter ausgebildeten stehenden elektro-magnetischen Welle transportiert, wie das in dargestellt ist. Die stehende elektromagnetische Welle weist einen TE10 Mode (transverse electric mode) auf.
Die in dargestellte Ausführungsform, der in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten Mikrowellenanlage bzw. einer Variante der erfindungsgemäßen Anlage besteht aus einem Magnetron (2) mit einem Hohlleiterausgang, bevorzugt WR340. Es schließt sich ein Tuningelement (3) an, das die Impedanz der Quelle zur Last anpasst. Es folgt ein Hohlleiter (1), durch den der Reaktor (7) (= Kavität) geführt wird. Der Reaktor (7) besteht aus einem für Mikrowellen transparenten Rohr, das mittig durch den Hohlleiter (1) geführt wird. Zur weiteren Impedanzanpassung ist am Ende des Hohlleiters (1) ein Kurzschlussschieber (4) vorgesehen.
Vorteilhaft sind sehr kleine Reaktions- bzw. Prozessvolumina, einheitliche Energiedichten, schnelle Aufheizraten und hohe Prozesssicherheiten. Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete und in dargestellte Variante der Mikrowellenanlage ist damit hervorragend geeignet für Laborversuche, Screeningversuche und zur Herstellung kleiner Produktmengen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anlage wird das Medium in einer Kavität transportiert, die sich in einem rechteckigen Hohlleiter befindet und die parallel zur Ausbreitungsrichtung einer im rechteckigen Hohlleiter ausgebildeten stehenden elektromagnetischen Welle verläuft, wie das in dargestellt ist. Die stehende elektromagnetische Welle weist einen TE10 Mode (transverse electric mode) auf. Die durch den Bereich der Mikrowellenstrahlung geführte Kavität ist so dimensioniert, dass deren Länge in diesem Bereich eine halbe bis sechs Wellenlänge(n) der stehenden Welle beträgt.
Die in dargestellte Ausführungsform der in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten Mikrowellenanlage bzw. einer erfindungsgemäßen Anlage besteht aus einem Magnetron (2) mit einem Hohlleiterausgang, bevorzugt WR340. Daran schließt sich ein Tuningelement (5) an, das die Impedanz der Quelle zur Last anpasst. Die Anlage weist zwei gebogene Hohlleiter (3a, 3b) verbunden mit einem geraden Hohlleiterstück (1) auf. In den Hohlleiterbogen (3a) wird zentrisch z.B. ein für Mikrowellen transparentes Reaktorrohr, z.B. ein Glasrohr eingeführt, das zentrisch durch die Hohlleiter (1, 3a, 3b) verläuft und diese am anderen gebogenen Hohlleiter (3b) verlässt. In diesem Rohr findet die chemische Reaktion bzw. der sonstige Prozess statt. Zur Regelung des Edukt- bzw. Produktstroms wird das Glasrohr am Anfang und am Ende mit einer Armatur (6, 7) versehen. Zur Impedanz-Anpassung wird die Hohlleiterstrecke (1, 3a, 3b) durch einen Kurzschlussschieber (4) abgeschlossen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anlage wird das Medium in einer Kavität parallel zur Ausbreitungsrichtung einer stehenden elektromagnetischen Welle im TE10 Mode (transverse electric mode), wie in dargestellt, durch einen rechteckigen Hohlleiter transportiert, in dem sich 2 bis 5 stehende Wellen ausgebildet haben.
Ein stehendes Mikrowellenfeld bildet sich zentrisch um die Kavität, beispielsweise um das Reaktorrohr aus. Diese Feldverteilung bleibt auch für Stoffe mit deutlich unterschiedlichem dielektrischem Verhalten so erhalten. In dem Reaktor können deshalb eine Vielzahl von Stoffen reproduzierbar und effizient umgesetzt und prozessiert werden.
Durch die Bestrahlung des Mediums im Zentrum eines symmetrischen Mikrowellenfeldes innerhalb der Kavität, deren Längsachse sich in der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen eines TE10-Hohlraumresonators befindet, wird ein sehr hoher Wirkungsgrad bei der Ausnutzung der in den Hohlraumresonator eingestrahlten Mikrowellenenergie erzielt. Dieser liegt üblicherweise über 50 %, oftmals über 80 %, teilweise über 90 % und in speziellen Fällen über 95 %, wie beispielsweise über 98 %, der eingestrahlten Mikrowellenleistung und bietet somit ökonomische wie auch ökologische Vorteile gegenüber konventionellen Herstellverfahren wie auch gegenüber Mikrowellenverfahren des Standes der Technik.
Überhitzungsphänomene durch unkontrollierbare Feldverteilungen, die zu lokalen Überhitzungen durch wechselnde Intensitäten des Mikrowellenfeldes, beispielsweise in Wellenbergen und Knotenpunkten, führen können, werden durch die Fließbewegung des Mediums ausgeglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch, mit hohen Mikrowellenleistungen von beispielsweise mehr als 10 kW oder mehr als 100 kW zu arbeiten und somit in Kombination mit einer nur kurzen Verweilzeit in der Kavität große Produktionsmengen von beispielsweise 100 und mehr Tonnen pro Jahr in einer Anlage zu bewerkstelligen.
Durch Ausformung des Hohlleiters als Resonator vom Reflexionstyp wird eine lokale Erhöhung der elektrischen Feldstärke bei gleicher vom Mikrowellengenerator zugeführter Leistung und eine erhöhte Energieausnutzung erzielt.
In einer außerordentlich bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anlage wird das Medium in einer Kavität parallel zur Ausbreitungsrichtung einer stehenden elektromagnetischen Welle im TE10 Mode (transverse electric mode), wie in dargestellt, durch einen rechteckigen Hohlleiter transportiert, in dem sich 3 bis 4 stehende Wellen ausgebildet haben.
Dadurch kann eine Energieabsorption durch das fluide Medium von >= 90% erreicht werden und es kann die Energieeffizienz optimiert werden.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie darauf einzuschränken.
Beispiele
Beispiel 1: Veresterung von Essigsäure mit n-Butanol
In einem 1 I Dreihals-Rundkolben mit Rührer, Innenthermometer wurden 356 g n-Butanol (4,8 mol) vorgelegt und mit 144 g Essigsäure (2,4 mol) sowie 5 g Methansulfonsäure versetzt.
Das so erhaltene Gemisch wurde bei einem Arbeitsdruck von 6 bar kontinuierlich mit 0,5 I/h durch das Reaktionsrohr der Mikrowellenanlage gemäß gepumpt und einer Mikrowellenleistung von 250 W ausgesetzt, von der 91% vom Reaktionsgut absorbiert wurde. Die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der Bestrahlungszone betrug ca. 10 Sekunden. Am Ende des Reaktionsrohres hatte das Reaktionsgemisch eine Temperatur von 170 °C. Das Reaktionsgemisch wurde direkt nach Verlassen des Reaktors mittels Eisbades auf Raumtemperatur abgekühlt und zur Neutralisation des Katalysators mit Natrium-Hydrogencarbonat-Lösung versetzt.
Es wurde ein Umsatz von 83% d. Th. erreicht. Das Reaktionsprodukt war praktisch farblos. Nach destillativer Abtrennung von Reaktionswasser und nicht umgesetzten Edukten, sowie Destillation des Produktes wurden 225 g Butylacatat mit einer Reinheit von > 99% erhalten.
Beispiel 2: Herstellung von Hexansäuremethylester
In einem 1 I Dreihals-Rundkolben mit Rührer, Innenthermometer wurden 494 g Hexansäure (4,3 mol) vorgelegt und mit 256 g Methanol (8 mol) sowie 7,5 g Methansulfonsäure versetzt.
Das so erhaltene Gemisch wurde bei einem Arbeitsdruck von 8 bar kontinuierlich mit 0,75 I/h durch das Reaktionsrohr einer Mikrowellenanlage gemäß gepumpt und einer Mikrowellenleistung von 300 W ausgesetzt, von der 90% vom Reaktionsgut absorbiert wurde.
Die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der Bestrahlungszone betrug ca. 20 Sekunden. Am Ende des Reaktionsrohres hatte das Reaktionsgemisch eine Temperatur von 180 °C. Das Reaktionsgemisch wurde direkt nach Verlassen des Reaktors mittels eines Eisbades auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach Neutralisation des Katalysators mit Natrium-Hydrogencarbonat-Lösung, Phasentrennung und destillativer Abtrennung von restlichem Wasser und überschüssigem Methanol wurden 509 g Hexansäuremethylester (91% d. Th.) erhalten.
Beispiel 3: Herstellung von Cocosfettsäure-(N'-N'-dimethylaminopropyl)amid
In einem 1 I Dreihals-Rundkolben mit Rührer, Innenthermometer wurden 460 g Cocosfett (0,6 mol/Molekulargewicht 764 g/mol)) vorgelegt und auf 55 °C erwärmt. Bei dieser Temperatur wurden langsam 276 g N,N-Dimethylaminopropylamin (2,7 mol) sowie 7,5 g Methansulfonsäure sowie 10 g Natriummethylat als Katalysator zugegeben und unter Rühren homogenisiert.
Das so erhaltene Gemisch wurde bei einem Arbeitsdruck von 6 bar kontinuierlich mit 0,5 I/h durch das Reaktionsrohr einer Mikrowellenanlage gemäß gepumpt und einer Mikrowellenleistung von 250 W ausgesetzt, von der 92% vom Reaktionsgut absorbiert wurde.
Die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der Bestrahlungszone betrug ca. 10 Sekunden. Am Ende des Reaktionsrohres hatte das Reaktionsgemisch eine Temperatur von 180 °C. Das Reaktionsgemisch wurde direkt nach Verlassen des Reaktors mittels eines Eisbades auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Reaktionsprodukt war leicht gelblich gefärbt. Nach Abtrennen von entstandenem Glycerin und überschüssigem N,N-Dimethylamonpropylamin wurden 540 g Cocosfettsäure-(N'-N'-dimethylaminopropyl)amid mit einer Reinheit von 95% erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2480644 A1 [0007]
WO 2011/035853 A1 [0007]
EP 2448904 A1 [0007]
WO 2011/000464 A2 [0007]
EP 2448905 A2 [0007]
WO 2011/000463 A2 [0007]
EP 2658882 A1 [0007]
WO 2012/089297 A1 [0007]
EP 2274274 A1 [0007]
WO 2009/121487 A1 [0007]
EP 2274271 A1 [0007]
WO 2009/121488 A1 [0007]
EP 2448915 A1 [0007]
WO 2011/000462 A1 [0007]
EP 2274272 A1 [0007, 0009]
WO 2009/121485 A1 [0007]
EP 1839741 B1 [0009]
EP 2448663 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Chemat et al. (J. Microwave Power and Electromagnetic Energy 1998, 33, 88-94) [0006]

Claims

Kontinuierliches Verfahren zum Erhitzen eines Mediums in einer Kavität, durchgeführt in einer Mono-Mode-Mikrowellenanlage mit den Schritten: a) in einem Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt wird eine stehende elektromagnetische Welle im TE10 Mode ausgebildet, wobei die Länge des Hohlleiters eine halbe bis sechs Wellenlängen der stehenden elektromagnetischen Welle beträgt, b) das Medium enthält mindestens 1 Gewichtsprozent eines polaren oder polarisierbaren Bestandteiles, bezogen auf das Gesamtgewicht des Mediums, c) das Medium bewegt sich durch mindestens eine Kavität, die das Innere des Hohlleiters ganz oder teilweise durchläuft, so dass das Medium sich in Ausbreitungsrichtung der stehenden elektromagnetischen Welle bewegt, oder das Medium durchläuft mindestens eine Kavität, die senkrecht zur Längsachse des Hohlleiters durch den Hohlleiter verläuft, so dass das Medium sich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der stehenden elektromagnetischen Welle bewegt, wobei die senkrecht durch den Hohlleiter verlaufende Kavität so angeordnet ist, dass ein Maximum des elektrischen Feldes der stehenden Welle in der Kavität auftritt, d) das Medium wird innerhalb von 0,1 Sekunden bis 10 Minuten durch den der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzten Teil der Kavität hindurchgeführt, e) das Medium absorbiert 10% bis 99% der eingespeisten Mikrowellenenergie, und f) das Medium erreicht in der Kavität eine Temperatur von 30 °C bis 300°C.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Hohlleiters eine Breite der halben Wellenlänge und eine Höhe eines Viertels der Wellenlänge der jeweils im Verfahren eingesetzten elektromagnetischen Welle aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in der Kavität einem Druck von 0,1 bar bis 30 bar ausgesetzt ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Medien Lösungen, Dispersionen, streichfähige Suspensionen, Pulver oder Granulate eingesetzt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium chemisch reaktive Verbindungen enthält, und dass in der Kavität chemische Reaktionen bewirkt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium chemisch inerte Stoffe oder Stoffgemische enthält, und dass in der Kavität physikalische Prozesse bewirkt werden, die ausgewählt werden aus der Gruppe der Trennverfahren oder Reinigungsverfahren handelt, vorzugsweise der Destillation, Extraktion, Eindampfen oder Umkristallisieren.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der polare oder polarisierbare Bestandteil ausgewählt wird aus Wasser, Alkoholen, Säuren und deren Salzen, Laugen und deren Salzen, Ketonen, Aldehyden, Amiden, Estern, organischen und anorganischen salzartigen Verbindungen oder Mischungen dieser Bestandteile.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium innerhalb von 1 Sekunden bis 5 Minuten, insbesondere innerhalb von 2 Sekunden bis 3 Minuten durch den der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzten Teil der die Kavität hindurchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in der Kavität eine Temperatur von 40°C bis 250°C, insbesondere von 50°C bis 220°C erreicht.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in einer Kavität senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer im rechteckigen Hohlleiter ausgebildeten stehenden elektro-magnetischen Welle transportiert wird, wobei die stehende elektromagnetische Welle einen TE10 Mode aufweist und die durch den Bereich der Mikrowellenstrahlung geführte Kavität so dimensioniert ist, dass die Dimension(en) ihres Querschnitts eine halbe Wellenlänge der stehenden Welle betragen, wobei im Falle eines runden Querschnitts der Kavität unter Dimension deren Durchmesser zu verstehen ist und im Falle eines rechteckigen Querschnitts der Kavität die kleinste Länge einer Seitenwand zu verstehen ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in einer Kavität transportiert wird, die sich in einem rechteckigen Hohlleiter befindet und die parallel zur Ausbreitungsrichtung einer im rechteckigen Hohlleiter ausgebildeten stehenden elektromagnetischen Welle verläuft, wobei die stehende elektromagnetische Welle einen TE10 Mode aufweist und die durch den Bereich der Mikrowellenstrahlung geführte Kavität so dimensioniert ist, dass deren Länge in diesem Bereich eine halbe bis sechs Wellenlänge(n) der stehenden Welle beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Kavität in dem durch die Mikrowellenstrahlung geführten Bereich zwei bis fünf, insbesondere drei bis vier Wellenlängen der stehenden Welle beträgt.
Mono-Mode-Mikrowellenanlage, die folgende Elemente aufweist: A) einen Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt, wobei der Querschnitt des Hohlleiters eine Breite der halben Wellenlänge und eine Höhe eines Viertels der Wellenlänge einer im Hohlleiter ausgebildeten stehenden elektromagnetischen Welle aufweist und wobei die Länge des Hohlleiters eine halbe bis sechs Wellenlängen der stehenden elektromagnetischen Welle beträgt, B) mindestens eine Kavität aus einem für Mikrowellen transparenten Material für den Transport eines Mediums durch den Hohlleiter, wobei die Kavität das Innere des Hohlleiters ganz oder teilweise durchläuft, so dass das Medium sich in Ausbreitungsrichtung der stehenden elektromagnetischen Welle bewegt, oder wobei die Kavität senkrecht zur Längsachse des Hohlleiters durch den Hohlleiter verläuft, so dass das Medium sich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der stehenden elektromagnetischen Welle bewegt, wobei die senkrecht durch den Hohlleiter verlaufende Kavität so angeordnet ist, dass ein Maximum des elektrischen Feldes der stehenden Welle in der Kavität auftritt, C) einen Mikrowellengenerator zur Erzeugung einer monochromatischen Mikrowellenstrahlung, D) Vorrichtung zum Einkoppeln der Mikrowellenstrahlung in das eine Ende des Hohlleiters, und E) Kurzschlussschieber zur Impedanzanpassung am anderen Ende des Hohlleiters.
Mikrowellenanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikrowellengenerator ein Magnetron (2) mit einem Hohlleiterausgang vorgesehen ist, an welches sich ein Tuningelement (3) zur Anpassung der Impedanz der Quelle zur Last anschließt, welches die Mikrowellenstrahlung in ein Ende eines Hohlleiters (1) einspeist, durch den die Kavität (7) aus einem für Mikrowellen transparenten Material senkrecht zur Längsachse des Hohlleiters (1) geführt wird, und dass am anderen Ende des Hohlleiters (1) ein Kurzschlussschieber (4) zur weiteren Impedanzanpassung vorgesehen ist.
Mikrowellenanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikrowellengenerator ein Magnetron (2) mit einem Hohlleiterausgang vorgesehen ist, an welches sich ein Tuningelement (5) zur Anpassung der Impedanz der Quelle zur Last anschließt, welches die Mikrowellenstrahlung in ein Ende eines gebogenen Hohlleiters (3a) einspeist, der Teil eines aus zwei gebogenen Hohlleitern (3a, 3b) verbunden mit einem geraden Hohlleiterstück (1) gebildeten Hohlleiters ist, wobei durch den Hohlleiter (1, 3a, 3b) zentrisch eine für Mikrowellen transparente Kavität verläuft,welche den Hohlleiter am anderen gebogenen Hohlleiter (3b) verlässt, wobei in der Kavität das Erhitzen eines durch die Kavität transportierten Mediums stattfindet, und wobei zur weiteren Impedanz-Anpassung die Hohlleiterstrecke (1, 3a, 3b) am Ausgang des anderen gebogenen Hohlleiters (3b) ein Kurzschlussschieber (4) vorgesehen ist.