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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende Fläche eines
Umwälzreaktors,
der mit verschiedenen Temperatursteuermechanismen ausgerüstet ist.
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Die
Erfindung nutzt rotierende Flächen
der Umwälztechnologie
(im Folgenden als RFDUT bezeichnet) (allgemein als Schleuderscheibentechnik bekannt).
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Das
Drehscheibenkonzept ist ein Versuch, Prozeßintensivierungsverfahren auf
den Gebieten der Wärme- und Masseübertragung
anzuwenden. Die Technologie arbeitet durch die Benutzung von Hochschwerkraftfeldern,
die durch Drehung einer Scheibenfläche erzeugt werden und Fluid,
das auf die Fläche
an ihrer Achse aufgebracht wird, dazu veranlaßt, unter dem Einfluß der zentrifugalen
Beschleunigung in Form dünner,
oft welliger Filme nach außen
zu fließen.
Es wurde gezeigt, daß solche
dünnen
Filme die Wärme-
und Masseübertragungsraten und
die Vermischung signifikant verbessern. Die Technologie wurde für übliche Wärme- und
Masseübertragungsvorgänge entwickelt,
wie Wärmetausch, Erwärmung, Kühlung und
Vermischung, Vermengung und ähnliches,
wie z.B. offenbart in R. J. J. Jachuck und C. Ramshaw, „Process
intensification: Heat transfer characteristics of tailored rotating
surfaces", Heat
Recovery Systems & CHP,
Band 14, Nr. 5, Seiten 475–491,
1994.
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In
jüngerer
Zeit wurde die Technologie zur Benutzung als Reaktionsfläche für Systeme
angepaßt,
die Begrenzungen in der Wärme-
und Masseübertragung
aufweisen, beispielsweise für
die Reaktion von Substraten, die während wenigstens einer Reaktionsstufe
hoch viskos sind, und zu Problemen bei dem Erreichen guter Misch-
und Produktresultate führen.
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Boodhoo,
Jachuck & Ramshaw
offenbaren in „Process
Intensification: Spinning Disc Polymeriser for the Manufacture of
Polystyrene" die
Benutzung einer Drehscheibenvorrichtung, bei der Monomer und Initiator
durch übliche
Mittel reagieren, um ein Präpolymer
zu ergeben, das dann bei erhöhter
Temperatur über
die Fläche
einer Schleuderscheibe geführt
wird, und so ein Umsetzungsprodukt in der Form von polymerisiertem
Styrol bereitstellt.
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EP 0 499 363 (Tioxide Group
Services Limited) offenbart eine andere Benutzung der Schleuderscheibentechnologie
in dem photokatalytischen Abbau von organischen Materialien wie
z.B. Kohlenwasserstoffen. Eine Lösung
von Salicylsäure
und ein Titandioxid-Katalysator wurden über die Fläche einer rotierenden Scheibe
geführt
und mit Ultraviolettlicht bestrahlt.
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Diese
Veröffentlichungen
offenbaren also die Benutzung der Schleuderscheibentechnologie zur Wärme- und
Masseübertragung
in inerten und reaktiven Systemen.
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GB 9903474.6 (University
of Newcastle), aufgrund derer die vorliegende Anmeldung Priorität beansprucht,
und deren Offenbarung hiermit durch Querverweis in der vorliegenden
Anmeldung aufgenommen wird, beschreibt die Benutzung der RFDUT bei
der Umsetzung eines Fluidphasensubstrats durch dynamischen heterogenen
Kontakt mit einem Agens. In dieser Anmeldung ist beschrieben, daß überraschenderweise
festgestellt wurde, daß die Schleuderscheibentechnologie
weiter angepaßt
werden kann, um Prozeßintensivierungsverfahren
nicht nur auf den Gebieten der Wärme-
und Masseübertragung,
sondern auch auf dem Gebiet der heterogenen Kontaktierung anzuwenden.
Außerdem
ist beschrieben, daß überraschenderweise
festgestellt wurde, daß die
Qualität
des erzielten Produkts höher
ist als die, die durch eine übliche
Verarbeitung erzielt wird, indem sie beispielsweise eine größere Reinheit,
oder bei Polymeren, eine engere Molekularverteilung aufweist.
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Außerdem kann
die Schleuderscheibentechnologie benutzt werden, um Produkte zu
erzielen, die sich nicht leicht durch andere Technologien erzielen lassen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ist eine Reaktorvorrichtung mit einem
Hohlträgerelement
bereitgestellt, das so ausgeführt
ist, daß es
um eine Achse drehbar ist, wobei das Trägerelement eine erste, äußere Fläche zur
Reaktion und eine zweite, innere Fläche zur Wärmeübertragung und eine Einrichtung
zum Beaufschlagen der zweiten Fläche
mit einem Wärmeübertragungsfluid,
wobei die erste und die zweite Fläche thermisch miteinander verbunden
sind und das Trägerelement
einen Innenraum aufweist, der auf einer Seite von der zweiten Fläche begrenzt
ist, und eine Zuführeinrichtung
zum Beaufschlagen der ersten äußeren Reaktionsfläche mit
einem Reaktanden in flüssiger,
gasförmiger
oder fester Phase, aufweist, wobei eine Platte oder Membran im Inneren
des Hohlträgerelements
bereitgestellt ist, wobei sich die Platte oder Membran im wesentlichen über den
gesamten Innenraum erstreckt, um so einen ersten Raum zwischen der
zweiten Fläche
und der einen Seite der Platte oder Membran und einen zweiten Raum
zwischen einer gegenüberliegenden
Seite der Platte oder Membran und einer von der zweiten Fläche entfernten
Innenfläche
des Trägerelements
zu definieren, wobei jedoch ein Spalt am Umfang der Platte oder
Membran verbleibt, so daß ein
Wärmeübertragungsfluid
zwischen dem ersten und dem zweiten Raum strömen kann, und wobei die gegenüberliegende
Seite der Platte oder Membran mit einem Netz oder Gewebe oder Schaumstoff
versehen ist, um dazu beizutragen, daß die Bildung von freien Wirbeln
im Wärmeübertragungsfluid
verhindert wird.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Reaktorvorrichtung
mit einem Trägerelement
bereitgestellt, das so ausgeführt
ist, daß es
um eine Achse drehbar ist, wobei das Trägerelement eine erste und eine
zweite Fläche,
die sich allgemein gegenüberliegen,
eine Zuführeinrichtung zum
Zuführen
mindestens eines Reaktanden zur ersten Fläche des Trägerelements, eine Auffangeinrichtung
zum Auffangen von Produkt von der ersten Fläche des Trägerelements und eine Einrichtung
zum Beaufschlagen der zweiten Fläche
mit einem Wärmeübertragungsfluid
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement einen im wesentlichen kreisförmigen äußeren Umfang
aufweist, der mit einer Nut oder Vertiefung um sich herum versehen
ist, und ein umlaufendes Prallblech um den Umfang des Trägerelements
so angebracht ist, daß es
in die Nut oder Vertiefung hineinragt, aber immer noch eine freie
Drehung des Trägerelements
erlaubt, wobei das umlaufende Prallblech dazu dient, Reaktand und Wärmeübertragungsfluid
getrennt zu halten, die beim Betrieb des Reaktors von der ersten
bzw. der zweiten Fläche
geschleudert werden.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Reaktorvorrichtung
mit einem Trägerelement
bereitgestellt, das so ausgeführt
ist, daß es
um eine Achse drehbar ist, wobei das Trägerelement eine erste und eine
zweite Fläche,
die sich allgemein gegenüberliegen,
eine Zuführeinrichtung zum
Zuführen
mindestens eines Reaktanden zur ersten Fläche des Trägerelements, eine Auffangeinrichtung
zum Auffangen von Produkt von der ersten Fläche des Trägerelements und eine Einrichtung
zum Beaufschlagen der zweiten Fläche
mit einem Wärmeübertragungsfluid
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fläche eine
sich in axialer Position befindliche, hinterschnittene Mulde umfaßt, der das
Wärmeübertragungsfluid
beim Betrieb des Reaktors zugeführt
wird.
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Es
versteht sich, daß der
Begriff „Reaktand" nicht auf Substanzen
beschränkt
ist, die dazu vorgesehen sind, eine chemische Reaktion auf der ersten Fläche des
Trägerelements
zu durchlaufen, sondern auch Substanzen beinhaltet, die dazu vorgesehen sind,
physikalische oder andere Prozesse wie z.B. Mischung oder Erwärmung zu
durchlaufen. Ebenso soll der Begriff „Produkt" die Substanz oder Substanzen bezeichnen,
die von der ersten Fläche
des Trägerelements
gesammelt werden, unabhängig
davon, ob sie eine chemische oder physikalische Verarbeitung oder
beide durchlaufen haben. Außerdem
kann, obwohl vorgesehen ist, daß die
meisten Reaktanden und Produkt sich in der Flüssigphase befinden, die Vorrichtung
mit allen geeigneten Reaktanden und Produkten der Fluidphase benutzt
werden, einschließlich
Kombinationen aus flüssigen,
festen und gasförmigen
Reaktanden und Produkten. Beispielsweise können Festphasensubstanzen in
im wesentlichen frei fließender
Partikelform makroskopische Fluidfließeigenschaften aufweisen.
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Eine
RFDUT-Vorrichtung (die allgemein als Schleuderscheibenreaktor bezeichnet
wird) enthält im
allgemeinen innerhalb einer Umsetzungskammer eine rotierende Fläche oder
eine Anordnung von mehreren von diesen, die um eine Achse gedreht werden,
um die Übertragung
von einem oder mehreren Reaktanden von der Achse vorzugsweise radial über die
rotierende Fläche
zu erreichen.
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Eine
RFDUT-Vorrichtung, wie sie vorangehend definiert wurde, die eine
rotierende Fläche
aufweist, wie sie vorangehend definiert wurde, weist gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Reihe vorteilhafter Aufbaumerkmale auf.
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Das
Wärmeübertragungsfluid
kann ein Gas, eine Flüssigkeit
oder möglicherweise
ein Feststoff in Parti kelform mit makroskopischen Fluidfließeigenschaften
sein. In üblichen
Anwendungen werden Wasser oder Dampf als das Wärmeübertragungsfluid benutzt, aber
je nach den Anforderungen können
andere Fluide benutzt werden, die unterschiedliche Gefrier- und
Siedepunkte und unterschiedliche spezifische Wärmekapazitäten aufweisen.
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Die
Einrichtung zum Beaufschlagen der zweiten Fläche mit der Wärmeübertragungsflüssigkeit
kann eine Reihe von Formen annehmen. In einer Ausführungsform
ist das Trägerelement
im wesentlichen hohl, wobei die erste Fläche eine äußere Fläche, und die zweite Fläche eine
innere Fläche
in thermischer Verbindung zu der ersten Fläche ist. Wenn beispielsweise
das Trägerelement
im wesentlichen eben und horizontal zur Drehung an eine Antriebswelle
angebracht ist, kann die erste Fläche eine obere äußere Fläche des
Grundkörpers
des Trägerelements
sein, und die zweite Fläche
ist die entsprechende innere Fläche
dieses Teils des Trägerelements.
Ein Wärmeübertragungsfluid
wird dann dem Inneren des Trägerelements
zugeführt,
möglicherweise über eine
Antriebswelle mit einem hohlen Schaft, um in Kontakt mit der zweiten
Fläche
zu gelangen, und Wärme
darauf oder davon zu übertragen.
Da die zweite Fläche
in thermischer Verbindung mit der ersten Fläche steht, dient dies dazu,
die Wärmeübertragung
von der und an die erste Fläche
zu erreichen. Vorteilhaft ist ein Fließweg in dem Trägerelement
begrenzt, um einen Durchlaß für Wärmeübertragungsfluid
bereitzustellen, damit es vor und nach dem Kontakt mit der zweiten
Fläche
in das und aus dem Trägerelement
zirkulieren kann. Dies kann erreicht werden, indem eine Platte oder
Membran in dem hohlen Trägerelement
bereitgestellt wird, die sich im wesentlichen über den gesamten Raum in dem
Trägerelement
erstreckt, jedoch an Umfangsregionen desselben einen Spalt beläßt, und
dazu dient, einen ersten Raum zwischen der zweiten Fläche und einer
Seite der Platte oder Membran, und einen zweiten Raum zwischen der
anderen Seite der Platte oder Membran und einem Teil des Trägerelements
zu begrenzen, der von der zweiten Fläche entfernt ist. Das Wärmeübertragungsfluid
kann dann beispielsweise durch eine Antriebswelle mit hohlem Schaft
zu einem zentralen Bereich des ersten Raums zirkuliert werden. Das
Wärmeübertragungsfluid
wird dann dazu gebracht, durch den ersten Raum über die zweite Fläche zu fließen, und
Wärme zu
ihr hin und von ihr weg zu übertragen,
bevor es über
den Umfangsspalt zurück
in die Antriebswelle mit hohlem Schaft und durch den zweiten Raum
auf der Seite der Platte oder Membran fließt, die von der zweiten Fläche entfernt ist.
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Vorteilhaft
weist die zweite Fläche
eine Einrichtung zum Ausdehnen ihrer effektiven Fläche zu Wärmeübertragungszwecken
auf. Beispielsweise können
wärmeleitende
Schaufeln, Lamellen oder andere Vorsprünge an der zweiten Fläche vorgesehen sein.
Alternativ können
ein wärmeleitendes
Netz oder Gewebe oder ein wärmeleitender
Schaumstoff in dem ersten Raum und in Wärmekontakt mit der zweiten
Fläche
vorgesehen sein. Die Seite der Platte oder Membran, die der zweiten
Fläche
zugewandt ist, kann vorteilhaft mit Schaufeln, Flügeln oder
anderen Vorsprüngen,
oder mit einem Netz oder Gewebe oder Schaumstoff versehen sein,
um die Bildung freier Wirbel in dem Wärmeübertragungsfluid zu verhindern,
die anderenfalls einen hohen Druckabfall zwischen dem Eingang und
dem Ausgang des Fluids erzeugen könnten. Wenn Schaufeln oder
Flügel
vorgesehen sind, sind diese vorzugsweise im Verhältnis zu der Rotationsachse
radial ausgerichtet.
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Anstelle
eines hohlen Trägerelements
kann auch ein solides Trägerelement
benutzt werden. In dieser Ausführungsform
ist die zweite Fläche
eine äußere Fläche des
Trägerelements
gegenüber
der ersten Fläche, und
in thermischer Verbindung mit dieser. Wärmeübertragungsfluid kann dann
der zweiten Fläche
entweder durch Sprühen
des Fluids auf die zweite Fläche,
oder durch Zuführen
des Fluids in einen zentralen Teil der zweiten Fläche zugeführt werden,
von wo aus es durch Rotation des Trägerelements über der
zweiten Fläche
verteilt wird. Das Wärmeübertragungsfluid
neigt dazu, in Form eines Films über
die zweite Fläche
von einem zentralen Bereich zu einem Umfang derselben zu wandern,
bevor es von dem Umfang der zweiten Fläche geschleudert wird. Eine
Auffangeinrichtung wie z.B. eine Schüssel oder eine Mulde, die um
das Trägerelement
herum angeordnet ist, kann vorgesehen sein, um das Wärmeübertragungsfluid
aufzufangen und rückzuführen. Die
zweite Fläche
kann mit einem Netz, Gitter, Riffelungen oder anderen Vorsprüngen versehen
sein, die dazu dienen, den Wärmeübertragungsbereich
der zweiten Fläche
zu erhöhen,
und auch die Verweildauer des Wärmeübertragungsfluids
auf der zweiten Fläche
zu erhöhen.
Das Netz, Gitter oder die Riffelungen oder anderen Vorsprünge sind
vorzugsweise gute Wärmeleiter,
und befinden sich in thermischer Verbindung mit der zweiten Fläche, und
deshalb mit dem Grundkörper
des Trägerelements
und mit der ersten Fläche.
Die Auffangeinrichtung ist vorteilhaft dazu angepaßt, ein
unabhängiges
Auffangen von Wärmeübertragungsfluid
von der zweiten Fläche
und von dem Produkt von der ersten Fläche zuzulassen. Wenn das Trägerelement
beispielsweise im wesentlichen scheibenförmig ist, wobei die erste Fläche oben
liegt und die zweite Fläche
abwärts
gewandt ist, kann eine Nut oder Vertiefung am Umfang des Trägerelements
zwischen der ersten und der zweiten Fläche vorgesehen sein. Ein umlaufendes
Prallblech oder eine umlaufende Platte wird dann um das Trägerelement
angeordnet, um über
den gesamten Umfang des Trägerelements
in die Nut oder Vertiefung hineinzuragen, wobei sich das Trägerelement
trotzdem frei drehen kann. Das Prallblech oder die Platte läßt so zu,
daß das
Produkt, das von der ersten Fläche
geschleudert wird, unabhängig
von dem Wärmeübertragungsfluid
aufgefangen wird, welches von der zweiten Fläche geschleudert wird.
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Die
Rotationsachse der rotierenden Fläche oder des Trägerelements
kann im wesentlichen vertikal sein, wobei die Schwerkraft in diesem
Fall dazu neigt, Reaktanden im Verhältnis zu der Fläche oder dem
Trägerelement
nach unten zu ziehen. Dies kann bei weniger viskosen Reaktanden
vorteilhaft sein.
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Alternativ
kann die Rotationsachse im wesentlichen horizontal sein, was eine
verbesserte Mischung der Reaktanden bereitstellen kann, vorausgesetzt,
daß diese
in geeigneter Weise an der ersten Fläche des Trägerelements gehalten werden.
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Jedes
geeignete Zulaufmittel kann vorgesehen sein, um die rotierende erste
und zweite Fläche mit
dem wenigstens einen Reaktanden und dem Wärmeübertragungsfluid zu beaufschlagen.
Beispielsweise kann das Zulaufmittel einen Zulaufverteiler in Form
eines „Duschkopfs", einer „Halskette" von Auslässen, oder
eines einfachen, vorzugsweise einstellbaren Einpunktzulaufs wie
z.B. eines Zulaufmittels des „Schlauchtyps" aufweisen. Vorzugsweise weist
das Zulaufmittel einen Zulaufverteiler mit mehreren gleichmäßig beabstandeten
Auslässen
für den wenigstens
einen Reaktanden auf die rotierende Fläche auf, wie zuvor definiert.
Das Zulaufmittel kann auch ein Mittel zum Anwenden von UV-, IR-,
Röntgen-,
Funkfrequenz-, Mikrowellen- oder anderen Typen elektromagnetischer
Strahlen oder Energie, einschließlich magnetischer und elektrischer
Felder, auf die Reaktanden aufweisen, während diese der Mulde zugeführt werden,
oder kann ein Mittel zum Anlegen einer Vibration, wie z.B. einer
Ultraschallvibration, oder von Wärme,
aufweisen.
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Das
Zulaufmittel kann an jeder geeigneten Position im Verhältnis zu
der rotierenden Fläche
angeordnet sein, die den Zulauf des Reaktanden oder des Wärme übertragungsfluids
erlaubt. Beispielsweise kann das Zulaufmittel zur axialen Zuführung axial zu
der rotierenden Fläche
ausgerichtet sein. Alternativ kann das Zulaufmittel derart angeordnet
sein, daß der
Zulauf von der Achse der rotierenden Fläche beabstandet ist. Eine solche
Position kann zu mehr Turbulenz und einem verstärkten Mischeffekt führen.
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Vorteilhaft
weist die erste und/oder die zweite Fläche eine Mulde auf, in die
der wenigstens eine Reaktand und/oder das Wärmeübertragungsfluid durch das
Zulaufmittel zugeführt
wird.
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Die
Tiefe der Mulde in der ersten Fläche kann
gemäß den Reaktionsanforderungen
ausgewählt
werden. Für
photochemische Reaktionen beispielsweise, in denen UV-Licht auf den Reaktanden gerichtet
wird, wird bevorzugt, daß die
Mulde relativ flach ist, und beispielsweise eine Tiefe derselben Größenordnung
oder innerhalb einer Größenordnung
wie die erwartete Dicke eines Films des Reaktanden aufweist, der
sich auf der ersten Fläche
des Trägerelements
bildet, wenn sie sich mit einer geeigneten Geschwindigkeit dreht.
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In
einer Ausführungsform
kann das Zulaufmittel einen einzelnen Zulauf an jede Mulde aufweisen,
der vorzugsweise an der oder koaxial zu der Rotationsachse der Rotationsfläche angeordnet
ist. In dieser Ausführungsform
fließt
der Reaktand oder das Wärmeübertragungsfluid
von dem Zulaufauslaßin
die Mulde, und wird dann durch Zentrifugalkraft aus der Mulde auf
der rotierenden Fläche
verteilt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist des Drehelement, wie
zuvor definiert, eine Mulde auf, die an der Rotationsachse angeordnet
ist.
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Die
Mulde, wie zuvor definiert, kann jede geeignete Form aufweisen,
wie z.B. fortlaufend oder ringförmig.
Beispielsweise kann sie eine fortlaufende konkave Fläche aufweisen,
die einen Abschnitt einer Kugel aufweist, wie z.B. eine Halbkugelfläche, oder sie
kann eine Innenfläche
aufweisen, die mit der rotierenden Fläche ab wenigstens einer Verbindungswand
oder für
den Fall, daß die
Mulde ringförmig
ist, an wenigstens zweien verbunden ist. Die Innenfläche und
die Verbindungswand können
jede Form aufweisen, die zuläßt, daß die Funktion
einer Mulde erfüllt wird.
Beispielsweise kann die Innenfläche
parallel zu der rotierenden Fläche
oder konkav oder konvex sein. Die Verbindungswand kann eine einzelne
kreisförmige
oder ovale Wand, oder mehrere gerade Wände aufweisen. Die Wände können von
der rotierenden Fläche
fortführen
oder zu ihr hin konvergieren.
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Vorzugsweise
ist eine einzelne kreisförmige Wand
vorgesehen, die zu der rotierenden Fläche konvergiert, um eine hinterschnittene
Mulde zu bilden. Diese Form erzeugt ein Reservoir, das eine Umfangsverteilung
des Reaktanden oder des Wärmeübertragungsfluids
verbessert. Alternative Mittel zum Bilden einer hinterschnittenen
Mulde sind ebenfalls vorgesehen. Wenn beispielsweise die Mulde im
wesentlichen ringförmig
ist, kann wie oben eine äußere Wand
vorgesehen sein, und eine innere Wand, die jede geeignete Form aufweisen
kann, kann dazu dienen, eine innere Kante der Mulde zu begrenzen.
Der hinterschnittene Abschnitt der Mulde sollte im allgemeinen als
eine äußere Wand
vorgesehen sein, um den ungesteuerten Austritt von Reaktand oder
Wärmeübertragungsfluid
aus der Mulde zu der ersten oder zweiten Fläche unter Einfluß der Zentrifugalkraft zu
verhindern, während
das Trägerelement
gedreht wird.
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Vorteilhaft
kann eine Matrix in der Mulde vorgesehen sein, um dazu beizutragen,
daß der
Reaktand oder das Wärmeübertragungsfluid,
die sich in der Mulde befinden, sich mit dem Trägerelement drehen, wodurch
sie dazu beiträgt,
einen im wesentlichen gleichmäßigen Fluß von der
Mulde über
die erste oder zweite Fläche
zu erreichen. Die Matrix kann die Form eines Stopfens oder eines
faserigen Netzes aufweisen, wie z.B. Metall oder Kunststoffwolle,
oder kann die Form mehrerer Vorsprünge aufweisen, die an einer
Innenfläche
der Mulde gesichert sind. Fachleute werden zu anderen Matrixmitteln
gelangen. In einigen Ausführungsformen
ist die Matrix aus einem Material hergestellt ist, das in Bezug
auf den wenigstens einen Reaktanden oder das Produkt inert ist, und
das von Temperatur und anderen variablen Prozeßbedingungen nicht wesentlich
beeinflußt
wird. Alternativ kann die Matrix aus einem Material hergestellt
sein, das mit dem wenigstens einen Reaktanden oder dem Produkt interagiert,
wie z.B. ein heterogener Katalysator (z.B. Nickel, Palladium oder
Platin, oder jedes geeignete Metall, jede geeignete Legierung oder
jeder geeignete Verbund derselben). Wenn die Matrix aus einem elektrisch
leitenden Material hergestellt ist, kann es möglich sein, einen elektrischen
Strom dadurch zuzuführen,
um Erwärmungsmittel
zum Erwärmen
des wenigstens einen Reaktanden in der Mulde bereitzustellen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können mehrere
Zuläufe
vorgesehen sein, die dazu angepaßt sind, gezielt einen oder
mehrere Reaktanden mehreren Mulden zuzuführen, die in der ersten Fläche ausgebildet
sind. Wenn das Trägerelement
beispielsweise im wesentlichen scheibenartig ist, und eine im wesentlichen
zentrale Rotationsachse aufweist, kann eine erste zentrale Mulde
vorgesehen sind, die an der Rotationsachse zentriert ist, und ein Zulaufmittel,
um der ersten Mulde wenigstens einen Reaktanden zuzuführen, und
wenigstens eine weitere Mulde, die vorzugsweise ebenfalls an der
Rotationsachse zentriert ist und die eine ringförmige Konfigurierung aufweist,
wobei die wenigstens eine weitere Mulde mit einem Zulaufmittel zum
Zuführen
eines zweiten Reaktanden an die eine weitere Mulde versehen ist,
wobei es sich um denselben Reaktanden wie oder einen anderen Reaktanden
als den ersten Reaktanden handeln kann. Fachleute werden verstehen,
daß mehrere
Mulden in ähnlicher
Weise an Trägerelementen
vorgesehen sein können,
die andere Formen als die im wesentlichen scheibenartige aufweisen.
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Indem
mehrere Mulden und Zuläufe
bereitgestellt werden, kann eine Abfolge von Reaktionen an der ersten
Fläche
des Trägerelements
durchgeführt
werden. Beispielsweise können
zwei Reaktanden der ersten Mulde zugeführt werden, in der ein Teil
des Mischens und der Reaktion stattfindet. Indem das Trägerelement
rotiert, verteilen sich die Reaktanden von der ersten Mulde auf
die erste Fläche
des Trägerelements,
wo eine weitere Reaktion und weiteres Mischen stattfindet, und von
dort in eine zweite ringförmige
Mulde, die konzentrisch zu der ersten angeordnet ist. Ein dritter
Reaktand kann dann der zweiten Mulde zugeführt werden, und es finden eine weitere
Mischung und Reaktion statt, indem sich der dritte Reaktand und
die zwei ersten Reaktanden und jedes zugehörige Produkt von der zweiten
Mulde auf der ersten Fläche
des Trägerelements
zum weiteren Mischen und Reagieren verteilen. Da die Bewegungsrichtung
der Reaktanden und Produkte von der Rotationsachse nach außen verläuft, kann
eine gesteuerte Abfolge von Reaktionen über die erste Fläche des
Trägerelements
hinweg ausgeführt
werden.
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Es
kann jedes geeignete Auffangmittel zum Auffangen des Produkts vorgesehen
sein, wenn dieses die rotierende Fläche an ihrem Umfang verläßt. Beispielsweise
kann eine Aufnahmevorrichtung in der Form einer Schüssel oder
einer Mulde vorgesehen sein, die das Rotationselement oder einen
anderen fest angeordneten Teil der Vorrichtung wenigstens teilweise
umgibt. Das Auffangmittel kann außerdem einen Deflektor aufweisen,
der um den Umfang der rotierenden Fläche herum angeordnet ist, um
das Produkt in das Auffangmittel abzulenken. Der Deflektor ist vorzugsweise
in einem spitzen Winkel zu der rotierenden Fläche angeordnet.
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Die
Komponenten der Auffangmittel, wie z.B. die Schüssel oder die Mulde oder der
Deflektor, können
mit einem heterogenen Katalysator beschichtet oder in anderer Weise
versehen sein, der für
die Reaktanden geeignet ist, die an dem Trägerelement reagieren, oder
können
sogar vollständig
aus einem Material bestehen, das als ein heterogener Katalysator
dient. Außerdem
können
die Komponenten der Auffangmittel auf eine vorbestimmte Temperatur
erwärmt
oder gekühlt
werden, um eine Kontrolle über die
Reaktionsparameter zu ermöglichen,
beispielsweise indem sie dazu dienen, die Reaktion zwischen den
Reaktanden anzuhalten, während
diese die erste Fläche
in der Form des Produkts verlassen. Zulaufmittel zum Zuführen eines
Reaktanden zu dem Produkt, das die erste Fläche verläßt, können ebenfalls vorgesehen sein.
Beispielsweise kann ein Zulaufmittel zum Zuführen eines Abschreckmediums
zu dem Produkt in dem Auffangmittel vorgesehen sein, um die chemischen
oder anderen Reaktionen zwischen Reaktanden anzuhalten, wenn diese
die erste Fläche
verlassen haben.
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Das
Auffangmittel kann außerdem
Auslaßmittel
jeder geeigneten Form aufweisen. Beispielsweise kann eine einzelne
Auffangmulde vorgesehen sein, die um den Umfang der Scheibe verläuft, oder eine
Auffangschüssel,
die das Rotationselement teilweise umgibt.
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Auslaßmittel
können
auch in dem Auffangmittel vorgesehen sein, und können die Form von Öffnungen jeder
Größe und Form
annehmen, die an jeder geeigneten Position des Auffangmittels angeordnet
sind, um einen Austritt des Produkts zu erlauben. In einer bevorzugten
Ausführungsform
sind die Auslaßmittel
angeordnet, um einen vertikalen Austritt des benutzten Substrats
zu erlauben.
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Alternativ
kann das Auffangmittel eine Außenwand
aufweisen, die am Umfang des Trägerelements
vorgesehen ist, um zu verhindern, daß das Produkt von der ersten
Fläche
geschleudert wird, und wenigstens ein Pitotrohr, das sich in das
Produkt erstreckt, das durch die Außenwand am Umfang des Trägerelements
zurückgehalten
wird. Die Außenwand
kann im wesentlichen in Richtung der Rotationsachse des Trägerelements
konvergieren, um das Produkt besser zurückzuhalten, während das
Trägerelement
rotiert wird, obwohl andere Wandkonfigurierungen, wie z.B. parallel
zu oder divergierend von der Rotationsachse, nützlich sein können.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
mehrere Trägerelemente
enthalten, die eine gemeinsame Rotationsachse aufweisen können, und
die an einer einzigen drehbaren Welle angebracht sein können, oder
die mit einzelnen drehbaren Wellen versehen sein können. Das
Auffangmittel, das einem jeweiligen Trägerelement zugeordnet ist, kann
mit dem Zulaufmittel verbunden sein, das jedem jeweiligen anderen
Trägerelement
zugeordnet ist, um eine Anzahl von Trägerelementen seriell oder parallel zu
verbinden. Auf diese Weise kann eine Reaktion über eine Anzahl von Trägerelementen
hinweg seriell oder parallel durchgeführt werden. Das Auffangmittel eines
ersten Trägerelements
kann direkt mit dem Zulaufmittel eines zweiten Trägerelements
verbunden sein, oder kann über
eine Verarbeitungseinheit, wie z.B. eine Pumpe, einen Extruder,
ein Heizelement oder einen Wärmetauscher
oder jede andere geeignete Vorrichtung verbunden sein. Dies ist
besonders nützlich,
wenn viskose Produkte behandelt werden, wie z.B. solche, die bei
Polymerisierungsreaktionen erzielt werden, da das viskose Produkt
eines ersten Trägerelements
verarbeitet werden kann, um günstigere
physikalische Eigenschaften anzunehmen, bevor es als die Reaktandenzufuhr
für ein
zweites Trägerelement
benutzt wird.
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Wenn
beispielsweise das Auffangmittel wie oben beschrieben eine Außenwand
an der ersten Fläche
des Trägerelements
aufweist, kann eine Anzahl von Trägerelementen koaxial an einer
einzigen drehbaren Welle angebracht sein, um einen Stapel von Trägerelementen
zu bilden. Eine Reaktandenzufuhr wird der Mulde eines ersten Trägerelements
zugeführt,
und ein Auffangmittel in der Form eines Pitotrohrs weist eine Mündung auf,
die nahe der ersten Fläche
des ersten Trägerelements
in der Nähe
der Wand angeordnet ist, um das Produkt aus dieser Region aufzunehmen.
Ein Ende des Pitotrohrs, das von der Mündung entfernt ist, wird zu
der Mulde eines zweiten Trägerelements
geführt,
damit das Produkt des ersten Trägerelements
als der Reaktand für
das zweite Trägerelement
dienen kann, wodurch ermöglicht
wird, daß eine
Anzahl von Reaktionen in Serie stattfindet. Alternativ kann eine
Anzahl von parallelen Zuläufen
denselben wenigstens einen Reaktanden gleichzeitig den Mulden einer
Anzahl von Trägerelementen
zuführen,
und eine Anzahl von parallelen Pitotrohr-Auffangmitteln kann das
Produkt von einer Umfangsregion jedes Trägerelements sammeln, wodurch
eine Reaktion über
eine Anzahl von Trägerelementen
hinweg parallel stattfinden kann.
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Es
ist auch vorgesehen, daß das
Produkt, das von dem Umfang eines Trägerelements aufgefangen wird,
als Zufuhr für
das Trägerelement
rückgeführt werden
kann. Dies ist nützlich
bei Prozessen, die eine verlängerte
Kontaktzeit der Reaktanden benötigen.
Das Produkt kann vollständig
oder teilweise rückgeführt werden,
je nach den Anforderungen.
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Der
Verweis auf eine rotierende Fläche
bezieht sich auf jede fortlaufende oder separate ebene oder dreidimensionale
Fläche
oder Anordnung, die sich annähernd
oder genau um eine Achse dreht, und vorzugsweise auf eine annähernd oder
genau rotierenden Fläche
der Umdrehung. Eine annähernde rotierende
Umdrehungsfläche
kann eine asymmetrische Achse und/oder eine Abweichung im Flächengrundkörper und/oder
einen Umfang aufweisen, die eine axial oder radial wellenförmige Umdrehungsfläche erzeugen.
Eine separate Fläche
kann die Form eines Netzes, Gitters, einer geriffelten Fläche usw. aufweisen.
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Der
Verweis auf einen im wesentlichen radial nach außen fließenden Film, wie zuvor definiert,
bezieht sich auf jeden Fluidfilm, der durch dynamischen Kontakt
des Fluidphasenreaktanden und der rotierenden Fläche erzeugt wird, wie zuvor
definiert, wobei der Fluidphasenreaktand in geeigneter Weise mit der
rotierenden Fläche
an einer oder mehreren Stellen der Fläche in Kontakt gebracht wird
und durch die Wirkung einer Zentrifugalkraft dazu gebracht wird, nach
außen
zu fließen.
Ein Film kann ein fortlaufender Ring oder ein nicht fortlaufender
Bogen an jeder radialen Position sein. Das Substrat kann mehrere Filme
in dynamischem Kontakt mit einer rotierenden Fläche bereitstellen, wie zuvor
definiert.
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Prozesse
beispielsweise, die eine verlängerte
Kontaktzeit benötigen,
können
in fortlaufender Weise durchgeführt
werden, unter Benutzung einer Rückführung des
Fluids, das an dem Umfang der rotierenden Fläche in Richtung der Achse der
rotierenden Fläche
austritt, was sequentielle Läufe
des Fluids über
die Fläche
ermöglicht.
In einem fortlaufenden stabilen Betrieb kann eine Menge von Fluid,
das die Fläche
verläßt, als
Produkt abgezogen werden, und eine Menge kann durch Rückführung zur
weiteren Umsetzung mit einer Menge frischer Reaktandenzufuhr zurückgeleitet
werden.
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Das
Verfahren der Erfindung, wie bisher definiert, kann in einer einzigen
oder in mehreren Stufen durchgeführt
werden. Ein mehrstufiges Verfahren kann eine erste Vorstufe aufweisen,
mit weiteren Nachstufen oder Verbesserungsstufen, und kann schubweise
unter Benutzung einer einzelnen rotierenden Fläche, wie zuvor definiert, ausgeführt werden,
oder in fortlaufender Weise mit mehreren rotierenden Flächen in
Serie.
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Ein
zweiter oder mehr Reaktanden können dem
Zufuhrreaktanden hinzugefügt
werden, während er
von einer rotierenden Anordnung zu der nächsten gelangt, oder an einer
beliebigen Position zwischen der Rotationsachse oder dem Austritt
aus der Anordnung direkt der rotierenden Anordnung zugeführt werden.
In bestimmten Fällen
kann ein mehrstufiges Verfahren durch die Hinzufügung oder Hinzufügungen von
Reaktanden zwischen der Rotationsachse und dem Austritt einer einzigen
rotierenden Anordnung erreicht werden, um mehr als einen Verfahrensschritt
in einem einzigen Arbeitsschritt zu erreichen. Es ist auch möglich, daß unterschiedliche
Regionen der rotierenden Fläche
unterschiedliche Temperaturen und Bedingungen aufweisen, und unterschiedliche
Flächengeometrien
aufweisen, wie es für
die Anforderungen des Prozesses angemessen ist.
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Es
ist offensichtlich, daß das
Verfahren der Erfindung sowohl durch Auswahl einer spezifischen rotierenden
Fläche
für das
Trägerelement,
als auch durch Auswahl von Prozeßvariablen wie Temperatur, Rotationsgeschwindigkeit,
Rate der Reaktandenzufuhr, Umsetzzeit usw. gesteuert werden kann.
Entsprechend stellt das Verfahren der Erfindung eine erhöhte Flexi bilität der Prozeßsteuerung
mit Hilfe der Betriebsbedingungen bereit, sowie zusätzliche
Steuerung mit Hilfe der Art der rotierenden Fläche.
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Die
Vorrichtung kann außerdem
ein geeignetes Steuersystem aufweisen. Ein solches Steuersystem
kann die Temperatur oder Kontaktdauer der Reaktanden mit Hilfe der
Rotationsgeschwindigkeit, der Rate der Reaktandenzufuhr, und anderer
Prozeßparameter
regeln, um ein optimales Resultat zu erzielen.
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Die
Vorrichtung, wie bisher definiert, kann Mittel zum Optimieren der
Prozeßbedingungen
aufweisen. Beispielsweise können
Mittel vorgesehen sein, die die rotierende Fläche, und also den Reaktanden,
in eine zusätzliche
Bewegung versetzen. Eine solche Bewegung könnte in jeder gewünschten Ebene
oder in mehreren Ebenen stattfinden, und weist vorzugsweise eine
Vibration auf. Es kann ein beliebiges geeignetes Vibrationsmittel
vorgesehen sein, wie z.B. die flexible Anbringung der Fläche oder eine
zentral versetzte Anbringung, einschließlich sowohl eines passiven
Vibrationsmittels als auch eines aktiven Vibrationsmittels, wie
z.B. eines mechanischen Elements, das in Kontakt mit dem rotierenden Element
steht, und in einer Richtung parallel zu der Achse des rotierenden
Elements vibriert. Vorzugsweise ist ein passives Vibrationsmittel
in der Form einer zentral versetzten Anbringung des rotierenden Elements
an seiner Rotationsachse vorgesehen. Eine Vibration kann alternativ
durch einen Ultraschallemitter bereitgestellt werden, der in Kontakt
mit dem rotierenden Element steht, zur Vibration in jeder gewünschten
Ebene oder mehreren Ebenen.
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Die
rotierende Fläche
kann jede Form und Flächenausbildung
aufweisen, um die Prozeßbedingungen
zu optimieren. Beispielsweise kann die rotierende Fläche im wesentlichen
eben oder gekrümmt, gekräuselt, gerif felt
oder gebogen sein. Die rotierende Fläche kann ein Kegel sein, oder
eine im wesentlichen kegelstumpfartige Form aufweisen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die rotierende Fläche
im wesentlichen eben und vorzugsweise im wesentlichen kreisförmig. Der
Umfang der rotierenden Fläche
kann eine ovale, rechteckige oder andere Form bilden.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
ist die rotierende Fläche
als die Innenfläche
eines Kegels vorgesehen. Die Vorrichtung kann wenigstens einen Kegel
und wenigstens eine andere rotierende Fläche, oder wenigstens ein Paar
von einander zugewandten Kegeln aufweisen, die so angeordnet sind,
daß sie
einen zweistufigen Prozeß ermöglichen,
wobei einer oder mehrere Reaktanden jedem Kegel zugeführt werden.
Vorzugsweise tritt das Produkt aus einem kleineren Kegel (oder einer
anderen Rotationsfläche)
in einem Sprühstrahl
auf die Fläche eines
größeren Kegels
(oder einer anderen Rotationsfläche)
aus, durch den es wenigstens teilweise umgeben ist, und dessen Fläche durch
Zulaufmittel, wie zuvor definiert, ein weiterer Reaktand zugeführt wird,
um ein Mischen des Produkts und des Reaktanden an der größeren rotierenden
Fläche
zuzulassen. Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen, so daß die zwei
Kegel gegenläufig
rotieren. Eine solche Anordnung verbessert das Mischen und den engen
Kontakt der Reaktanden, und reduziert die benötigte physikalische Kontaktdauer.
Alternativ sind Mittel vorgesehen, sodaß die Kegel miteinander rotieren
oder einer von ihnen stationär
ist.
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Eine
rotierende Fläche
jeder Form und Flächenausbildung,
wie zuvor definiert, kann mit Flächenmerkmalen
versehen sein, die dazu dienen, den gewünschten Prozeß zu fördern. Beispielsweise kann
die Fläche
ein Mikro- oder Makroprofil aufweisen, mikro- oder makroporös sein,
nicht haftend sein, beispielsweise eine Antihaftbeschichtung aufweisen, fortlaufend
oder nicht fortlaufend sein, und kann Elemente wie z.B. ein Netz,
beispielsweise ein gewebtes Netz, netzförmigen Schaumstoff, Pellets,
Stoff, Stifte oder Drähte,
für einen
verbesserten Flächenbereich, einen
verstärkten
oder reduzierten Reibungseffekt, eine verstärkten oder reduzierte Laminarströmung, eine
Schermischung eines Rezirkulierungsflusses in axialer Richtung usw.
aufweisen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Mischkennlinien der rotierenden Fläche durch die genannten Merkmale
oder ähnliche
verbessert, die an oder in der rotierenden Fläche vorgesehen sind. Sie können in
einer beliebigen geeigneten regelmäßigen oder zufälligen Anordnung
aus Gittern, konzentrischen Ringen, Spinnennetzmustern oder ähnlichen
Mustern vorgesehen sein, die für
eine jeweilige Anwendung geeignet sind.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu einem anderen Flächenmerkmal
können
radial beabstandete Stifte in der Form von Kreisen oder Kreisabschnitten
vorgesehen sein.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
ist eine poröse
Flächenbeschichtung
vorgesehen, die die Verarbeitung bestimmter Reaktanden unterstützt. Eine
solche Beschichtung kann in Kombination mit jedem anderen der zuvor
genannten Merkmale vorgesehen sein.
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Flächenmerkmale
in der Form von Nuten können
konzentrisch sein, oder können
jede gewünschte
radial beabstandete Form aufweisen. Beispielsweise können die
Nuten „wellenförmige" oder verzerrte Kreise
bilden, um die Vermischung zu maximieren.
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Die
Nuten können
parallelseitig sein, oder können
Seiten aufweisen, von denen eine oder beide divergieren, um hinterschnittene
Nuten zu bilden, oder konvergieren, um sich verjüngende Nuten zu bilden. Vorzugsweise
sind die Nuten hinterschnitten, um die Vermischung zu fördern.
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Die
Nuten können
gewinkelt sein, um in Richtung der Achse der rotierenden Fläche oder
weg von dieser zu ragen, um die Hinterschneidung oder Verjüngung zu
verstärken
oder zu reduzieren.
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Es
kann ein Energieübertragungsmittel
für die
rotierende Fläche
oder den Reaktanden oder das Produkt, wie zuvor definiert, vorgesehen
sein. Beispielsweise kann ein Erwärmungsmittel zum Erwärmen des
Reaktanden vorgesehen sein, beispielsweise als Teil des Zulaufmittels.
Zusätzlich,
oder alternativ, kann ein Erwärmungsmittel
in der Form eines Strahlers oder einer anderen Erwärmungsvorrichtung
vorgesehen sein, um das rotierende Element zu erwärmen, und
an der Fläche
des rotierenden Elements angeordnet sein, die nicht die rotierende
Fläche
für die
Umsetzung aufweist. Vorzugsweise sind radial beabstandete, im wesentlichen
kreisförmige Erwärmungsvorrichtungen
vorgesehen.
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Jedes
beliebige bevorzugte Kühl-
oder Abschreckmittel kann an einer geeigneten Position vorgesehen
sein, um das reagierte Substrat abzukühlen. Beispielsweise können Kühlschlangen
oder eine Wärmesenke
durch Wärmetausch
eine Kühlung
bereitstellen, oder ein Abschreckreservoir kann eine Kühlung oder
den Abbruch der Reaktion durch dichtes Vermischen in dem Auffangmittel
bereitstellen.
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In
einigen Ausführungsformen
kann einer der Reaktanden eine Komponente der flüssigen Phase sein, und eine
andere kann eine Komponente der Gasphase sein. In diesen Ausführungsformen
ist das rotierende Trägerelemente
vorteilhaft in einem Behälter
aufgenommen, um die Konzentration der Gasphasenkomponente in der
Nähe der
zu steuernden Fläche
zu ermöglichen.
Die Flüssigkomponente
kann der Fläche
der Scheibe wie oben beschrieben zugeführt werden, und die Gaskomponente
kann dem Behälter
zugeführt
werden. Ein Drehlaufrad oder Gebläse oder eine ähnliche
Vorrichtung kann nahe der rotierenden Fläche angebracht sein, und derart
angetrieben sein, daß die
Gasphasenkomponente von einer Region in der Umgebung des Umfangs
der rotierenden Fläche
in Richtung des Zentrums der rotierenden Fläche gesaugt wird, während die
Flüssigphasenkomponente
sich aufgrund der Rotation der rotierenden Fläche von dem Zentrum der Fläche zu ihrem
Umfang bewegt. Wenn beispielsweise das Trägerelement eine Scheibe ist,
kann das Laufrad oder Gebläse
die Form eines im wesentlichen scheibenförmigen Aufbaus aufweisen, der
koaxial zu dem Trägerelement
und nahe an diesem angebracht ist. Eine Fläche des Laufrads oder Gebläses, die
der rotierenden Fläche
des Trägerelements
zugewandt ist, kann mit Schaufeln oder Flügeln versehen sein, derart, daß die Rotation
des Laufrads oder Gebläses
dazu dient, die Gasphasenkomponente von einem Umfang der Fläche und
des Laufrads oder Gebläses
zu dem Zentrum der Fläche
zu saugen. Indem ein gegenläufiger
Strom der Gas- und der Flüssigphasenkomponente
bereitgestellt wird, wird die Wärme- oder
Masseübertragung
zwischen den Komponenten wesentlich verbessert, da die Konzentration
des nicht reagierten Flüssigphasenreaktanden
an dem Umfang der Scheibe am niedrigsten ist, und deshalb von einer
hohen Konzentration der Gasphasenkomponente profitiert, um eine
vollständige
Reaktion sicherzustellen.
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In
allen oben beschriebenen Ausführungsformen
kann es vorteilhaft sein, daß das
Wärmeübertragungsfluid
während
seiner Beaufschlagung auf der zweiten Fläche die Phase wechselt. Dies
kann erreicht werden, indem das Wärmeübertragungsfluid in einer bestimmten
Phase zugeführt
wird, und in der Region der zweiten Fläche ein Dampfdruck aufrechterhalten
wird, um einen Phasenwechsel zu fördern, und die zusätzliche
Wärmeübertragung
auszunutzen, die bei jedem Phasenwechsel zur Verfügung steht
(d.h. die latente Wärme
des Phasenwechsels). Wenn beispielsweise ein flüssiges Wärmeübertragungsfluid bei niedrigem
Dampfdruck zugeführt
wird, neigt es dazu, in der Region der zweiten Fläche zu verdampfen,
und absorbiert so aufgrund seiner latenten Wärme der Verdampfung die zusätzliche
Wärme davon.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung, und um zu zeigen, wie sie effektiv ausgeführt werden
kann, soll nun in beispielhafter Weise auf die begleitenden Figuren
bezuggenommen werden, wobei:
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1 eine
Schleuderscheibenvorrichtung in schematischer Form zeigt;
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2 eine
hohle Schleuderscheibe mit einem internen Fließweg für Wärmeübertragungsfluid zeigt;
-
3 eine
solide Schleuderscheibe mit Zulaufmitteln sowohl für einen
Reaktanden als auch ein Wärmeübertragungsfluid
zeigt;
-
4 ein
Detail einer Schleuderscheibe mit einer zentralen Mulde zeigt;
-
5 ein
Detail einer Schleuderscheibe mit einer ringförmigen Mulde zeigt; und
-
6 eine
Schleuderscheibe zeigt, die mit einem Drehlaufrad versehen ist.
-
1 zeigt
eine Schleuderscheibenvorrichtung der vorliegenden Erfindung. Die
Vorrichtung ist in einem Behälter 1 aufgenommen,
an dessen Achse eine Antriebswelle 2 vorgesehen ist, die
eine Schleuderscheibe 3 abstützt. Ein Zulaufmittel 4 führt der
Fläche 5 der
Scheibe 3 an ihrer Achse 6 einen Reaktanden zu.
Die Drehung der Scheibe 3 veranlaßt den Reaktanden, radial nach
außen
zu fließen,
wodurch er in Kontakt mit der Fläche 5 der
Schleuderscheibe 3 gelangt. Fluid sammelt sich an den Umfangskanten der
Scheibe 3 mit Hilfe einer Auffangmulde 7, und kann
schnell durch Kühlschlangen 8 abgeschreckt werden.
Eine Randleiste 9 verhindert ein meniskales Zurückdringen
von Fluid, das den Antriebswellenmechanismus beschädigt. Einlaßmittel 10 ermöglichen die
Bereitstellung gesteuerter Umgebungsbedingungen, beispielsweise
einer Stickstoffatmosphäre.
Auslassöffnungsmittel 11 ermöglichen
das Ablassen atmosphärischer
Gase oder Gase, die während
des Betriebs entstehen. Beobachtungsmittel sind mit Hilfe von Fenstern 12 bereitgestellt,
um den Fortschritt der Umsetzung zu beobachten.
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Die
Vorrichtung aus 1 kann wie in Beispiel 1 unten
beschrieben gestartet und betrieben werden. Für den Fall, daß der Prozeß eine exotherme
Umsetzung ist, können
Kühlschlangen 8 benutzt werden,
um das aufgefangene Produkt in der Mulde 7 abzuschrecken.
Die Schleuderscheibe 3 ist mit Wärmeschlangen (nicht dargestellt)
versehen, die benutzt werden können,
um die Umsetzung auszulösen
oder aufrechtzuerhalten. Die Scheibe 3 oder der Reaktorbehälter 1 können mit
einer Strahlungsquelle, einem Mittel zum Anlegen eines elektrischen
oder magnetischen Felds und ähnlichem,
wie oben beschrieben, an oder über
der Scheibenfläche 5 oder an
der Wand des Reaktorbehälters 1 versehen
sein.
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2 zeigt
eine hohle drehbare Scheibe 18 mit einer ersten äußeren Fläche 19 und
einer zweiten inneren Fläche 20,
die in thermischer Verbindung mit der ersten Fläche 19 steht. Die
Scheibe 18 ist an einer Antriebswelle mit hohlem Schaft 21 angebracht, die
dazu dient, die Scheibe 18 zu drehen. Ein Reaktand 15 wird über Zulaufmittel 4 einer
Mulde 13 in einem zentralen Teil der ersten Fläche 19 zugeführt, und
gelangt bei Drehung der Scheibe 18 in der Form eines Films 17 auf die
erste Fläche 19.
Eine Platte 22 ist in dem hohlen Inneren der Scheibe 18 vorgesehen,
um den Innenraum in einen ersten Raum 23 zwischen der Platte 22 und
der zweiten Fläche 20,
und einen zweiten Raum 24 zwischen der Platte 22 und einer
unteren Innenfläche 25 der
Scheibe 18 einzuteilen. Ein Wärmeübertragungsfluidrohr 26 ist
in der Antriebswelle mit hohlem Schaft 21 vorgesehen, und erstreckt
sich zu einer zentralen Öffnung 27 in
der Platte 22, wodurch das Wärmeübertragungsfluid in den ersten
Raum 23 eingebracht werden kann. Ein Umfangsspalt ist zwischen
dem Umfang der Platte 22 und der inneren Umfangsfläche der
Scheibe 18 vorgesehen, um einen Fließweg von dem ersten Raum 23 zu
dem zweiten Raum 24 zu begrenzen, und von dort zurück zu einer
Region in der Antriebswelle mit hohlem Schaft 21 außerhalb
des Wärmeübertragungsfluidrohrs 26.
Indem Wärmeübertragungsfluid über den
so begrenzten Fließweg
geführt
wird, ist es möglich,
die Temperatur der ersten Fläche 19 zu steuern,
auf der die Verarbeitung von Reaktand 15 stattfindet. Ein
wärmeleitendes
Netz 28 ist an der zweiten Fläche 20 angebracht,
und erstreckt sich in den ersten Raum 23, um den Wärmeübertragungsbereich
der zweiten Fläche 20 zu
vergrößern. Radiale
Schaufeln 29 sind an der Platte 22 vorgesehen,
um sie in den zweiten Raum 24 hinein zu verlängern, was
dazu beiträgt,
freie Wirbel zu zerstören,
die anderenfalls in dem Wärmeübertragungsfluid
erzeugt werden könnten,
und zu einem starken Druckabfall zwischen dem Eingang und dem Ausgang
des Wärmeübertragungsfluids
führen
können.
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3 zeigt
eine feste drehbare Scheibe 3 mit einer ersten Fläche 5 und
einer zweiten, gegenüberliegenden
Fläche 30,
wobei die Scheibe 3 an einer Antriebswelle 2 in
einem Gehäuse 31 angebracht ist.
Eine Mulde 14 ist zentral an der ersten Fläche 5 angeordnet,
und ist dazu angepaßt,
Reaktand 15 von einem Zulaufmittel 4 zu empfangen.
Wie im folgenden beschrieben, läuft
der Reaktand 15 bei Drehung der Scheibe 3 aus
der Mulde 14 über,
um auf der ersten Fläche 5 einen
Film 17 zu bilden. Der Reaktand 15 wandert über die
erste Fläche 5 zu
einer Umfangsregion, wo er von der ersten Fläche S in eine Auffangmulde 32 geschleudert
wird, die im Umfang der Scheibe 3 im Gehäuse 31 vorgesehen
ist. Eine zweite Mulde 33 ist an der zweiten Fläche 30 vorgesehen,
und es ist ein Zulaufmittel 34 vorgesehen, um der zweiten
Mulde 33 ein Wärmeübertragungsfluid 35 zuzuführen. Bei
Drehung der Scheibe 3 läuft
das Wärmeübertragungsfluid 35 auf
die zweite Fläche 30 über, und
wandert in ähnlicher
Weise darüber,
wie der Reaktand 15 auf der ersten Fläche 5. Da die Scheibe 3 aus
Metall hergestellt ist, und deshalb ein guter Wärmeleiter ist, bewirkt die
Wärmeübertragung von
der oder an die zweite Fläche 30 eine
Wärmeübertragung
von der oder an die erste Fläche 5.
Die Scheibe 3 ist mit einer Nut 36 gezeigt, die
sich um eine Umfangswand 37 der Scheibe erstreckt. Die Auffangmulde 32 erstreckt
sich um den gesamten Umfang der Scheibe 3 herum in die
Nut 36, wobei die Scheibe 3 trotzdem frei rotieren
kann, und verhindert so, daß der
Reaktand oder das Produkt, das von der ersten Fläche 5 geschleudert
wird, sich mit dem Wärmeübertragungsfluid 35 vermischt,
das von der zweiten Fläche 30 geschleudert
wird. Eine zweite Auffangmulde 38 dient dazu, Wärmeübertragungsfluid 35 zur
Rückführung aufzufangen.
Ein Dichtungsring oder eine Dichtung 39 ist vorgesehen,
wo die Antriebswelle 2 in das Gehäuse 31 eintritt, um
ein Austreten des Wärmeübertragungsfluids 35 zu
verhindern. Das Wärmeübertragungsfluids 35 kann
bei relativ niedrigem Druck als eine Flüssigkeit zugeführt werden,
oder ein relativ niedriger Dampfdruck kann in dem Reaktor aufrechterhalten
werden, um die Verdampfung zu fördern,
und dadurch zusätzliche
Wärme während des
Phasenwechsels von Flüssigkeit
zu Gas absorbieren.
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In 4 ist
eine axial angeordnete zentrale Mulde 14 gezeigt, die fortlaufend
ist und eine Wanne bildet, die an der Rotationsachse 6 der
rotierenden Fläche 5 einer
Scheibe 3 angeordnet ist. Eine Rotation veranlaßt einen
Reaktanden oder ein Wärmeübertragungsfluid
dazu, in die Wand zu fließen
und einen ringförmigen
Film 16 in der Mulde 14 zu bilden. Der ringförmige Film 16 läuft dann über auf
die Fläche 5 der
Scheibe 3, um einen Film 17 auf der Fläche 5 zu
bilden.
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In 5 ist
die Mulde 13 ringförmig,
und bildet einen Kanal, der um die Rotationsachse 6 der Scheibe 3 koaxial
ist. Eine Rotation, die durch das Muldenprofil unterstützt wird,
veranlaßt
den Reaktanden oder das Wärmeübertragungsfluid 15 dazu,
in die Mulde 13 und zu der Wand derselben zu fließen, und
einen ringförmigen
Film 16 in der Mulde 13 zu bilden, bevor er oder
es in der Form eines Films 17 auf die Fläche 5 der
Scheibe 3 überläuft.
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Beispiel 1 – Polymerisierung
von Ethylen unter Benutzung einer mit Katalysator beschichteten
Scheibe
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Die
Fläche
einer Schleuderscheibenvorrichtung wurde unter Benutzung von Verfahren,
wie sie zuvor beschrieben wurden, mit einem Phillips-Katalysator
beschichtet. Die beschichtete Scheibe wurde in einer Schleuderscheibenvorrichtung
angebracht.
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Die
benutzte Schleuderscheibenvorrichtung ist in schematischer Form
in 1 gezeigt. Die relevanten Hauptkomponenten sind:
- i) Obere Scheibe – Eine glatte Messingscheibe mit
einer Dicke von 17 mm und einem Durchmesser von 500 mm, die um eine
vertikale Achse drehbar ist.
- ii) Flüssigkeitsverteiler – Ein kreisförmiges Kupferrohr
mit einem Durchmesser von 100 mm, konzentrisch über der Scheibe angeordnet,
sprühte aus
50 gleichmäßig beabstandeten
Sprühöffnungen
an der Unterseite Fluid vertikal auf die Scheibenfläche. Die
Flußrate
wurde durch ein Ventil manuell gesteuert und überwacht, unter Benutzung eines
schwimmenden Rotameters der metrischen Größe 18 aus rostfreiem Stahl.
Eine typische Fluidflußrate
betrug 31,3 cc/s.
- iii) Motor – Ein
Gleichstrommotor mit variabler Geschwindigkeit, der bei 3000 rpm
rotieren konnte, wurde benutzt. Die Rotationsgeschwindigkeit wurde
unter Benutzung einer digitalen Steuerung variiert, die für Scheibengeschwindigkeiten
zwischen 0 und 1000 rpm kalibriert war. Eine typische Rotationsgeschwindigkeit
betrug 50 rpm.
- iv) Wärmestrahler – 3 Wärmestrahler
(die jeweils aus zwei Elementen bestanden) waren mit gleichem Abstand
unter der Scheibe angeordnet und versorgten die Scheibe mit Wärme. Die
Temperatur wurde unter Benutzung einer Temperatursteuerung für jeden
Wärmestrahler
variiert. Jede Strahlertemperatur konnte bis zu 400°C gesteuert werden.
Triacregler wurden benutzt, um die Geschwindigkeit der Steuerungsantwort
zu steuern. (Diese blieben bei allen Tests in der Einstellung 10.)
- v) Thermoelemente und Datenabtaster – Thermoelemente des Typs 16
K, die in der oberen Scheibe eingebettet waren, stellten eine Anzeige
des Flächentemperaturprofils
entlang dem Scheibenradius bereit. Ungerade numerierte Thermoelemente
1 bis einschließlich
15 wurden von unterhalb der Scheibe bis zu einem Abstand von 3 mm von
der Scheibenoberfläche
eingebettet. Gerade numerierte Thermoelemente 2 bis einschließlich 16
wurden von unterhalb der Scheibe bis zu einem Abstand von 10 mm
von der Scheibenoberfläche
eingebettet. Jedes Paar von Thermoelementen, z.B. 1 und 2, 3 und
4, 5 und 6 usw., war jeweils benachbart mit radialen Abständen von
85 mm, 95 mm, 110 mm, 128 mm, 150 mm, 175 mm, 205 mm bzw. 245 mm
eingebettet (siehe 3). Die Thermoelemente waren
mit dem Datenabtaster verbunden, der in eingestellten Intervallen
unter Benutzung des Konfigurierungs- und Überwachungssoftwarepakets DALITE
die Daten an den PC übertrug
und erfaßte.
- vi) Manuelles Thermoelement – Ein Handthermoelement des
Typs K wurde benutzt, um die Fluidmassetemperatur auf der Scheibenoberseite
zu messen.
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Die
Anlage wurde in zwei Anordnungen benutzt. In einer Anordnung wurde
ständig
eine Zufuhr hinzugefügt,
und das erwärmte
Produkt wurde zu der Auffangmulde geleitet. In einer alternativen
Anordnung wurde die Anlage mit einer Rückführung ausgestattet.
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Die
Schleuderscheibenvorrichtung aus 1 wurde
gestartet, und die Temperatur und die Rotationsgeschwindigkeit wurden
eingestellt. Als ein stabiler Zustand erreicht war, wurde gasförmiges Ethylen
der sich drehenden, mit Katalysator beschichteten Scheibe an ihrer
Achse zugeführt.
Eine Analyse zeigte, daß das
Produkt hochgradiges Polyethylen war.
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6 zeigt
eine Schleuderscheibe 3 mit einer Fläche 3, die an einer
Antriebswelle 2 in einem Behälter 1 angeordnet
ist, und mit einer Zufuhr 4 eines Reaktanden in der Flüssigphase
versorgt wird, wie z.B. einem organischen Präpolymer. Ein Drehlaufrad 70 ist
koaxial zu der Scheibe 3 und nahe der Fläche 5 angebracht,
und eine Fläche 71 des Laufrads 70,
die der Fläche 5 zugewandt
ist, ist mit Schaufeln 72 ausgestattet. Ein Reaktand in
der Gasphase, wie z.B. Stickstoff, wird durch einen Einlaß 10 dem
Behälter 1 zugeführt. Bei
Rotation der Scheibe 3 bewegt sich der Flüssigpha senreaktand
von dem Zentrum der Fläche 5 zu
ihrem Umfang, wie oben beschrieben. Wenn das Laufrad 70 in
geeigneter Weise auf einer Antriebswelle 74 gedreht wird,
wird der Gasphasenreaktand in den Raum 73 zwischen dem Laufrad 70 und
der Fläche 5 gesaugt,
und bewegt sich in Richtung des Zentrums der Fläche 5, entgegen dem
Fluß des
Flüssigphasenreaktanden,
und verbessert so die Masse- und/oder Wärmeübertragungskennlinien. Der
Gasphasenreaktand und unerwünschte
Reaktionsnebenprodukte können
von der zentralen Region des Raums 73 durch ein Ablaßrohr entfernt
werden, auf das wenigstens ein Teilvakuum angewandt werden kann.
Eine Teildichtung 76 in dem Ablaßrohr 75 kann vorgesehen
sein, um die Rate der Entfernung des Gasphasenreaktanden und des
Nebenprodukts zu steuern.
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Weitere
Vorteile der Erfindung gehen aus den vorangegangenen Erläuterungen
hervor.