PhotoFlowReactor

Konzept

Die für eine photochemische Reaktion notwendige Photonenmenge ist direkt proportional zur Menge des von der Strahlung erreichten Ausgangskomponente. Zusätzliche Photonen werden benötigt, um den Absorptionsverlust beim Durchgang durch das Material der Lampe, den Reaktor und Flüssigkeiten wie z.B. das Lösungsmittel zu kompensieren.  Mit Durchflussreaktoren kann der Weg der Strahlung durch die Flüssigkeit kurz und damit die Absorption gering gehalten werden, so dass sie effizienter sind als Rührreaktoren. Der PhotoFlowReaktor besteht aus einer zylindrischen Tauchlampe, die in einem zylindrischen, schlanken Rohr installiert ist, so dass ein Ringspalt erzeugt wird. Das Reaktionsmedium strömt durch diesen Ringspalt der nur einen kurzen Weg für die Strahlung darstellt. Diese Grundkonstruktion ist im Labormaßstab bekannt. De Dietrich Process System hat dieses Konzept zusammen mit PESCHL Ultraviolet GmbH in den Produktionsmaßstab, den PhotoFlowReactor, übertragen.

Funktion

Der PhotoFlowReactor ist ein Strömungsrohrreaktor für photochemische Reaktionen in einer flüssigen Phase mit der Möglichkeit, ein Reaktionsgas am Einlass zu dispergieren. Die Photoreaktionen können zwischen -30 bis +100°C bei bis zu + 1 barg durchgeführt werden. Der maximale hydraulische Durchfluss liegt weit über 20m³/h, so dass der maximale Durchfluss im Betrieb durch die für die Reaktion erforderliche Mindestverweilzeit bestimmt wird. Der PhotoFlowReactor ist für verschiedene direkt bestrahlte Reaktorvolumina von bis zu 150l standardisiert worden. 
Der kontinuierliche PhotoFlowReactor erlaubt eine wesentlich engere Verweilzeitverteilung als ein kontinuierlicher Rührreaktor, so dass eine höhere Selektivität realisiert werden kann.
PhotoFlowReactoren können in Reihe geschaltet werden, um die Verweilzeit zu erhöhen, oder parallel geschaltet werden, um den Durchsatz zu steigern. Als solche können sie im vollkontinuierlichen Betrieb oder im Batch-Betrieb als Seitenschlaufenreaktoren betrieben werden.

Technische Beschreibung

Die Starhlungsquellen von PESCHL Ultraviolett GmbH bieten Leistungen von bis zu 60kW an. Sie verfügen über eine interne Stickstoffspülung, um entzündliche Atmosphären im Inneren der Lampe zu vermeiden (1). Obwohl die Lampen sehr effizient sind, erzeugen sie eine nicht unerhebliche Abwärme. Heiße Oberflächen in der Reaktionsflüssigkeit können zu chemischer Zersetzung führen und die Temperatur des Reaktionsgemisches auf ein unerwünschtes Niveau erhöhen. Um solche heißen Oberflächen zu vermeiden, hat die Tauchlampe einen Kühlmantel (2), der an einen externen Kühlkreislauf mit einem maximalen Druck von +1,5 barg angeschlossen ist. Um den Kühlmantel von der Reaktionsflüssigkeit zu isolieren, kann ein zusätzlicher Mantel (3), der entweder evakuiert oder mit einem Gas wie Stickstoff mit bis zu +2 barg befüllt ist, hinzugefügt werden. Die Verwendung anderer Gase erlaubt es, Strahlung mit unerwünschten Wellenlängen zu absorbieren. Dementsprechend muss die Strahlung unter Umständen bis zu 3 Glaswände passieren, deren Absorption  berücksichtigt werden muss. Borosilikatglas 3.3 ist gemäss untenstehender Grafik für VIS und UV (A und B) transparent. Quarzglas hat einen erhöhten Transparenzbereich bis hinunter zu UV (C) 0,2µm. Daher wird im Falle der Anwendung von VUV-Strahlung - UV (B und C) - Quarzglas verwendet.

Der QVF® SUPRA-Line Glasreaktor ist im Prinzip ein Rohr(4) mit einem äußeren evakuierten und silberbeschichteten Isoliermantel(5), der die Strahlung zurück ins Innere reflektiert. Das direkt bestrahlte Reaktionsvolumen ist eine Funktion des Ringspalts zwischen der Innenwand des Reaktorrohrs (4) und der Außenwand des Mantels (2) oder (3). Je höher die Absorptionsrate der Flüssigkeit ist, desto kleiner sollte der Ringspalt sein. Ein kleinerer Ringspalt bedeutet auch ein kleineres Reaktionsvolumen.
Eine optionale Gasdispersionsstrecke am Einlass des PhotoFlowReaktors ermöglicht einen hervorragenden Stoffaustausch für Gas/Flüssigkeitsreaktionen mit Hilfe der DURAPACK® Packung.
Die Glasanschlüsse für Prozessmedien und Instrumente sind QVF® SUPRA-Flansche. Die Metallflanschanschlüsse für die Versorgungsleitungen sind nach DIN oder ANSI ausgeführt. Der PhotoFlowReaktor mit der maximalen Kapazität hat eine Höhe von ca. 3 m und benötigt eine zusätzliche Höhe für dessen Wartung von weiteren 4 m.