DE3545746A1 - Process for intensifying hydrolysis reactions and apparatus for carrying out the process - Google Patents

Abstract

To intensify hydrolysis reactions it is proposed that the raw material suspended in water be, after heating to the vicinity of the boiling point of water, mechanically disrupted in a subsequent forced explosive formation of cavitation bubbles and subsequently subjected to a strong hydrolysis with a forced sudden condensation of cavitation bubbles. An apparatus for carrying out the process is proposed and is provided with a channel system (3, 4; 13, 14, 15, 16) which can be fed with the aid of a pump and which has alternate pressure-lowering and pressure-raising components for conveying raw materials which are dispersed in water, are thermally degradable, contain water or can be impregnated with water and are of the nature of hemicellulose and cellulose. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Intensivierung von Hydrolysreaktionen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for intensification of hydrolysis reactions according to the generic term of claim 1 and a device for performing this procedure.

Die DE-34 28 661 A1 beschreibt ein Verfahren zur Hydrolyse von zerkleinerter, in einem Lösungsmittel angemaischter ligno-cellulosehaltiger Biomasse bei erhöhten Drücken und Temperaturen, wobei in bekannter Dispergerreaktoren die Hemicellulose zu Pentose und die Cellulose zu Hexose abgebaut werden. Die Wirkung des Dispergerreaktors soll darin bestehen, daß beim Durchgang durch feststehende und rotierende Strömungskanäle in der zu verarbeitenden Suspension Kompressions- und Dekompressionswellen sowie Scherkräfte und Kantenprallkräfte auftreten, die einen mechanischen Aufschluß der Biomasse durch Oberflächenvergrößerung bewirken. Auch eine "gezielte, kontrollierte Mikrokavitation" wird als Ursache für verbesserte Hydrolyse gennant. Die Anwendung des vorbeschriebenen Prozesses brachte jedoch nur unbefriedigende Ergebnisse, so daß es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Intensivierung von Hydrolysereaktionen anzugeben, das unter wirtschaftlicheren Bedingungen zu den gewünschten Endprodukten führt. Desgleichen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, geeignete Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben. DE-34 28 661 A1 describes a method for Hydrolysis of crushed, in a solvent mashed ligno-cellulose-containing biomass elevated pressures and temperatures, being known in Disperger reactors to pentose and hemicellulose the cellulose is broken down into hexose. The effect the Dispergerreactor should consist in that at Passage through fixed and rotating flow channels in the suspension to be processed compression and decompression waves as well as shear forces and edge impact forces occur that a mechanical Digestion of the biomass by enlarging the surface cause. Also a "targeted, controlled Microcavitation is considered to be the cause of improved Called hydrolysis. The application of the above Process, however, brought only unsatisfactory results, so that it is an object of the present invention a method for intensifying hydrolysis reactions specify that under more economical conditions leads to the desired end products. The same it is an object of the present invention suitable devices for performing this method specify.  

Diese Aufgabe wird durch das in den Ansprüchen 1 bis 8 beschriebene Verfahren und die in den Ansprüchen 9 bis 22 beschriebene Vorrichtung gelöst.This object is achieved by the in claims 1 to 8 described method and that in claims 9 to 22 described device solved.

Die bisher bekannten und in der DE-34 28 661 A1 beschriebenen Dispergerreaktoren sind zur Erzeugung von Prall- und Scherkräften konstruiert, um dispergierte Partikelagglomerate, z. B. Pigmentklümpchen in Wasser, oder Zweitphasentröpfchen, z. B. Öl in Wasser, zu kleineren Disperseinheiten zu reduzieren. Die Prall- und Schereffekte ergeben sich bei der Durchströmung konzentrierter Düsenkranzpaare, von denen jeweils ein Kranz wie das Laufrad einer Kreiselpumpe um die Achse rotiert, während der andere Kranz wie das Leitrad einer Kreiselpumpe stillsteht. Die Strömungswege sind als radiale Nutungen oder Lochungen in den Kränzen ausgeführt und machen nur einen kleinen Teil der gesamten Kranzumfangsfläche aus. Die Nutungen und Lochungen weisen einen konstanten Querschnitt auf, wobei letzterer in radialer Richtung gesehen von Kranz zu Kranz abnimmt, entsprechend der gewünschten Verkleinerung der Disperseinheiten. Wegen der radialen Orientierung der Nutungen oder Lochungen liegen die Wände der Strömungskanäle nicht tangential zur jeweils eintretenden Strömung, was starke Richtungsänderungen erzwingt. Diese Richtungsänderungen bewirken, daß im flüssigen Medium suspendierte spezifisch schwerere Feststoffe ähnlich den im Gasstrom einer Stiftmühle mitgenommenen Feststoffen durch Trägheitskräfte relativ zur Flüssigkeit bewegt auf die Wandungen aufprallen, wobei Partikelagglomerate zerfallen. Durch die in den äußeren Kränzen zunehmend verminderte Größe der Nutungen oder Lochungen ergeben sich zudem Spalt- oder Kapilarströmungen mit hohem Geschwindigkeitsgefälle zwischen Mitte und Wand, so daß Flüssigkeitstropfen durch Scherkräfte zerkleinert werden. Nur ausnahmsweise kann in solchen Maschinen Kavitation auftreten, nämlich dann, wenn das Strömungsmedium vor Eintritt in den Rotor bis nahe an den Siedepunkt erhitzt wurde und/oder wenn der Durchsatz so groß ist, daß lokale Geschwindigkeitserhöhungen zur Unterschreitung des Dampfdruckes führen. Kavitation in solchen Maschinen tritt ebenso wie in Kreiselpumpen vornehmlich wenn nicht ausschließlich an den Wandungen der Strömungskanäle auf und ist daher auf einen sehr kleinen Volumenanteil der insgesamt strömenden Masse beschränkt. Nach der vorliegenden Erfindung wird Kavitation gezielt auf das ganze Volumen der strömenden Masse erstreckt. Der Grund dafür ist die Erkenntnis, daß die in der DE-34 28 661 A1 für den Dispergerreaktor genannten Kompressionswellen, Dekompressionswellen, Scherkräfte und Kantenprallkräfte zwar tatsächlich auftreten aber keinerlei chemische Effekte erbringen. Demgegenüber ist aber Kavitation zu sehr bedeutsamen chemischen Effekten befähigt. Das soll erläutert werden. Die Kondensationswärme ist potentielle Energie der Dampfmoleküle gegenüber dem flüssigen Zustand. Die Kondensation kann daher mit dem Fallen einer Masse im Gravitationsfeld der Erde verglichen werden, wobei modellmäßig die Gegebenheiten so zu wählen sind, daß bei Aufprall der Masse auf die Erde die aus der potentiellen Energie entstandene kinetische Energie gänzlich in Wärme verwandelt wird. Haben Masse und Aufprallgebiet vorher die gleiche Temperatur, so werden nach dem Aufprall beide eine höhere Temperatur aufweisen. Analog wird auch bei der Kondensation nach dem Aufprall eines Dampfmoleküls das Aufprallgebiet zunächst höhere Schwingungsamplituden (eine höhere "Temperatur") aufweisen als vor dem Aufprall, ehe diese Schwingungsenergie an die Umgebung weitergegeben wird. Während also makroskopisch die Kondensation bekanntlich als isothermer Vorgang behandelt wird, ist sie mikroskopisch mit lokaler Schwingungsanregung ("Temperaturerhöhung") verbunden, und diese lokale Schwingungsanregung kann sogar sehr groß sein, wenn sich die aus der potentiellen Energie hervorgegangene kinetische Energie eines kondensierenden Moleküls auf ein einzelnes Aufprallatom konzentriert. Dazu ein Beispiel:The previously known and described in DE-34 28 661 A1 Disperger reactors are used to generate Impact and shear forces designed to disperse Particle agglomerates, e.g. B. lumps of pigment in water, or second phase droplets, e.g. B. Oil in water, too small Reduce dispersing units. The impact and Shear effects are more concentrated when flowing through Nozzle ring pairs, one of each Wreath around the axis like the impeller of a centrifugal pump rotates while the other ring like the idler a centrifugal pump stops. The flow paths are as radial grooves or perforations in the wreaths executed and only make up a small part of the total Circumferential surface. The grooves and perforations have a constant cross-section, whereby the latter seen in the radial direction from the rim Wreath decreases, according to the desired reduction of the dispersing units. Because of the radial orientation the walls of the grooves or perforations lie the flow channels are not tangent to the entering Flow, causing strong changes in direction enforces. These changes in direction cause that in liquid medium suspended specifically heavier Solids similar to those in the gas flow of a pin mill entrained solids relative to inertia bouncing to the liquid moving on the walls, whereby particle agglomerates disintegrate. By in the outer wreaths increasingly reduced size of the groovings or perforations also arise gap or Capillary flows with a high speed gradient between center and wall, so that liquid drops be crushed by shear forces. Exceptionally only  cavitation can occur in such machines, namely if the flow medium before entry in the rotor was heated to close to the boiling point and / or if the throughput is so large that local Speed increases to fall below the Vapor pressure. Cavitation in such machines As in centrifugal pumps, it mainly occurs when not only on the walls of the flow channels on and is therefore on a very small volume fraction the total flowing mass is limited. According to the present invention, cavitation is targeted extends to the entire volume of the flowing mass. The reason for this is the realization that the in DE-34 28 661 A1 for the Disperger reactor Compression waves, decompression waves, shear forces and edge impact forces actually occur have no chemical effects. In contrast but cavitation is very important chemical Effects enabled. That should be explained. The Heat of condensation is potential energy of the steam molecules compared to the liquid state. The condensation can therefore fall with a mass in Gravitational field of the earth can be compared, whereby the conditions of the model are to be chosen so that in the event of the impact of the mass on the earth from the potential Energy created kinetic energy is completely transformed into heat. Have bulk and Impact area previously the same temperature, so both become a higher temperature after the impact exhibit. The same applies to the condensation the impact area of a steam molecule initially higher vibration amplitudes (a higher "Temperature") than before impact, before this vibrational energy is passed on to the environment becomes. So while macroscopically known the condensation  is treated as an isothermal process, it is microscopic with local vibration excitation ("Increase in temperature") connected, and this local vibration excitation can even be very large when the one arising from the potential energy kinetic energy of a condensing Molecule focused on a single impact atom. Here is an example:

Die gesamte Wärmeenergie von flüssigem Wasser bei 200°C beträgt 0,813 × 10^-23 kcal pro Molekül, während sich die Kondensationsenergie bei 200°C auf 1,385 × 10^-23 kcal pro Molekül beläuft. Mit einer spezifischen Wärme von etwa 1,1 kcal pro kg und 0°C = 3,28 × 10^-26 kcal pro Molekül und °C errechnet sich daraus, daß beim Zusammenfallen von Kavitationsblasen in Wasser von 200°C lokale Molekülschwingungen auftreten, die einer um 422°C höheren Temperatur entsprechen. Dabei ist es für chemische Wirkungen belanglos, daß solche extremen Molekülschwingungen nur für extrem kurze Zeit existieren, ehe ihre Energie durch Relaxation an umgebende Moleküle übergeht. Die Überschußenergie des hochgradig angeregten Zustands kann im Sinne der bekannten Aktivierungsenergie die Auflösung chemischer Reaktionen bewirken, welche ohne solche Energiezufuhr praktisch gar nicht oder auf der Basis Boltzmannscher Energieverteilung nur in äußerst geringem Umfang ablaufen würden.The total heat energy of liquid water at 200 ° C is 0.813 × 10 ^-23 kcal per molecule, while the condensation energy at 200 ° C is 1.385 × 10 ^-23 kcal per molecule. With a specific heat of about 1.1 kcal per kg and 0 ° C = 3.28 × 10 ^-26 kcal per molecule and ° C, it is calculated that local molecular vibrations occur when cavitation bubbles collapse in water at 200 ° C correspond to a temperature which is 422 ° C higher. It is irrelevant for chemical effects that such extreme molecular vibrations only exist for an extremely short time before their energy is transferred to the surrounding molecules through relaxation. The excess energy of the highly excited state can, in the sense of the known activation energy, bring about the resolution of chemical reactions which would practically not take place without such an energy supply or would only take place to an extremely small extent on the basis of Boltzmann energy distribution.

Für die Hydrolyse ligno-cellulosehaltiger Biomasse interessieren in erster Linie die folgenden zwei Reaktionen:For the hydrolysis of ligno-cellulose-containing biomass are primarily interested in the following two Reactions:

(a) Hydrolyse von Xylan (Hemicellulose):
(C₅H₈O₄) _n + nH₂O → nC₅H₁₀O₅ (a) Hydrolysis of xylan (hemicellulose):
(C ₅ H ₈ O ₄ ) _n + n H ₂ O → n C ₅ H ₁₀ O ₅

(b) Hydrolyse von Cellulose:
(C_6tH₁₀O₅) _n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆ (b) Cellulose hydrolysis:
(C _6t H ₁₀ O ₅ ) _n + n H ₂ O → n C ₆ H ₁₂ O ₆

Beide Reaktionen beinhalten in völlig analoger Weise ein durch Wasserlagerung bewirktes Aufbrechen der Ätherbrücken (Sauerstoffbrücken), durch welche die aus fünf C-Atomen und einem Sauerstoffatom gebildeten Grundstrukturringe miteinander verbunden sind. Der Bruch erfolgt immer am C-Atom (1) der Ringe, weil dort die Elektronendichte am geringsten ist. Der einzige Unterschied zwischen den Reaktionen (a) und (b) liegt in der Tatsache, das reale Hemicellulose von der Xylankette insofern abweicht, als an den C-Atomen (1) anstelle von Wasserstoff Acetyl- oder Formylgruppen hängen, was die Polarität dieser C-Atome vergrößert und daher die Hydrolyse erleichtert. Praktisch wirkt sich das so aus, daß beim Autoklavieren mit Wasser die Hemicellulose schon bei etwa 180°C hydrolysiert, während Cellulose etwa 270°C erfordert. Die Temperatur spielt also eine entscheidene Rolle. Gegen diesen Hintergrund läßt sich verstehen, wieso durch Kavitation erzeugte lokale Anregungszustände, die, wenn auch nur sehr kurzzeitig, lokal stark erhöhten "Temperaturen" entsprechen, durchaus Hydrolysereaktionen bewirken können, die bei der nominellen Reaktionstemperatur eigentlich noch gar nicht ablaufen dürften. Natürlich existieren die lokalen Anregungszustände primär im Wasser, aber das schließt nicht aus, daß in diesem suspendierte Biomasse in die Wirkungssphäre der Anregungszustände einbezogen wird, zumal dann, wenn Grenzflächeneffekte eine Kavitation an den Feststoffoberflächen begünstigen.In a completely analogous manner, both reactions involve breaking up the ether bridges (oxygen bridges) caused by water storage, by means of which the basic structure rings formed from five carbon atoms and one oxygen atom are connected to one another. The break always occurs at the C atom ( 1 ) of the rings because the electron density is lowest there. The only difference between reactions (a) and (b) lies in the fact that real hemicellulose deviates from the xylan chain in that acetyl or formyl groups are attached to the carbon atoms ( 1 ) instead of hydrogen, which affects the polarity of these C -Atoms enlarged and therefore the hydrolysis facilitated. In practice, this has the effect that when autoclaved with water, the hemicellulose already hydrolyzes at about 180 ° C, while cellulose requires about 270 ° C. So temperature plays a crucial role. Against this background, it can be understood why local excitation states generated by cavitation, which, even if only for a very short time, correspond to greatly increased "temperatures" locally, can certainly cause hydrolysis reactions which should not actually take place at the nominal reaction temperature. Of course, the local excitation states exist primarily in water, but that does not exclude that suspended biomass is included in the sphere of activity of the excitation states, especially when interface effects favor cavitation on the solid surfaces.

Kavitation läßt sich nach einer Weiterbildung der Erfindung erzeugen, wenn man eine Flüssigkeit durch eine Engpaßstrecke drückt und dafür sorgt, daß durch den Geschwindigkeitsanstieg im Engpaß der Druck unter den Dampfdruck absinkt. Unter dieser Voraussetzung bilden sich Dampfblasen. Dieser Prozeß läßt sich durch Beheizung der Engpaßstrecke unterstützen. Wird die Flüssigkeit mit ihren Dampfblasen dann anschließend in eine Querschnittserweiterung geleitet, steigt der Druck wieder an, so daß die Kavitaionsblasen durch Kondensation zusammenfallen. Dieser Teilprozeß wird durch eine Kühlung der Querschnittserweiterung unterstützt.
Zur Erleichterung der Kavitationsblasenbildung kann die Flüssigkeit vor Eintritt in die Engpaßstrecke mit einem nicht kondensierenden Gas (z. B. Luft) gesättigt werden. Bei der Druckabsenkung in der Engpaßstrecke werden dann winzige Gasblasen freigesetzt, die als Kavitationskeime dienen.
Mechanisch fundamental anders läßt sich eine Drucksenkung in einer Flüssigkeit durch ein Zentrifugalfeld erzeugen, wenn man die Flüssigkeit mit einer Hilfspumpe so in ein Rotorsystem einspeist, daß sich eine Strömung entgegen der Zentrifugalbeschleunigung ergibt (Umkehrung der Kreiselpumpe). Auch dieses Verfahren kann zur Erzeugung von Kavitation herangezogen werden.According to a further development of the invention, cavitation can be generated if a liquid is pressed through a bottleneck section and ensures that the pressure drops below the vapor pressure due to the speed increase in the bottleneck. Under this condition, vapor bubbles form. This process can be supported by heating the bottleneck section. If the liquid with its vapor bubbles is then passed into a cross-sectional widening, the pressure rises again, so that the cavitation bubbles collapse due to condensation. This sub-process is supported by cooling the cross-sectional expansion.
To facilitate the formation of cavitation bubbles, the liquid can be saturated with a non-condensing gas (e.g. air) before entering the bottleneck section. When the pressure in the bottleneck is reduced, tiny gas bubbles are released that serve as cavitation nuclei.
A pressure drop in a liquid can be generated fundamentally differently by means of a centrifugal field if the liquid is fed into a rotor system with an auxiliary pump in such a way that there is a flow counter to the centrifugal acceleration (reversal of the centrifugal pump). This method can also be used to generate cavitation.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, mit Hilfe der genannten Prinzipien die Hydrolyse von lignocellulosehaltiger Biomasse zu intensivieren, indem durch Kavitationserzeugung im ganzen Volumen des Reaktionsmediums die bei der Kondensation von Kavitationsblasen entstehenden lokalen Anregungszustände zur Auslösung von Kettenbruchreaktionen genutzt werden.Dieser neue Prozeß sei als "Kavitationshydrolyse" bezeichnet, und dementsprechend werden die dafür konzipierten Apparate als "Kavitationsreaktoren" eingeführt. The object of the present invention is to help of the principles mentioned the hydrolysis of lignocellulose-containing Intensify biomass by by generating cavitation in the entire volume of the reaction medium that in the condensation of cavitation bubbles emerging local excitation states for triggering used by chain break reactions new process is called "cavitation hydrolysis", and accordingly, those designed for it Apparatus introduced as "cavitation reactors".  

In Anlehnung an die genannten Möglichkeiten der Kavitationserzeugung kann das Verfahren in einer linearen oder radialen Folge von Engpaßstrecken bestehen oder in einer rotierenden Maschine realisiert werden.Based on the possibilities of Cavitation can be generated in a process linear or radial sequence of bottlenecks exist or realized in a rotating machine will.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:Embodiments of the invention are in the drawings shown. Show it:

Fig. 1 einen Kavitationsreaktor in linearer Ausführungsform, Fig. 1 is a cavitation reactor in a linear embodiment,

Fig. 2 einen Kavitationsreaktor in radialer Ausführungsform, Fig. 2 is a cavitation reactor in the radial embodiment,

Fig. 3 einen rotierenden Kavitationsreaktor und Fig. 3 is a rotating cavitation reactor and

Fig. 4 einen rotierenden Kavitationsreaktor, in dem Pumpe und Reaktor zu einem Kompaktaggregat vereinigt sind. Fig. 4 shows a rotating cavitation reactor in which the pump and reactor are combined to form a compact unit.

Die in Fig. 1 dargestellte lineare Ausführungsform der Erfindung besteht aus einer Vielzahl hintereinander geschalteter, mit Bolzen 2 zusammengehaltener Plattenpaare 1, 7 welche durch korrespondierende Bohrungen mit gemeinsamer Achse 5 einen Kanal bilden, der eine Folge von Querschnittsverengungen 3 und Querschnittserweiterungen 4 aufweist. Die Querschnittsverengungen bildenden und daher drucksenkenden Bauelemente, hier die Platten 1, sind mittels einer Induktionsspule 6 beheizt, während die Platten 7, die mit ihren Querschnittserweiterungen drucksteigernde Bauelemente darstellen, mittels einer Wasserzuführungsleitung 8 und einer Wasserabführungsleitung 8′ gekühlt werden. Die beheitzten Platten 1 und die gekühlten Platten 7 sind durch einen Wärmeisolator 9 thermisch gegeneinander isoliert.The linear embodiment of the invention shown in FIG. 1 consists of a plurality of plate pairs 1, 7, which are connected in series and held together by bolts 2 and which, through corresponding bores with a common axis 5, form a channel which has a sequence of cross-sectional constrictions 3 and cross-sectional widenings 4 . The cross-sectional constrictions and therefore pressure-reducing components, here the plates 1 , are heated by an induction coil 6 , while the plates 7 , which represent pressure-increasing components with their cross-sectional expansions, are cooled by means of a water supply line 8 and a water discharge line 8 ' . The heated plates 1 and the cooled plates 7 are thermally insulated from one another by a heat insulator 9 .

Die dargestellte Vorrichtung arbeitet wie folgt: The device shown works as follows:  

Mit Hilfe einer nicht dargestellten Pumpe wird das Reaktionsgemisch über einen ebenfalls nicht dargestellten vorgeschalteten Erhitzer mit hoher Geschwindigkeit durch den aus Bauelementen 3 und 4 gebildeten Kanal gedrückt. Druck, Geschwindigkeit und Temperatur des Reaktionsgemisches sind so gewählt, daß beim Eintritt des letzteren in die Querschnittsverengungen 3 durch Erhöhung der Geschwindigkeit der Druck unter den Dampfdruck fällt, so daß Kavitation auftritt. Beim anschließenden Durchströmen der Querschnittserweiterungen 4 steigt der Druck wieder an, so daß die Kavitationsblasen durch Kondensation zusammenfallen und dabei die gewünschten hochgradig angeregten Lokalzustände erzeugen. Verdampfung und Kondensation werden durch die Beheizung und Kühlung intensiviert. Der Vorgang wiederholt sich in jedem Plattenpaar. Zur Erleichterung der Kavitationsblasenbildung kann das Reaktionsgemisch vor seinem Eintritt in den Kanal mit einem geeigneten Gas gesättigt werden. Wie eingangs ausgeführt wurde, hat das zur Folge, daß bei der Druckabsenkung in den Querschnittsverengungen winzige Gasblasen freigesetzt werden, die als Kavitationskeime dienen.With the help of a pump, not shown, the reaction mixture is pressed at high speed through an upstream heater, also not shown, through the channel formed by components 3 and 4 . Pressure, speed and temperature of the reaction mixture are selected so that when the latter enters the cross-sectional constrictions 3 , the pressure drops below the vapor pressure by increasing the speed, so that cavitation occurs. When the cross-sectional expansions 4 subsequently flow through, the pressure rises again, so that the cavitation bubbles collapse through condensation and thereby generate the desired highly excited local states. Evaporation and condensation are intensified by heating and cooling. The process is repeated in each pair of plates. To facilitate the formation of cavitation bubbles, the reaction mixture can be saturated with a suitable gas before it enters the channel. As stated at the beginning, the consequence of this is that when the pressure is reduced in the cross-sectional constrictions, tiny gas bubbles are released which serve as cavitation nuclei.

Wegen der Axialsymmetrie der Strömungskanäle des in Fig. 1 dargestellten Reaktors läßt sich nach einer Weiterbildung der Erfindung eine Beschädigung der Wandungen vermeiden, indem man der Reaktionsmischung eine in dieser nicht lösliche, eine höhere Dichte als Wasser aufweisende, thermisch stabile und hoch siedende Hilfsflüssigkeit zugibt. Durch Drallgebung vor dem Einströmen in die Engpaßstrecken entsteht dann auf den inneren Kanalwandungen infolge von Zentrifugaleffekten ein wasser- und rohstofffreier Film der hoch siedenden und daher nicht kavitierenden Hilfsflüssigkeit, so daß die Wandungen vor Kavitationsschäden geschützt sind.Because of the axial symmetry of the flow channels of the reactor shown in FIG. 1, damage to the walls can be avoided according to a further development of the invention by adding to the reaction mixture a thermally stable and high-boiling auxiliary liquid which is insoluble in it and has a higher density than water. By swirling before flowing into the bottleneck sections, a water- and raw material-free film of the high-boiling and therefore non-cavitating auxiliary liquid is formed on the inner channel walls as a result of centrifugal effects, so that the walls are protected from cavitation damage.

Die Erfindung kann auch in radialer Ausführungsform realisiert werden, wie das schematisch in Fig. 2 dargestellt ist.The invention can also be implemented in a radial embodiment, as is shown schematically in FIG. 2.

Das am Flansch 11 eintretende, bis nahe an den Siedepunkt vorerhitzte Reaktionsgemisch strömt über die Vorkammer 12 in die Kranzpaare 13, 14 und 15, 16. Jedes Kranzpaar besteht aus einem viele Querschnittsverengungen bildenden beheizten Kranz und einem viele korrespondierende Querschnittserweiterungen bildenden gekühlten Kranz. Die beheizten und gekühlten Kränze sind durch kleine Spalte 30 voneinander getrennt und daher weitgehend thermisch isoliert. Die Anzahl der Kranzpaare ist natürlich nicht auf zwei beschränkt, sondern wird so hoch wie praktisch wünschenswert gewählt. Die Kränze 13 und 15 sind Teile eines Metallkörpers, der durch die Induktionsspule 17 beheizt wird. Die Kränze 14 und 16 sind Teile eines gekühlten Metallkörpers. Durch die Flansche 18 und 19 tritt Wasser ein, das in dem flachen zylindrischen Raum 10 verdampft und so dem System Wärme entzieht. Der gebildete Dampf tritt über Flansch 21 aus. Das Reaktionsgemisch verläßt den Apparat über die Flansche 22 und 23. Es versteht sich, daß die Beheizung und Kühlung auch auf andere Art und Weise realisiert werden können.The reaction mixture entering the flange 11 and preheated to close to the boiling point flows via the antechamber 12 into the ring pairs 13, 14 and 15, 16 . Each pair of wreaths consists of a heated wreath that forms many cross-sectional constrictions and a cooled wreath that forms many corresponding cross-sectional expansions. The heated and cooled wreaths are separated from one another by small gaps 30 and are therefore largely thermally insulated. The number of pairs of wreaths is of course not limited to two, but is chosen to be as high as practically desirable. The rings 13 and 15 are parts of a metal body which is heated by the induction coil 17 . The rings 14 and 16 are parts of a cooled metal body. Water enters through the flanges 18 and 19 , which evaporates in the flat cylindrical space 10 and thus extracts heat from the system. The steam formed exits via flange 21 . The reaction mixture leaves the apparatus via flanges 22 and 23 . It goes without saying that the heating and cooling can also be realized in other ways.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Reaktorsysteme haben keine bewegten Teile. Es ist aber auch möglich, den der Erfindung zugrundeliegenden Effekt in einem rotierenden Apparat zu realisieren. Ein derartiger Kavitationsreaktor ist schematisch in Fig. 3 gezeigt. Das zu verarbeitende Reaktionsgemisch wird mit einer nicht dargestellten Pumpe durch einen ebenfalls nicht dargestellten Vorwärmer geschickt und dann bei Flansch 24 eingespeist. Im Vorwärmer erfolgt die Erhitzung bis nahe an den Siedepunkt. Der Reaktor hat zwei Rotorpaare 25/26 und 27/28. Natürlich können beliebig viele Rotorpaare hintereinander geschaltet werden. Die Rotoren sind mit Schaufeln bestückt, die so ausgebildet wurden, daß sich eine möglichst stoßfreie Strömung ergibt. Der Druck der vorgeschalteten Pumpe muß ausreichen, um das Reaktionsgemisch entgegen der im Rotorelement 25 wirkenden Zentrifugalbeschleunigung in zentripetaler Richtung in das Rotorelement 26 zu fördern. Wegen der Axialgeometrie verengt sich der Strömungsquerschnitt in zentripetaler Richtung, so daß sich die Geschwindigkeit relativ zum Rotor erhöht und der Druck eine entsprechende Erniedrigung erfährt. Wegen der wirkenden Zentrifugalbeschleunigung ergibt sich ein zusätzlicher Druckabfall in zentripetaler Richtung. Der gesamte Druckabfall ist die Summe dieser zwei Effekte. Er senkt den Druck des Reaktionsgemisches bis zum Dampfdruck, so daß intensive Kavitation im gesamten Volumen auftritt. Im Rotorelement 26 ist die Strömungsrichtung zentrifugal, so daß sich hier entsprechend den Vorgängen in einer Kreiselpumpe eine Druckerhöhung durch geometriebedingte Verminderung der Relativgeschwindigkeit und eine zusätzliche Druckerhöhung durch die Wirkung der Zentrifugalbeschleunigung ergibt. Demzufolge fallen im Rotorelement 26 die im Rotorelement 25 gebildeten Kavitationsblasen innerhalb des gesamten Strömungsvolumens zusammen und führen so zu den anfangs geschilderten hoch angeregten Lokalzuständen, welche die gewünschte chemische Reaktion auslösen. Die Vorgänge wiederholen sich in den Rotorelementen 27 und 28, ehe die Reaktionsprodukte am Flansch 29 austreten.The reactor systems shown in FIGS. 1 and 2 have no moving parts. However, it is also possible to implement the effect on which the invention is based in a rotating apparatus. Such a cavitation reactor is shown schematically in FIG. 3. The reaction mixture to be processed is sent with a pump, not shown, through a preheater, also not shown, and then fed in at flange 24 . The preheater heats up to close to the boiling point. The reactor has two pairs of rotors 25/26 and 27/28 . Of course, any number of rotor pairs can be connected in series. The rotors are equipped with blades that are designed so that the flow is as smooth as possible. The pressure of the upstream pump must be sufficient to convey the reaction mixture into the rotor element 26 in a centripetal direction counter to the centrifugal acceleration acting in the rotor element 25 . Because of the axial geometry, the flow cross section narrows in the centripetal direction, so that the speed increases relative to the rotor and the pressure experiences a corresponding decrease. Because of the centrifugal acceleration, there is an additional pressure drop in the centripetal direction. The total pressure drop is the sum of these two effects. It lowers the pressure of the reaction mixture to the vapor pressure, so that intensive cavitation occurs in the entire volume. The flow direction in the rotor element 26 is centrifugal, so that there is a pressure increase due to the geometry-related reduction in the relative speed and an additional pressure increase due to the effect of the centrifugal acceleration, in accordance with the processes in a centrifugal pump. As a result, the cavitation bubbles formed in the rotor element 25 coincide within the entire flow volume in the rotor element 26 and thus lead to the highly excited local states described at the beginning, which trigger the desired chemical reaction. The processes are repeated in the rotor elements 27 and 28 before the reaction products emerge from the flange 29 .

Wie hervorgehoben wurde, bedürfen die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Kavitationsreaktoren einer vorgeschalteten Pumpe, um dem Reaktionsgemisch die erforderliche Bewegungsenergie zu vermitteln. Der in Fig. 3 dargestellte Reaktor ist aber eine rotierende Maschine, so daß es in diesem Falle natürlich möglich ist, Pumpe und Reaktor zu einem Kompaktaggregat zu vereinigen. Eine solche Konstruktion ist schematisch in Fig. 4 gezeigt. Nach Passieren eines nicht dargestellten Vorwärmers zur Erhitzung bis nahe an den Siedepunkt gelangt die Reaktionsmischung in die Vorkammer 37 und wird durch den Rotor 31 und das Leitrad 32 auf einen Vordruck gebracht, der ausreicht, um ein Durchströmen der nachfolgenden Kavitationsstufen zu erlauben. Letztere bestehen analog Fig. 3 aus zwei Rotorpaaren 33/34 und 35/36, wobei sich in den Rotoren 33 und 35 Kavitationsblasen bilden, während in den Rotoren 34 und 36 durch Kondensation dieser Blasen die gewünschte Intensivierung des Hydrolyseprozeßes erzielt wird. Wir in den vorangegangenen Beispielen versteht sich auch hier, daß die Anzahl der Kavitationsstufen beliebig gewählt werden kann.As was emphasized, the cavitation reactors shown in FIGS. 1 to 3 require an upstream pump in order to impart the required kinetic energy to the reaction mixture. The reactor shown in Fig. 3 is, however, a rotating machine, so that in this case it is of course possible to combine the pump and the reactor to form a compact unit. Such a construction is shown schematically in FIG. 4. After passing through a preheater (not shown) for heating to close to the boiling point, the reaction mixture reaches the prechamber 37 and is brought to a pre-pressure by the rotor 31 and the stator 32 which is sufficient to allow the subsequent cavitation stages to flow through. The latter consist analogously to FIG. 3 of two pairs of rotors 33/34 and 35/36 , cavitation bubbles forming in the rotors 33 and 35 , while in the rotors 34 and 36 the desired intensification of the hydrolysis process is achieved by condensation of these bubbles. As in the previous examples, it goes without saying that the number of cavitation stages can be chosen as desired.

Claims (22)

1. Verfahren zur Intensivierung von Hydrolysereaktionen von thermisch abbaubaren, wasserhaltigen oder mit Wasser tränkbaren Rohstoffen, insbesondere von Hemicellulose (Xylan) und Cellulose, dadurch gekennzeichnet, daß der in Wasser suspendierte Rohstoff nach Aufheizung bis nahe an den Siedepunkt des Wassers bei einer darauf folgenden, konstruktiv im ganzen Flüssigkeitsvolumen erzwungenen explosionsartigen Bildung von Kavitationsblasen einen mechanischen Aufschluß erfährt und anschließend bei einer konstruktiv im ganzen Flüssigkeitsvolumen erzwungenen schlagartigen Kavitationsblasenkondensation eine stark intensivierte Hydrolyse erleidet, wie sie sonst nur bei einer sehr viel höheren Temperatur möglich wäre.1. A process for intensifying hydrolysis reactions of thermally degradable, water-containing or water-impregnable raw materials, in particular hemicellulose (xylan) and cellulose, characterized in that the raw material suspended in water after heating up to close to the boiling point of the water at a subsequent, Explosion-like formation of cavitation bubbles, which is structurally forced in the entire liquid volume, undergoes mechanical digestion and then, in the case of sudden cavitation-bubble condensation, which is forced constructively in the entire liquid volume, undergoes highly intensified hydrolysis, which would otherwise only be possible at a much higher temperature. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von Kavitationsblasen der in Wasser suspendierte Rohstoffe durch vorzugsweise beheizte Engpaßstrecken gedrückt wird, wo durch Geschwindigkeitsanstieg und entsprechende Drucksenkung das in den Poren des Rohstoffs enthaltene Wasser explosionsartig verdampft und dabei den Rohstoff zerreißt.2. The method according to claim 1, characterized in that that to form cavitation bubbles in water suspended raw materials by preferably heated Bottleneck stretches where pressed by speed increase and corresponding pressure reduction in water contained in the pores of the raw material explosively evaporates and tears the raw material. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Kavitationsblasenbildung die Rohstoffsuspension durch vorzugsweise gekühlte Strömungskanalerweiterungen geführt wird, wo durch Geschwindigkeitssenkung und entsprechenden Druckanstieg eine schlagartige Kavitationsblasenkondensation erfolgt, welche durch lokale Energiekonzentration eine starke intensivierte Hydrolyse bewirkt. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that after the formation of cavitation bubbles Raw material suspension through preferably cooled flow channel extensions is led where by speed reduction and corresponding pressure increase a sudden cavitation bubble condensation takes place, which by local energy concentration a strong intensified hydrolysis causes.   4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßfolge bei erhöhtem Druck und damit bei so hoher Temperatur vollzogen wird, daß die Kavitationsblasenkondensation zur thermischen Hydrolyse ausreicht.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the process sequence at increased pressure and thus takes place at such a high temperature, that the cavitation bubble condensation to the thermal Hydrolysis is sufficient. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung der Engpaßstrecken induktiv erfolgt.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized that the heating of the bottlenecks done inductively. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folge von Engpaßstrecken und Strömungskanalerweiterungen in einer rotierenden Maschine realisiert ist.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized characterized that a series of bottlenecks and flow channel extensions in a rotating Machine is realized. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgemisch vor Beginn der Hydrolyse mit einem Gas gesättigt wird, das bei Druckabsenkung winzige Gasblasen freisetzt, die als Kavitationskeime dienen.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized characterized in that the reaction mixture before the start the hydrolysis is saturated with a gas at Lowering pressure releases tiny gas bubbles that act as Serve cavitation germs. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle axialsymmetrischer Strömungskanäle der Produktsuspension eine in Wasser nicht lösliche, eine höhere Dichte als Wasser aufweisende, thermisch stabile und hoch siedende Hilfsflüssigkeit zugegeben wird, mit welcher durch Drallgebung vor dem Einströmen in die Engpaßstrecken auf den inneren Kanalwandungen infolge von Zentrifugaleffekten ein wasser- und rohstofffreier Film der hoch siedenden und daher nicht kavitierenden Hilfsflüssigkeit entsteht, der die Wandungen vor Kavitationsschäden schützt. 8. The method according to any one of claims 1 to 5 and 7, characterized in that in the case of axially symmetrical Product suspension flow channels one in Water insoluble, a higher density than water showing, thermally stable and high-boiling Auxiliary liquid is added, with which by Swirling before entering the bottleneck sections on the inner channel walls due to centrifugal effects a film free of water and raw materials high-boiling and therefore non-cavitating auxiliary liquid arises, which protects the walls from cavitation damage protects.   9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Hilfe einer Pumpe speisbares Kanalsystem, das abwechselnd drucksenkende und drucksteigernde Bauelemente aufweist, zur Beförderung von in Wasser dispergierten, thermisch abbaubaren, wasserhaltigen oder mit Wasser tränkbaren Rohstoffen in der Art von Hemicellulose und Cellulose vorgesehen ist.9. Device for performing the method according to one of claims 1 to 8, characterized in that that a channel system that can be fed with the aid of a pump, the alternating pressure-reducing and pressure-increasing components has for the carriage of in water dispersed, thermally degradable, water-containing or water-impregnable raw materials in the manner of Hemicellulose and cellulose is provided. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die drucksteigernden Bauelemente beheizbar und/oder die drucksenkenden Bauelemente kühlbar sind, um die Bildung und Kondensation von Kavitationsblasen zu intensivieren.10. The device according to claim 9, characterized in that the pressure-increasing components can be heated and / or the pressure-reducing components can be cooled are to the formation and condensation of cavitation bubbles intensify. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die drucksenkenden Bauelemente induktiv beheizbar und die drucksteigernden Bauelemente mittels Wasser kühlbar sind.11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that that the pressure-reducing components are inductive heated and the pressure-increasing components by means of Water are coolable. 12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente thermisch isoliert sind.12. Device according to claims 10 and 11, characterized characterized in that the components are thermally insulated are. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalsystem aus einer linear angeordneten Folge von drucksenkenden und drucksteigernden Bauelementen besteht.13. Device according to one of claims 9 to 12, characterized characterized in that the channel system consists of a linear arranged sequence of pressure-reducing and pressure-increasing Components exist. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalsystem aus einer radial angeordneten Folge von drucksenkenden und drucksteigernden Bauelementen besteht. 14. Device according to one of claims 9 to 12, characterized characterized in that the channel system consists of a radial arranged sequence of pressure-reducing and pressure-increasing Components exist.   15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalsystem aus einer rotierenden Folge von drucksenkenden und drucksteigernden Bauelementen besteht.15. The device according to one of claims 9 to 11, characterized in that the channel system a rotating sequence of pressure reducing and pressure-increasing components. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß vor den drucksteigernden und drucksenkenden Bauelementen eine Einrichtung zur Sättigung des Reaktionsgemisches mit einem nicht kondensierenden Gas vorgesehen ist.16. The device according to one of claims 9 to 15, characterized in that before the pressure increasing and pressure-reducing components a device not to saturate the reaction mixture with one condensing gas is provided. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das lineare Kanalsystem durch korrespondierende Bohrungen in einem einzigen Plattenpaar oder mehreren hintereinander geschalteten Plattenpaaren gebildet wird.17. The device according to one of claims 9 to 13 or 16, characterized in that the linear Channel system through corresponding holes in a single plate pair or several in a row switched plate pairs is formed. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen der Platten durch Zwischenrohre miteinander verbunden sind.18. The apparatus according to claim 17, characterized in that the holes of the plates through intermediate pipes are interconnected. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, 14 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das radiale Kanalsystem aus einer zentralen Vorkammer und Kanalkranzpaaren unterschiedlicher Durchmesser besteht.19. Device according to one of claims 9 to 12, 14 or 16, characterized in that the radial Channel system consisting of a central antechamber and pairs of channel rings different diameters exist. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer und/oder ihr vorgeschaltete Zuführelemente beheizbar sind.20. The apparatus according to claim 19, characterized in that the antechamber and / or feed elements connected upstream of it are heated. 21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende Kanalsystem aus einem einzigen Rotorpaar oder mehreren hintereinander geschalteten Rotorpaaren besteht, wobei die Rotoren mit Schaufeln bestückt sind, welche eine annähernd stoßfreie Strömung erzeugen. 21. The device according to one of claims 9 to 12, 15 or 16, characterized in that the rotating Channel system from a single pair of rotors or several rotor pairs connected in series, where the rotors are equipped with blades, which one generate almost smooth flow.   22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß dem rotierenden Kanalsystem auf der gleichen Welle eine Kreiselpumpe vorgeschaltet ist, welche dem Reaktionsgemisch die für den Kavitationsteil erforderliche Bewegungsenergie vermittelt.22. The apparatus according to claim 21, characterized in that the rotating channel system on the same shaft a centrifugal pump is connected upstream, which the reaction mixture the one required for the cavitation part Mediated kinetic energy.