DE10124496C2 - Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen unter periodisch veränderten Temperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung chemi­ scher Reaktionen unter periodisch veränderten Temperaturen ge­ mäß dem ersten Patentanspruch.

In den meisten Fällen werden chemische Reaktionen unter stati­ onären Bedingungen durchgeführt. Die Reaktionstemperatur, die Flussraten der Eduktströme, der Reaktionsdruck und ggf. weite­ re Reaktionsbedingungen werden dabei in einem stationären Gleichgewicht gehalten.

Bei manchen Reaktionen lassen sich erheblich bessere Ausbeuten oder sonstige Vorteile erzielen, wenn zumindest eine der Reak­ tionsbedingungen periodisch geändert wird. Die Länge der Peri­ ode kann dabei in einem weiten Bereich, etwa von einigen Tagen bis zu einigen Sekunden, eingestellt werden; sie hängt ent­ scheidend von der Kinetik der betreffenden Reaktion ab.

Eine Übersicht über die Literatur zu chemischen Reaktionen mit periodisch veränderten Reaktionsbedingungen geben P. Silver­ ston et al. Catalysis Today 25 (1995) 91-112. Vor allem bei katalysierten chemischen Reaktionen bieten periodisch verän­ derte Reaktionsbedingungen einige Vorteile. Die Druckschrift beschreibt verschiedene Reaktor- und Mikroreaktorkonzepte zur Durchführung solcher Reaktionen, beispielsweise Röhrenreakto­ ren oder Infrarot-Messzellen. Allerdings sind in der Druck­ schrift kaum Angaben zur periodisch veränderten Edukttempera­ turen oder Wandtemperaturen enthalten; nach Ansicht der Auto­ ren reagieren selbst Mikroreaktoren im allgemeinen zu träge auf Temperaturänderungen, so dass sich selbst bei periodischen Temperaturveränderungen eine im wesentlichen stationäre mitt­ lere Temperatur einstellt.

In F. H. R. Van Neer et al., The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol. 74, October 1996, 664-673 findet sich eine theoretische Untersuchung zu chemischen Reaktionen unter peri­ odisch veränderten Reaktionsbedingungen, insbesondere auch zu periodisch veränderten Reaktionstemperaturen.

Cam Le Minh et al untersuchen in Energy & Fuels 1997, 11, 463-­ 469 die Oxidation von kohlenstoffhaltigen Verbindungen an Ka­ talysatoren unter periodisch veränderten Temperaturen; der verwendete Reaktor ist ein mit einem Thermostatmantel umgebe­ ner Rohrreaktor, in dem die benötigte Menge an Katalysator zur Verringerung von Trägheitseffekten so klein wie möglich gehal­ ten wird.

E. Tronconi und G. Groppi, Chemical Engineering Science 55 (2000) 6021-6036 untersuchten die Wärmeübergangscharakteristi­ ken bei der heterogen katalysierten Oxidation von CO. Der Re­ aktor bestand aus einem Stapel von Stahl- oder Aluminiumplat­ ten, die mit dem Katalysatormaterial (Palladium auf Al₂O₃) be­ schichtet und mit Hilfe von Abstandshaltern parallel zueinan­ der ausgerichtet wurden; er wurde in einen belüfteten Ofen ge­ stellt.

Die DE 37 09 278 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Mikroreaktoren. In mehrere Folien werden mit Hilfe von Formdiamanten parallel verlaufende Nuten eingebracht. Die mit den Nuten versehenen Folien können auf verschiedene Arten zu Mikroreaktoren gestapelt werden.

Aus der Veröffentlichung von A. Rouge, B. Spoetzl, K. Gebauer, R. Schenk und A. Renken: "Microchannel reactors for fast peri­ odic operation: the catalytic dehydration of isopropanol" in Chemical Engineering Science Vol. 56, February 2001, pp. 1419-­ 1427 ist ein Mikroreaktor bekannt, der aus einem Stapel von Folien besteht. Der Stapel ist aus zwei Grundeinheiten zusam­ mengesetzt. In einer Grundeinheit sind Folien vorhanden, die abgedeckte Nuten enthalten, die zur Aufnahme eines Reaktanden und zur Durchführung einer chemischen Reaktion bestimmt sind. Die andere Grundeinheit wird durch Folien ähnlichen Typs ge­ bildet, durch die ein flüssiges Medium zur Thermostatisierung des Reaktanden und des aus ihm gebildeten Produkts geleitet wird. Der Mikroreaktor wird für Reaktionen verwendet, bei dem der Zufluss des Reaktanden periodisch unterbrochen wird.

Die Veröffentlichung von H. Löwe und W. Ehrfeld: "State-of- the-art in microreaction technology: concepts, manufacturing and applications" beschreibt Mikroreaktoren, die aus Stapeln von mit Nuten versehenen Folien hergestellt sind und die Wär­ metauscher enthalten.

Die DE 197 48 481 A1 beschreibt Mikroreaktoren aus mit Nuten versehenen Folien, bei denen zwischen zwei Folien, in denen eine chemische Reaktion durchgeführt wird, eine weitere Folie angeordnet ist, die von einem Heiz- oder Kühlmedium durch­ strömt wird.

Aus der DE 198 12 067 A1 geht hervor, dass in Mikroreaktoren auch elektrisch betriebene Heiz- oder Kühlelemente integriert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter periodisch verän­ derten Temperaturen vorzuschlagen, das besser geeignet ist als die bisher bekannten Verfahren. Das Verfahren soll insbesonde­ re eine geringe Trägheit im Hinblick auf Temperaturveränderun­ gen aufweisen, so dass effektive Temperaturänderungen mit großer Amplitude bei der Reaktionstemperatur oder bei der Wandtemperatur beispielsweise für die heterogene Katalyse er­ möglicht werden.

Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch beschrieben.

Bei dem Verfahren wird ein Mikroreaktor eingesetzt, der aus einem Stapel von parallel zueinander angeordneten, plattenför­ migen Folien zusammengesetzt ist, die jeweils vorzugsweise mit mehreren, parallel angeordneten Nuten versehen sind. Die Fo­ lien sind so relativ zueinander angeordnet, dass die Nuten durch eine benachbarte Folie abgedeckt sind, so dass geschlos­ sene Kanäle entstehen. Sie bestehen bevorzugt aus einem Me­ tall, das mit einem Formdiamanten zerspanbar ist. Die Nuten sind durch benachbarte Folien so abgedeckt, dass die Nuten ge­ schlossene Kanäle bilden. Form, Ausgestaltung und Herstellung der Nuten kann entsprechend der eingangs zitierten DE 37 09 278 A1 oder der Beschreibung anderer Mikroreaktoren erfolgen.

Der Stapel besteht aus drei übereinanderliegenden Gruppen von Folien, bei denen die Eingänge der Kanäle jeweils gruppenweise mit Hilfe eines geeigneten Anschlussstückes zusammengeschaltet sind. Die Folien der einzelnen Gruppen können an sich gleich sein; es kann jedoch vorteilhaft sein, die Folien der oberen und der unteren Gruppe im Hinblick auf eine möglichst hohe Wärmeübertragung und die Folien der mittleren Gruppe im Hin­ blick auf eine möglichst schnelle und vollständigen chemische Reaktion zu optimieren.

Im einfachsten Fall bestehen die Gruppen aus einer einzigen Folie; bevorzugt werden jedoch mehrere Folien pro Gruppe ver­ wendet. In diesem Fall werden die Eingänge der Kanäle aller Folien einer jeden Gruppe durch geeignete Anschlussstücke so zusammengeschaltet, dass ein oder mehrere Reaktanden in die Kanäle der mittleren Gruppe und die Heizflüssigkeit sowie das Kühlmittel in die jeweils benachbarten Gruppen eingeleitet werden können.

Die Einleitung eines einzigen Reaktanden ist dann sinnvoll, wenn die innere Oberfläche der Kanäle der mittleren Gruppe be­ reits an sich katalytisch aktiv ist oder in an sich bekannter Weise zuvor mit einem katalytisch wirkenden Überzug versehen worden ist. Oberflächen beispielsweise aus Platin, Palladium, Rhodium und Nickel wirken auf eine Reihe von Reaktionen kata­ lytisch. Katalytisch wirkende Überzüge sind vor allem dann sinnvoll, wenn die innere, für den Reaktanden zugängliche Oberfläche etwa durch einen Keramiküberzug vergrößert werden soll, so dass die katalytisch wirksamen Zentren beispielsweise aus den genannten Metallen leichter zugänglich sind. Werden zwei oder mehrere Reaktanden eingesetzt, kann für manche che­ mischen Reaktionen eine katalytisch wirkende Oberfläche der Kanäle ebenfalls sinnvoll sein.

In jedem Fall werden Querschnitt, Länge und innere Oberfläche der Kanäle der mittleren Gruppe so gewählt, dass die durchzu­ führende Reaktion während der Passage der Reaktanden möglichst zum Abschluss kommt, so dass aus den Kanälen das gewünschte Reaktionsprodukt austritt. Auch der Ausgang der Kanäle der mitlleren Gruppe kann durch geeignete Anschlussstücke so zu­ sammengefasst werden, dass nur noch eine einzige Produktlei­ tung vorhanden ist. Dies gilt in gleicher Weise auch für die Ausgänge der Kanäle der beiden anderen Gruppen.

Bei einem derartigen Verfahren könnten an sich die periodisch veränderten Temperaturen dadurch erreicht werden, dass entwe­ der die Kühlflüssigkeit kontinuierlich durch die Folien einer der beiden äußeren Gruppen geleitet wird, während die Heiz­ flüssigkeit mit Hilfe eines Ventils den Folien der anderen äu­ ßeren Gruppe nur periodisch zugeführt wird. Auf diese Weise würde der Tem­ peratureffekt durch eine der beiden Flüssigkeiten periodisch und intermittierend durch die taktweise Zuführung der anderen Flüssigkeiten zumindest teilweise kompensiert werden. Einstel­ lungen des oberen und des unteren Temperaturniveaus sind durch die Durchsätze und Temperaturen von Heiz- und Kühlflüssigkeit möglich. Erfindungsgemäß wird jedoch die Verwendung von zwei Ventilen vorgeschlagen, von denen jeweils eines den Heiz- und den Kühlflüssigkeitsstrom vor dem Eintritt in den Mikroreaktor unterbricht. Die Ventile werden so geschaltet, dass jeweils eines der beiden geöffnet und das andere geschlossen ist. Auf diese Weise wird dem Reaktor ausschließlich entweder die Heiz­ flüssigkeit oder das Kühlmittel zugeführt.

Die Schaltung der Ventile wird vereinfacht, wenn zwei Magnet­ ventile eingesetzt werden, von denen eines normal geschlossen und eines normal geöffnet ist. In diesem Fall können die bei­ den Ventile an die selbe elektrische Schaltvorrichtung ange­ schlossen werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines geeigneten Mikrore­ aktors;

Fig. 2 zeigt das Verfahrensschema eines Versuchsaufbaus.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des beim erfindungsge­ mäßen Verfahren einsetzbaren Mikroreaktors. Zwischen zwei Deckplatten sind die Folien 2, 3 und 4 angeordnet, die jeweils eine der oben beschriebenen Gruppen repräsentieren. In die mittlere Folie 4 werden der oder die Reaktanden eingespeist. Die obere Folie 2 wird von einem Kühlmittelstrom durchflossen, während durch die untere Folie 4 eine Heizflüssigkeit strömt. Entweder der Kühlmittelstrom oder der Strom der Heizflüssig­ keit wird periodisch durch ein sich taktweise schließendes Ventil (nicht dargestellt) unterbrochen. Alternativ dazu wer­ den zwei (nicht dargestellte) Ventile eingesetzt, von denen jeweils nur ein einziges geöffnet ist.

Die Fig. 2 zeigt das Verfahrensschema eines Versuchsaufbaus. Ein Reaktand oder ein Gemisch aus mehreren Reaktanden (2) wird kontinuierlich mit definiertem Volumenstrom durch den Mikro­ strukturreaktor (4) hindurchgeleitet. Dabei wird ein Produkt­ strom (5) erzeugt. Über eine Steuerelektronik (7) werden zwei Schaltventile (6A, 6B) derart angesteuert, dass entweder ein Kühlmittelstrom (3) oder ein Heizfluidstrom (1), immer abwech­ selnd periodisch durch den Mikroreaktor fließen können. Wenn z. B. Schaltventil (6A) den Durchfluss von Kühlmittel zulässt, ist Schaltventil (6B) geschlossen und umgekehrt.

Claims (1)

1. Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen unter pe­ riodisch veränderten Temperaturen, bei dem
   ein Mikroreaktor eingesetzt wird, der aus einem Stapel von Folien besteht, die mit Nuten versehen sind, wobei die Nuten durch benachbarte Folien in der Weise abge­ deckt werden, so dass geschlossene Kanäle entstehen,
   der Stapel aus drei übereinanderliegenden Gruppen von Folien besteht, wobei jede Gruppe eine oder mehrere Fo­ lien enthält und die Eingänge der Kanäle innerhalb je­ der Gruppe durch jeweils ein Anschlussstück zusammenge­ fasst sind,
   durch das Anschlussstück der mittleren Gruppe mindes­ tens ein Reaktand eingeleitet wird, der während des Durchtritts durch die Kanäle der mittleren Gruppe in einer chemischen Reaktion umgesetzt wird,
   in das Anschlussstück einer der beiden der mittleren Gruppe benachbarten Gruppe eine Heizflüssigkeit und
   in das Anschlussstück der anderen der mittleren Gruppe benachbarten Gruppe eine Kühlflüssigkeit eingespeist wird,
   in Strömungsrichtung vor dem Eingang der Kanäle bei beiden der mittleren Gruppe benachbarten Gruppen jeweils ein Ventil eingesetzt wird, und die Ventile periodisch und taktweise in der Weise geschaltet werden, dass jedes Ventil nur dann geöffnet wird, wenn das jeweils andere geschlossen ist.