DE10124497A1 - Mikroreaktor zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter periodisch veränderten Temperaturen - Google Patents
Mikroreaktor zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter periodisch veränderten TemperaturenInfo
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Abstract
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikroreaktor vorzuschlagen, der zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter periodisch veränderten Temperaturen besser geeignet ist als die bisher dafür vorgeschlagenen Vorrichtungen. Die Aufgabe wird gelöst durch einen Mikroreaktor, der aus übereinander gestapelten, parallelen Schichten zusammengesetzt ist. Die Mitte des Stapels nehmen Schichten ein, die Kanäle für chemische Reaktanden und die entstehenden Reaktionsprodukte aufweisen. Diesen Schichten benachbart ist jeweils ein elektrisches Kühlelement und ein elektrisches Heizelement.
Description
Die Erfindung betrifft einen Mikroreaktor zur Durchführung von
chemischen Reaktionen unter periodisch veränderten Temperatu
ren gemäß 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. wei
tere 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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikroreaktor
vorzuschlagen, der zur Durchführung von chemischen Reaktionen
unter periodisch veränderten Temperaturen besser geeignet ist
als die bisher dafür vorgeschlagenen Vorrichtungen. Der Reak
tor soll insbesondere eine geringe Trägheit im Hinblick auf
Temperaturveränderungen aufweisen, so dass effektive Tempera
turänderungen mit großer Amplitude bei der Reaktionstemperatur
oder bei der Wandtemperatur beispielsweise für die heterogene
Katalyse ermöglicht werden.
Die Aufgabe wird durch den im Anspruch beschriebenen Mikrore
aktor gelöst.
Der erfindungsgemäße Mikroreaktor besteht aus einem Stapel
einzelner, parallel übereinander angeordneter schichtförmiger
Funktionselemente; in dem Stapel wird eine Grundeinheit beste
hend aus einer Abfolge von drei unterschiedlichen Schichten
mindestens einmal, vorzugsweise jedoch mehrmals, wiederholt.
Die einzelnen Schichten sind untereinander druckdicht verbun
den; vorzugsweise erfolgt diese Verbindung durch Diffusions
schweißen.
An einer der Außenseiten der Grundeinheit ist eine heizbare
Platte angeordnet, die in üblicher Weise durch elektrische Wi
derstandsheizung beheizt werden kann. Alle heizbaren Platten
des gesamten Stapels werden mit den erforderlichen elektri
schen Kontakten versehen und je nach Bedarf in Reihe oder pa
rallel geschaltet.
Die gegenüberliegende Außenseite der Grundeinheit nimmt ein
plattenförmiges elektrisches Kühlelement ein. Als Kühlelement
kann ein thermoelektrisches Kühlelement verwendet werden, das
auf dem umgekehrten Seebeck-Effekt, nämlich dem Peltier-Ef
fekt, beruht. Geeignete plattenförmige Kühlelemente sind unter
der Bezeichnung "Thermoelektrische Kühler" auf dem Markt er
hältlich.
Die Mitte der Grundeinheit bildet mindestens eine Folie, in
die parallel verlaufende Nuten eingebracht sind. Falls mehr
als eine solche Folie in jeder einzelnen Grundeinheit vorgese
hen wird, können diese Folien in bekannter Art relativ zuein
ander angeordnet werden. Beispielsweise können die Folien so
übereinander gestapelt werden, dass jeweils zwei Folien mit
ihren genuteten Seiten aufeinander liegen, wobei die Nuten
beider Folien miteinander einen Winkel, vorzugsweise einen
rechten Winkel, einschließen. In diesem Fall können zwei Reak
tanden zugleich miteinander vermischt und zur Reaktion ge
bracht werden.
Der erfindungsgemäße Reaktor ermöglicht aus zwei Gründen eine
besonders schnelle Temperaturveränderung:
Zum einen besitzt die mittlere Schicht, in der die Kanäle ver laufen, in denen die chemischen Reaktionen durchgeführt wer den, eine sehr geringe Masse, da die Kanäle aus dieser Schicht herausgearbeitet werden. Die im Stapel darüber und darunter liegende Schicht verleihen der mittleren Schicht eine ausrei chende mechanische Stabilität. Aus diesem Grund wird die mitt lere Schicht vorzugsweise so gestaltet, dass die einzelnen Nu ten voneinander nur durch dünne Stege getrennt sind und die Tiefe der Nuten nahezu der Dicke der Folie entspricht. Daher ist ihre Wärmekapazität gering.
Zum einen besitzt die mittlere Schicht, in der die Kanäle ver laufen, in denen die chemischen Reaktionen durchgeführt wer den, eine sehr geringe Masse, da die Kanäle aus dieser Schicht herausgearbeitet werden. Die im Stapel darüber und darunter liegende Schicht verleihen der mittleren Schicht eine ausrei chende mechanische Stabilität. Aus diesem Grund wird die mitt lere Schicht vorzugsweise so gestaltet, dass die einzelnen Nu ten voneinander nur durch dünne Stege getrennt sind und die Tiefe der Nuten nahezu der Dicke der Folie entspricht. Daher ist ihre Wärmekapazität gering.
Ein zweiter Grund besteht darin, dass ein solcher Mikroreaktor
einen hohen Durchsatz der Reaktionspartner und/oder der Reak
tionsprodukte im Verhältnis zur Gesamtmasse des Mikroreaktors
ermöglicht, so dass auch aus diesem Grund die thermische Träg
heit gering ist. Hinzu kommt, dass das Verhältnis von Oberflä
che zu Volumen des Mikroreaktors sehr hoch ist.
Die Kanäle in der mittleren Schicht können bei Bedarf in an
sich bekannter Weise, etwa durch anodische Oxidation oder
durch ein sogenanntes Wash-Coat-Verfahren, mit einem kataly
tisch wirkenden Überzug versehen werden. Soll die Oberfläche
aus katalytisch wirksamen Metallen, beispielsweise Platin,
Palladium oder Nickel bestehen, kann die gesamte mittlere
Schicht aus diesem Material gefertigt werden.
Der Mikroreaktor ist elektrisch an eine Vorrichtung ange
schlossen, die alternativ und periodisch die heizbaren Platten
einerseits und die Kühlelemente andererseits aktiviert, so
dass jeweils nur eine dieser Schichten in Betrieb ist, während
die mittlere Schicht von den Reaktionspartnern bzw. den ent
stehenden Reaktionsprodukten durchströmt wird. Die Vorrichtung
kann ein beispielsweise oszillierender Schalter sein. Bei we
niger bevorzugten Ausführungsformen wird entweder das Kühlele
ment immer gekühlt oder die heizbare Platte immer geheizt,
während die jeweilige andere Einrichtung (heizbare Platte oder
Kühlelement) periodisch an- und abgeschaltet wird und die Wir
kung der dauernd betriebenen Einrichtung überkompensiert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur näher er
läutert.
Ein Reaktand oder ein Gemisch aus mehreren Reaktanden wird
kontinuierlich mit definiertem Volumenstrom durch die zentrale
Mikrostrukturfolie (2) hindurchgeleitet. Gleichzeitig wird
mittels einer Steuerelektronik (5) der von einer Stromquelle
(6) gelieferte elektrische Strom periodisch mit Hilfe von Um
schaltern (4A, 4B) zwischen einem Heizelement (1) und einem
Kühlelement (3) derart hin- und hergeschalten, dass jeweils
nur das Heizelement oder das Kühlelement betrieben wird.
Claims (1)
- Mikroreaktor zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter periodisch veränderten Temperaturen, der
aus übereinander gestapelten, parallelen Schichten zusam mengesetzt ist, wobei
eine Abfolge von drei unterschiedlichen Schichten mehr fach wiederholt wird,
die erste oder dritte Schicht in der Abfolge der drei Schichten aus einer Platte besteht, die in der Weise mit einem elektrischen Anschluss versehen ist, dass die Platte durch Widerstandsheizung heizbar ist,
die mittlere Schicht der Abfolge aus mindestens einer Fo lie besteht, in die parallel verlaufende Nuten einge bracht sind, die durch die heizbare Platte oder eine be nachbarte Folie abgedeckt sind und in denen die chemi schen Reaktionen durchgeführt werden,
die dritte oder erste Schicht in der Abfolge ein platten förmiges elektrisches Kühlelement bildet und
eine Vorrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe die Platte und das plattenförmige elektrische Kühlelement im Wechsel geheizt und gekühlt werden.
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DE2001124497 DE10124497C2 (de) | 2001-05-19 | 2001-05-19 | Verfahren zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter periodisch veränderten Temperaturen |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110860263A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-03-06 | 西部金属材料股份有限公司 | 一种高效反应器 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19748481A1 (de) * | 1997-11-03 | 1999-05-12 | Inst Mikrotechnik Mainz Gmbh | Statischer Mikrovermischer, und Mikroreaktor sowie dessen Verwendung |
DE19812067A1 (de) * | 1998-03-19 | 1999-10-14 | Manfred J Hampe | Mikroplant zur experimentellen Simulation verfahrenstechnischer Prozesse |
-
2001
- 2001-05-19 DE DE2001124497 patent/DE10124497C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE19748481A1 (de) * | 1997-11-03 | 1999-05-12 | Inst Mikrotechnik Mainz Gmbh | Statischer Mikrovermischer, und Mikroreaktor sowie dessen Verwendung |
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Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Renken, A. [u.a.]: Mircochannel reactors for fost periodic operation: the catalytic dehydration of isopropanol. In: Chemical Engineering Science Vol. 56, Feb. 2001, pp 1419-1427 * |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110860263A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-03-06 | 西部金属材料股份有限公司 | 一种高效反应器 |
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DE10124497C2 (de) | 2003-08-21 |
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