DE10124497C2 - Verfahren zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter periodisch veränderten Temperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren 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.

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 zusammengesetzt. 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 vorzu­ schlagen, das zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter periodisch veränderten Temperaturen besser geeignet ist als die bisher dafür vorgeschlagenen Verfahren. Der eingesetzte Reaktor soll insbesondere eine geringe Trägheit im Hinblick auf Temperaturveränderungen aufweisen, so dass effektive Temperaturänderungen mit großer Amplitude bei der Reaktionstemperatur oder bei der Wandtemperatur beispielsweise für die heterogene Katalyse ermöglicht werden.

Die Aufgabe wird durch das im Anspruch beschriebene Verfahren gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet einen Mikroreaktor, der aus einem Stapel einzelner, parallel übereinander angeord­ neter schichtförmiger Funktionselemente besteht; in dem Stapel wird eine Grundeinheit bestehend aus einer Abfolge von drei unterschiedlichen Schichten mindestens einmal, vorzugsweise jedoch mehrmals, wiederholt. Die einzelnen Schichten sind un­ tereinander druckdicht verbunden; vorzugsweise erfolgt diese Verbindung durch Diffusionsschweißen.

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 zueinander 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.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht aus zwei Gründen eine besonders schnelle Temperaturveränderung:
Zum einen besitzt die mittlere Schicht des verwendeten Mikro­ reaktors, in der die Kanäle verlaufen, in denen die chemischen Reaktionen durchgeführt werden, 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 ausreichende mechanische Stabilität. Aus diesem Grund wird die mittlere Schicht vorzugsweise so ge­ staltet, dass die einzelnen Nuten 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.

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)

1. Verfahren zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter periodisch veränderten Temperaturen, bei dem ein Mikroreaktor eingesetzt wird, 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
   bei dem mit Hilfe einer Vorrichtung die Platte und das plattenförmige elektrische Kühlelement im Wechsel periodisch geheizt und gekühlt werden.