DE10124501A1

DE10124501A1 - Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen unter periodisch veränderten Temperaturen

Info

Publication number: DE10124501A1
Application number: DE2001124501
Authority: DE
Inventors: Klaus Schubert; Juergen Brandner
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2001-05-19
Filing date: 2001-05-19
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2021-05-20
Also published as: DE10124501C2

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter periodisch veränderten Temperaturen vorzuschlagen, das besser geeignet ist als die bisher bekannten Verfahren. Dies kann durch zwei verschiedene Verfahrensvarianten erreicht werden. Verwendet wird in beiden Fällen ein Mikroreaktor aus einem Stapel von mikrostrukturierten Folien. Die mittleren Folien jedes Mikroreaktors sind zur Durchführung der chemischen Reaktionen bestimmt. Gemäß Variante 1 wird durch die auf der einen Seite benachbarten Folien ein Kühlmittel geleitet, während auf der anderen Seite ein elektrisches Heizelement angebracht ist. Der Kühlmittelstrom und die Heizung werden so aufeinander abgestimmt, dass sich im Mikroreaktor eine periodisch wechselnde Wandtemperatur ergibt. Gemäß Variante 2 werden statt dessen ein Strom einer Heizflüssigkeit und ein elektrisches Kühlelement verwendet.

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.

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.

Zwei Lösungen der Aufgabe sind in den Ansprüchen 1 und 2 be schrieben.

Bei beiden Verfahren wird ein Mikroreaktor eingesetzt, der aus einem Stapel von parallel zueinander angeordneten, plattenför migen Folien zusammengesetzt ist. Die Folien bestehen vorzugs weise aus einem Metall, das mit einem Formdiamanten zerspanbar ist. Kernstück des Mikroreaktors ist eine Grundeinheit von Fo lien, die mit parallel zueinander verlaufenden Nuten versehen ist. Die Nuten sind durch benachbarte Folien so abgedeckt, dass die Nuten geschlossene Kanäle bilden. Form, Ausgestaltung und Herstellung der Nuten kann entsprechend der eingangs zi tierten DE 37 09 278 A1 oder der Beschreibung anderer Mikrore aktoren erfolgen. Im einfachsten Fall besteht die Grundeinheit aus einer einzigen Folie; bevorzugt wird jedoch eine Grundein heit, die aus mehreren Folien besteht. In diesem Fall werden die Kanäle durch geeignete Anschlussstücke so zusammengeschal tet, dass ein oder mehrere Reaktanden in die Kanäle eingelei tet werden kann.

Die Einleitung eines einzigen Reaktanden ist dann sinnvoll, wenn die innere Oberfläche der Kanäle bereits an sich kataly tisch aktiv ist oder in an sich bekannter Weise zuvor mit ei nem katalytisch wirkenden Überzug versehen worden ist. Ober flächen beispielsweise aus Platin, Palladium, Rhodium und Nickel wirken auf eine Reihe von Reaktionen katalytisch. Kata lytisch 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 chemischen Reaktionen eine katalytisch wirkende Oberfläche der Kanäle ebenfalls sinnvoll sein.

In jedem Fall werden Querschnitt, Länge und innere Oberfläche der Kanäle so gewählt, dass die durchzuführende Reaktion wäh rend der Passage der Reaktanden möglichst zum Abschluss kommt, so dass aus den Kanälen das gewünschte Reaktionsprodukt aus tritt. Auch der Ausgang der Kanäle kann durch geeignete An schlussstücke so zusammengefasst werden, dass nur noch eine einzige Produktleitung vorhanden ist.

Der Grundeinheit der Folien ist auf der einen Seite mindestens eine weitere Folie benachbart, die ebenso wie die bereits be schriebenen Folien mit Nuten versehen ist, die durch benach barte Folien abgedeckt sind. Auch hier kann eine einzige Folie vorgesehen werden; günstiger ist es jedoch meist, mehrere sol cher Folien einzusetzen. Form, Ausgestaltung und Herstellung der Nuten kann in gleicher Weise entsprechend der eingangs zi tierten DE 37 09 278 A1 oder der Beschreibung anderer Mikrore aktoren erfolgen.

Im Gegensatz zu den Folien der Grundeinheit wird in die letzt genannten Folien entweder ein Kühlmittel (Ausführungsform ge mäß Anspruch 1) oder eine Heizflüssigkeit (Ausführungsform nach Anspruch 2) eingespeist. Analog zur Grundeinheit können auch hier die Ein- und Ausgänge der Kanäle durch zwei An schlussstücke zusammengefasst werden. In den Kühlmittel- oder Heizflüssigkeitsstrom wird ein Ventil, etwa ein pneumatisches oder elektromagnetisches Ventil, eingesetzt, mit dessen Hilfe der jeweilige Strom taktweise periodisch unterbrochen wird.

An die zweite, gegenüberliegende freie Seite der Grundeinheit schließt sich ein elektrisches Element an. Dieses elektrische Element bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 1, bei der ein Kühlmittel eingesetzt wird, ein elektrisches Widerstands-Heiz element. Bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 2, bei der eine Heizflüssigkeit eingesetzt wird, ist dieses elektrische Element ein elektrisches Kühlelement, etwa ein plattenförmiges Peltier-Element.

Beim Verfahren gemäß Anspruch 1 können die periodisch verän derten Temperaturen dadurch erreicht werden, dass die Wider standsheizung permanent in Betrieb gehalten wird. Durch den Kühlmittelstrom wird der Temperaturanstieg, der sich bei Schließen des Ventils einstellt, beim Öffnen des Ventils wie der abgesenkt, so dass sich insgesamt eine oszillierende Tem peratur an den Innenwänden der Kanäle ergibt. Da die Folien, durch die der Kühlmittelstrom geleitet wird, die Wärmeströme überaus effektiv weiterleiten und einen hohen Durchsatz des Kühlmittels ermöglichen, wird die Wirkung des Heizelements bei geöffnetem Ventil bei weitem überkompensiert. Es ist möglich, aber nicht notwendig, zusätzlich während der Öffnungszeiten des Ventils den Strom an der Widerstandsheizung zu unterbre chen; eine solche Verfahrensvariante ist jedoch wesentlich aufwendiger, ohne eine deutliche Verbesserung zu bewirken.

Beim Verfahren gemäß Anspruch 2 werden die periodisch verän derten Temperaturen in entsprechender Weise dadurch erreicht, dass die Kühleinrichtung permanent in Betrieb gehalten wird und der Heizflüssigkeitsstrom periodisch an- und abgeschaltet wird. Abgesehen von diesem Unterschied gelten die zu Anspruch 1 gemachten Ausführungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispie len und vier Figuren erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 Eine Ausführungsform nach Anspruch 1;

Fig. 2 einen schematisierten Versuchsaufbau;

Fig. 3 ein Temperatur/Zeit-Diagramm;

Fig. 4 ein weiteres Temperatur/Zeit-Diagramm.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des beim Verfahren nach Anspruch 1 verwendeten Mikroreaktors. Mit 1 ist eine Deckplat te bezeichnet, die die Nuten in der Folie 2 abdeckt, so dass ein Kühlmittel durch die dadurch entstehenden Kanäle geleitet werden kann. Die Nuten in der Folie 3, die die Grundeinheit bildet, werden durch die Unterseite der Folie 2 abgedeckt; in die entstehenden Kanäle werden die Reaktanden eingeleitet. An die andere, gegenüber liegende freie Seite der Grundeinheit schließt sich ein elektrisches Widerstands-Heizelement an. Während das Widerstandselement dauernd in Betrieb bleibt, wird der Kühlmittelstrom durch Folie 2 durch ein (nicht dargestell tes) Ventil periodisch unterbrochen, so dass die Innenwände der Kanäle in der Grundeinheit, die mit den Reaktanden in Kon takt kommen, eine periodisch wechselnde Temperatur aufweisen.

Fig. 2 zeigt das Verfahrensschema einer Versuchsanordnung. Ein Reaktand oder ein Gemisch aus mehreren Reaktanden (3) wird kontinuierlich mit definiertem Volumenstrom durch den Mikro strukturreaktor (2) hindurchgeleitet. Dabei wird ein Produkt strom (4) erzeugt. Eine einstellbare Stromquelle (1) liefert die Energie für das elektrische Heizelement, welches in den Mikrostrukturreaktor integriert ist. Über eine Steuerelektro nik (7) wird ein Schaltventil (6) derart angesteuert, dass ein Kühlmittelstrom (5) periodisch durch den Mikroreaktor fließen kann.

Beispiele

Bei einer kontinuierlichen elektrischen Leistung von 450 Watt und einem Kühlmittelstrom von 15 kg/h vollentsalztem Wasser konnte mit einer Halbperiode von 30 Sekunden (d. h., der Was serfluß wurde für 30 Sekunden durch den Mikrostrukturreaktor geleitet und dann für 30 Sekunden abgeschaltet), eine Differenz der Temperatur des Mikrostrukturreaktors von ca. 190 K erzielt werden.

In Fig. 3 ist die periodische Temperaturänderung als Diagramm dargestellt.

Mit einer kontinuierlichen elektrischen Leistung von 1700 Watt konnte bei einer Halbperiode von 2 Sekunden Dauer (d. h. ein Kühlwasserstrom von 45 kg/h wurde für 2 Sekunden durch den Mi krostrukturreaktor geleitet und dann 2 Sekunden abgeschaltet) eine Temperaturdifferenz des Mikroreaktors von ca. 100 K er zielt werden.

Fig. 4 zeigt das entsprechende Temperatur/Zeit-Diagramm.

Claims

1. Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen unter pe riodisch veränderten Temperaturen, bei dem
ein Mikroreaktor eingesetzt wird, der aus einem Stapel von Folien besteht, wobei der Stapel aus mindestens ei ner Grundeinheit der Folien zusammengesetzt ist,
die Grundeinheit aus mindestens einer mittleren Folie besteht, die mit parallel zueinander verlaufenden Nuten versehen ist, die durch eine benachbarte Folie in der Weise abgedeckt werden, dass Kanäle entstehen, und ein oder mehrere Reaktanden in die Kanäle eingespeist wer den,
der mittleren Folie der Grundeinheit eine erste äußere Folie benachbart ist, die mit parallel zueinander ver laufenden Nuten versehen ist, die durch eine weitere benachbarte Folie in der Weise abgedeckt werden, dass weitere Kanäle entstehen, und in die weiteren Kanäle ein Kühlmittel eingespeist wird,
der mittleren Folie der Grundeinheit eine zweite äußere Folie benachbart ist, die mit einer Widerstandsheizung versehen ist,
mit Hilfe eines Ventils, das zwischen einer Quelle des Kühlmittels und dem Mikroreaktor angeordnet ist, der Kühlmittelstrom periodisch unterbrochen wird.

2. Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen unter pe riodisch veränderten Temperaturen, bei dem
ein Mikroreaktor eingesetzt wird, der aus einem Stapel von Folien besteht, wobei der Stapel aus mindestens ei ner Grundeinheit der Folien zusammengesetzt ist,
die Grundeinheit aus mindestens einer mittleren Folie besteht, die mit parallel zueinander verlaufenden Nuten versehen ist, die durch eine benachbarte Folie in der Weise abgedeckt werden, dass Kanäle entstehen, und ein oder mehrere Reaktanden in die Kanäle eingespeist wer den,
der mittleren Folie der Grundeinheit eine erste äußere Folie benachbart ist, die mit parallel zueinander ver laufenden Nuten versehen ist, die durch eine weitere benachbarte Folie in der Weise abgedeckt werden, dass weitere Kanäle entstehen, und in die weiteren Kanäle eine Heizflüssigkeit eingespeist wird,
der mittleren Folie der Grundeinheit eine zweite äußere Folie benachbart ist, die mit einer elektrischen Kühl einrichtung versehen ist,
mit Hilfe eines Ventils, das zwischen einer Quelle der Heizflüssigkeit und dem Mikroreaktor angeordnet ist, der Strom der Heizflüssigkeit periodisch unterbrochen wird.