DE102004007527A1

DE102004007527A1 - Mikroreaktor

Info

Publication number: DE102004007527A1
Application number: DE102004007527A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr. Pütter; Torsten Dr. Mattke; Andreas Dr. Fischer; Volker Dr. Hessel; Michael Dr. Kuepper; Christian Hoffmann
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-01

Abstract

Mikroreaktor zum Mischen von wenigstens zwei gasförmigen und/oder flüssigen Phasen mit jeweils einem Zulaufkanal für jede der Phasen, mehreren Mischkammern (3) und einem Austrittskanal für das Gemisch bzw. Reaktionsprodukt. Der Mikroreaktor ist aus modular zusammengesetzten Bauteilen (1) gebildet, die zum Aufbau unterschiedlicher Fließ-Systeme und Leitungen in unterschiedlicher Anzahl und/oder Ausführung und/oder Reihenfolge stapelbar sind. Zwecks gleichmäßiger Versorgung sämtlicher Mischkammern mit den entsprechenden Phasen haben die einzelnen Bauteile (1) an jeweils übereinstimmenden Stellen Bohrungen oder Durchbrüche, die in Gebrauchsstellung des Mikroreaktors Gesamtkanäle (4, 5) für den Zulauf der Phasen und/oder den Austritt des Gemischs bzw. Reaktionsprodukts bilden. Die Gesamtkanäle sind entweder unmittelbar oder über Einzelkanäle (6, 7) mit den Mischkammern verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroreaktor zum Mischen von wenigstens zwei gasförmigen und/oder flüssigen Phasen mit jeweils einem Zulaufkanal für jede der Phasen, mehreren Mischkammern und einem Austrittskanal für das Gemisch bzw. Reaktionsprodukt, wobei der Mikroreaktor aus modular zusammengesetzten Bauteilen gebildet ist und die Bauteile zum Aufbau unterschiedlicher Fliess-Systeme in unterschiedlicher Anzahl und/oder Ausführung und/oder Reihenfolge stapelbar sind.
Mikroreaktoren zum Mischen von gasförmigen und/oder flüssigen Phasen sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Das Funktionsprinzip dieser Reaktoren besteht darin, physikalische, chemische oder elektrochemische Reaktionen in Kammern, deren Abmessungen von wenigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern betragen, durchzuführen, um beispielsweise bei der Betrachtung chemischer Synthesen die Reaktionsbedingungen zu optimieren. Durch die kleinen Abmessungen lassen sich lokale Unterschiede der Konzentration und Temperatur in den Phasenströmen wesentlich verringern, so dass sehr viel genauer die jeweils günstigsten Bedingungen ermittelt werden können.

Ein solches miniaturisiertes Reaktionssystem ist aus der EP-A-1 031 375 bekannt. Der Mikroreaktor ist dabei aus zwei oder mehreren übereinander gestapelten Platten oder Schichten aufgebaut, auf deren Oberflächen sich mikromechanisch erzeugte Strukturen befinden, die in ihrem Zusammenwirken Kanäle und sich horizontal erstreckende Reaktionsräume bilden, um jeweils erwünschte chemische Reaktionen auszuführen. Weiterhin besitzen die Platten oder Schichten vertikale Fluidkanäle zur Verbindung mit benachbarten Platten und integrierte Abdichtzonen, die eine flüssigkeits- und gasdichte Verbindung zwischen jeweils zwei aufeinanderliegenden Platten und nach außen herbeiführen.

Es ist ferner aus der EP-A-0 107 631 ein Mikroreaktorsystem aus zusammensetzbaren und zerstörungsfrei demontierbaren Elementen bekannt. Der vornehmlich zur Aufbereitung oder Vorbereitung von flüssigen Proben für eine chemische Analyse konzipierte Reaktor ist mit Zuführkanälen oder -leitungen zu einer Analysevorrichtung oder einem Detektor ausgestattet, wobei wenigstens eine Leitung für ein Trägermedium und wenigstens eine weitere Lösung zur Zuführung einer zu untersuchenden Probe vorgesehen ist, die in die Zuleitung für das Trägermedium mündet. Die plattenförmigen Elemente sind modular zu einem Stapel zusammensetzbar. Dabei enthalten die Elemente jeweils Leitungsstücke und Verzweigungen, von denen aus die einzelnen Kanäle über lokale Verteilsysteme bedient werden. Jedes dieser Verteilsysteme ist so gestaltet, dass alle Kanäle gleichmäßig mit Fluiden versorgt werden. Eine solche Konstruktion sowie deren Herstellung ist indes kompliziert. Die Versorgung aller Kanäle des Reaktors mit z.B. zwei Phasen durch eine strukturierte Platte ist praktisch nicht möglich.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, einen Mikroreaktor zum Mischen von wenigstens zwei gasförmigen und/oder flüssigen Phasen zu schaffen, der mit geringem Fertigungsaufwand herstellbar und für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist. Außerdem soll der Mikroreaktor leicht zu reinigen sein und die Möglichkeit bieten, sämtliche Mischkammern mit den entsprechenden Phasen gleichmäßig zu versorgen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Kennzeichen des Anspruchs 1 enthaltenen Maßnahmen vorgeschlagen.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7. Insbesondere wenn der Mikroreaktor so ausgebildet ist wie in Anspruch 4 angegeben, lässt sich durch einfache Maßnahmen eine Anpassung an wechselnde Erfordernisse erreichen.

Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Mikroreaktors ist eine Verteilerstruktur zum Zuführen von wenigstens zwei Phasen in mehrere Mischkammern, zum Mischen oder Dispergieren der ggf. chemisch reaktionsfähigen Phasen. Die Verteilerstruktur ist in monolithischen Bauteilen mit integrierten mikrostrukturierten Mischkammern ausgebildet, die jeweils direkt an spezifische Gesamtkanäle angeschlossen oder über Einzelkanäle mit den Gesamtkanälen verbunden sein können. Diese Gesamtkanäle entstehen dadurch, dass die Bauteile an jeweils übereinstimmenden Stellen Bohrungen haben und in der Gebrauchsstellung des Mikroreaktors mehrere Bauteile zu einer Einheit zusammengesetzt sind. Es ist möglich, die Bauteile zum Aufbau unterschiedlicher Fliess-Systeme in unterschiedlicher Anzahl und/oder Ausführung und/oder Reihenfolge zu stapeln, ohne dass eine aufwendige Positionierung der Bauteile erforderlich ist. Auf diese Weise ist es auch möglich gleiche Strömungswege für die einzelnen Phasen zu schaffen und die Phasen gleichmäßig, ggf. unter Nutzung von Druckabfällen und daraus resultierenden Scherkräften in die Mischkammern zu dosieren. Das Vermischen der Phasen erfolgt dann in den Mischkammern oder unmittelbar davor, wobei die Wände der Mischkammern inert oder als Katalysatorträger, Elektrode, Ab- bzw. Adsorber oder Wärmeübertragungsfläche ausgebildet sein können.

In konsequenter Nutzung der Möglichkeiten, die sich aus der dreidimensionalen Verteilerstruktur ergeben, lassen sich auch photochemische Umsetzungen oder das Beaufschlagen des Phasengemischs mit Ultraschall realisieren. Die Mischkammern können offen oder mit porösen Füllungen, z.B. aus Schüttgütern oder Schaumstoffen gefüllt sein. Der erfindungsgemäße Mikroreaktor eignet sich für mischbare und nicht mischbare, flüssig-flüssig oder gas-flüssig Systeme, wobei die Anzahl der Phasen nicht beschränkt ist.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgen unter Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt
1 einen Mikroreaktor zum Mischen von zwei Phasen in schematischer Darstellung,
2 ein Bauteil eines Mikroreaktors in zusammengesetzter Form,
3 ein abgewandeltes Bauteil nach 2,
4A–4C eine schematische Explosionsdarstellungen der in den 2 und 3 gezeigten Bauteile und
5 eine Verteilerstruktur eines Mikroreaktors zum Mischen von drei Phasen.
Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen erhalten übereinstimmende Teile auch bei jeweils unterschiedlicher Gestaltung übereinstimmende Bezugsziffern.
Gemäß 1 umfasst ein Mikroreaktor eine Anzahl von Bauteilen (1), die durch den Zusammenbau form- und kraftschlüssig verbunden sind, um Abdichtflächen (2) zwischen den Bauteilen zusammenzupressen. Jedes Bauteil enthält Mischkammern (3), einen Zulaufkanal für jede der zu mischenden Phasen und einen Austrittskanal für das Phasengemisch bzw. Reaktionsprodukt. Die Zulauf- und Austrittkanäle bestehen aus einem sich durch sämtliche Bauteile erstreckenden Gesamtkanal (4, 5) und Einzelkanälen (6) bzw. (7). Mischkammern und Kanäle bilden in der Regel ein Fliess-System (vgl. 5), wobei dessen Größe in weiten Grenzen variierbar ist. Vorzugsweise sind die Kammern und Kanäle jeweils parallel zueinander angeordnet. Ihre Querschnitte können kreis- oder polygonförmig ausgebildet sein mit einem Durchmesser von im Allgemeinen 1 nm bis 5 mm, vorzugsweise 100 bis 2000 μm.
Der sehr einfach aufgebaute Mikroreaktor kann auch aus Bauteilen (1) modular zusammengesetzt sein, die, insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen, aus mehreren Elementen (8) bis (12) bestehen. Von diesen enthält das Element (8) mehrere integrierte Mischkammern (3) (2). Mit (9, 10) und (11, 12) sind Elemente bezeichnet, die die Zulauf- und Austrittskanäle aufweisen. Dabei haben die Elemente (10) und (12) an jeweils übereinstimmenden Stellen Bohrungen oder Durchbrüche, die in der Gebrauchstellung des Mikroreaktors die Gesamtkanäle (4) und (5) für den Zulauf der Phasen bzw. den Austritt des Phasengemischs bzw. Reaktionsprodukts bilden. Die Verbindung zwischen Mischkammer und Gesamtkanal erfolgt über einen oder mehrere Einzelkanäle (6, 7). Mischkammer und ggf. Einzelkanäle können sowohl in den Bauteilen (1) integriert als auch auf deren Verbindungsoberflächen (13) ausgebildet sein (3 und 4).
Die in unterschiedlicher Anzahl und/oder Ausführung und/oder Reihenfolge stapelbaren Bauteile (1) lassen sich mit wenigen Fixier- und Befestigungseinrichtungen zu einem Mikroreaktor zusammensetzen. Da die vorzugsweise aus Metall, Glas oder Kunststoff gefertigten Bauteile eine ausreichende Steifigkeit besitzen, kann über die Fixier- und Befestigungseinrichtungen für eine flüssigkeits- und gasdichte Verbindung ein genügender Anpressdruck erzeugt werden.
Erfindungsgemäße Mikroreaktoren können insbesondere verwendet werden bei Mikroblasensäule, Extraktionen, Gaswäschen und Absorptionen oder bei Reaktionen unter Verwendung Tester Katalysatoren und bei nicht mischbaren Eduktphasen.

Claims

Mikroreaktor zum Mischen von wenigstens zwei gasförmigen und/oder flüssigen Phasen mit jeweils einem Zulaufkanal (4, 6) für jede der Phasen, mehreren Mischkammern (3) und einem Austrittskanal (5, 7) für das Gemisch bzw. Reaktionsprodukt, wobei der Mikroreaktor aus modular zusammengesetzten Bauteilen (1) gebildet ist und die Bauteile zum Aufbau unterschiedlicher Fliess-Systeme in unterschiedlicher Anzahl und/oder Ausführung und/oder Reihenfolge stapelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Bauteile (1) an jeweils übereinstimmenden Stellen Bohrungen haben, die in Gebrauchsstellung Gesamtkanäle (4, 5) für den Zulauf der Phasen und/oder den Austritt des Gemischs bzw. Reaktionsprodukts bilden und dass die Bohrungen mit den Mischkammern (3) verbunden sind.
Mikroreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1) flüssigkeits- und gasdicht miteinander verbunden sind.
Mikroreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammern (3) in wenigstens einer Verbindungsoberfläche (13) der Bauteile (1) ausgebildet sind.
Mikroreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1) aus mehreren form- und kraftschlüssig miteinander verbundenen Elementen (8 bis 12) bestehen, von denen ein Element (8) die Mischkammern (3) enthält und die Elemente (9) und (10) die Zulaufkanäle (4, 6) für die Phasen und die Elemente (11) und (12) den Austrittskanal (5, 7) für das Gemisch bzw. Reaktionsprodukt aufweisen.
Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1) aus Metall, Glas oder Kunststoff bestehen.
Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1) aus einem katalytisch wirksamen Metall bestehen.
Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammern (3) mit einem katalytisch aktiven Material gefüllt sind.