DE102004035462A1

DE102004035462A1 - Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Prozesse

Info

Publication number: DE102004035462A1
Application number: DE102004035462A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr. Ehrfeld; Thomas Dr. Schwank
Original assignee: Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Current assignee: Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-03-16
Also published as: WO2006010490A1; EP1776183A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Prozesse sowie ein entsprechendes Verfahren, mit denen eine enge Verweilzeitverteilung für das Reaktionsmedium erzielt wird und gleichzeitig ein definierter Temperaturverlauf im Reaktionsraum eingestellt werden kann.

Description

Chemische Reaktionen lassen sich besonders vorteilhaft mit Hilfe der Mikroreaktionstechnik durchführen, bei der für die Grundoperationen der Verfahrenstechnik und die Reaktionen Bauelemente eingesetzt werden, deren kleinste charakteristische Abmessungen typischerweise im Bereich von einigen Mikrometern bis zu wenigen Millimetern liegen. Aufgrund der gegenüber den Standardbauteilen der chemischen Verfahrenstechnik kleinen Abmessungen kann man Mischvorgänge extrem beschleunigen und den Wärmetransport in Wärmetauschern drastisch erhöhen, wie beispielsweise in dem Artikel von W. Ehrfeld, V. Hessel und V. Haverkamp: Microreactors, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Edition, Wiley-VCH, 1999, erläutert wird. Durch die kleinen Abmessungen wird aber auch der Durchsatz begrenzt, sodass zur Produktion technisch relevanter Mengen ggf. eine größere Zahl von Mikroreaktionssystemen, die jeweils die entsprechenden verfahrenstechnischen Grundelemente enthalten, parallel geschaltet werden muss (Numbering-up-Prinzip).

Eine wirtschaftlich vorteilhaftere Lösung für die Produktion besteht darin, einfach nur die Zahl der verfahrenstechnisch relevanten Mikrostrukturen zu erhöhen. Dabei wird auf einem ausreichend großen Grundkörper bzw. Substrat eine hohe Zahl von parallel zu betreibenden Mikrostrukturelementen aufgebaut oder darin eingearbeitet und dieser Grundkörper in ein entsprechend größeres Gehäuse eingebaut (Equaling-up-Prinzip). Dieser Ansatz wird beispielsweise bei einem für hohe Massenströme ausgelegten Mischer verfolgt, bei dem einige zehntausend Mikrostrukturen in eine quadratische Platte mit einer Seitenlänge von etwa 10 cm und einer Dicke von 0,3 mm eingearbeitet sind, die alle parallel mit den zu mischenden Fluidströmen betrieben werden (Gebrauchsmusterschrift DE 202 18 972 U1 ). Damit lassen sich mit wässrigen Medien Volumenströme von einigen 1000 L/h bei niedrigen Druckverlusten von wenigen bar erzielen. Bekannt sind auch Mikro-Wärmetauscher, die aus gestapelten, mit vielen Mikrokanälen versehenen und miteinander verschweißten dünnen Platten bestehen. Die Grundgeometrie solcher Wärmetauscher ist annähernd würfelförmig, wobei bei einer Kantenlänge von beispielsweise 3 cm Wärmeübertragungsleistungen im Bereich von 100 kW erzielt werden können (K. Schubert, W. Bier, J. Brandner, M. Fichtner, C. Franz, G. Linder in 2nd International Conference on Microreaction Technology, 9.-12. März 1998, New Orleans, USA, Topical Conference Preprints, ISBN 0-8169-9945-7, S. 88-95).

Bisher gibt es solche mikroreaktionstechnischen Bauelemente, die für den Betrieb mit hohen Durchflussraten ausgelegt sind, allerdings nur als Einzelkomponenten, die untereinander keine geeigneten fluidischen Schnittstellen aufweisen. Darüber hinaus sind Bauelemente wie der oben genannte Hochleistungs-Mikrowärmetauscher wegen ihrer langen und sehr engen Kanäle in hohem Maß empfindlich gegenüber Verschmutzungen, da bereits kleine Partikel im Reaktionsmedium diese Kanäle verstopfen können.

Für den Aufbau von Reaktionssystemen, die mit hoher Effizienz im technischen Maßstab kontinuierlich betrieben werden können, sind also die bisher verfügbaren Bauelemente nur bedingt geeignet. Eine einfache Verschaltung zu einem aus Mischern, Reaktionsräumen und Wärmetauschern bestehenden Reaktionssystem würde es weder erlauben, einen definierten Verlauf der Reaktionstemperatur im chemischen Umsetzungsprozess vorzugeben noch eine definierte Reaktionszeit einzustellen. Die für die Mikroreaktionstechnik charakteristischen Vorteile der Intensivierung von Wärme- und Stofftransportvorgängen können damit letztlich nicht voll zum Tragen kommen. Nachteilig ist hierbei vor allem die Sachverhalt, dass in einer solchen Verschaltung fluidisch nicht aneinander angepasster Systemkomponenten unterschiedliche Volumenelemente des Prozessmediums unterschiedlich lange im Reaktionsraum verbleiben, sodass die Breite der Verweilzeitverteilung für die Reaktion sehr groß wird. Dies hat in der Regel zur Folge, dass für Volumenelemente, die nur vergleichsweise kurz im Reaktionsraum verbleiben, noch keine vollständige chemische Umsetzung erfolgt ist, während in anderen Volumenelementen, die z. B. in Totwasserzonen sehr lange im Reaktionsraum verbleiben, unerwünschte Folgereaktionen auftreten können. Optimale Werte für den Umsatz, die Selektivität und die Ausbeute der Reaktion lassen sich so kaum erreichen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren zu finden, mit denen chemische Umsetzungen im technischen Maßstab unter Nutzung mikroreaktionstechnischer Systemkomponenten so durchgeführt werden können, dass eine enge Verweilzeitverteilung bei einem definierten Temperaturverlauf im Reaktionsraum erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach dem Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen in einem kontinuierlichen Prozess umfasst eine Anordnung von Komponenten der Mikroreaktionstechnik für Reaktionen und Grundoperationen der Verfahrenstechnik, die für hohe Massenströme ausgelegt sind. Die vom Verfahrensmedium bzw. dem Reaktionsgemisch durchströmten Komponenten bestehen aus einer Vielzahl mikrotechnischer Funktionselemente, die in rohrförmige Gehäuse eingebaut sind, wobei die Gehäuse jeweils annähernd gleiche Strömungsquerschnittformen aufweisen und direkt oder über rohrförmige Zwischenstücke mit ebenfalls annähernd gleichen Strömungsquerschnittformen miteinander verbunden sind. Die Querschnittsformen können dabei kreisförmig, rechteckig oder vieleckig mit Abrundungen ausgeführt sein, wobei bei der Festlegung der Form vor allem fertigungstechnische Gesichtspunkte bezüglich der mikrostrukturierten Funktionselemente eine wichtige Rolle spielen.

Durch die Vielzahl der in einem Abschnitt bzw. in einer Komponente oder Modul jeweils parallel geschalteten mikrostrukturierten Funktionselemente (Equaling-up-Prinzip) wird das strömende Reaktionsgemisch beim Durchgang durch eine solche Komponente auf einer relativ kurzen Strecke in eine Vielzahl kleiner Teilströme aufgespalten, die sich dann wieder zu einem Gesamtstrom vereinigen. Da sich die Geschwindigkeitsprofile der Teilströme schnell ausgleichen, stellt sich im Gesamtstrom das Strömungsprofil einer Kolbenströmung (plug flow) ein, das wiederum zu einer engen Verweilzeitverteilung führt.

Die Verweilzeitverteilung der Teilströme hängt ebenfalls von deren Geschwindigkeitsprofilen ab. Wegen der kurzen Lauflänge kommt es in der Regel aber nur zur Ausbildung trapezförmiger Anlaufströmungen, die aufgrund der kleinen Abmessungen der Teilströme auch nur kurze Diffusionswege besitzen. Die zugehörige Verweilzeitverteilung ist deshalb wesentlich enger ist als im Fall einer ausgebildeten Laminarströmung, die bekanntlich ein parabelförmiges Geschwindigkeitsprofil mit entsprechend unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Volumenelemente am Rand bzw. in der Mitte der Strömung aufweist.

Da überdies die vom Reaktionsmedium durchströmten Querschnitte der Gehäuse annähernd gleich sind und die einzelnen Rohrabschnitte ohne Absätze oder abrupte Änderung der Querschnittsform glatt aneinander anschließen, wird eine Ablösung der Strömung von der Innenwand des Gehäuses vermieden. Damit werden Totwasserzonen mit langen Aufenthaltszeiten für Teile des Reaktionsgemischs, welche die Verweilzeitverteilung verbreitern würden, weitgehend ausgeschlossen. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird also im gesamten Reaktionssystem eine Strömungsverteilung erreicht, die zu weitgehend gleichen Aufenthaltszeiten für die einzelnen Volumenelemente des Reaktionsgemischs im durchströmten Volumen führt und insgesamt eine vorteilhafte enge Verweilzeitverteilung für das Reaktionsgemisch gewährleistet.

Auf diese Weise wird ein aus einzelnen Abschnitten bestehendes, rohrförmiges Reaktionssystem mit in Strömungsrichtung aufeinander folgenden, mikrostrukturierten Funktionselementen gebildet, wobei diese Funktionselemente zusammen mit dem Gehäuse Komponenten des Reaktionssystems bilden. Sieht man von der ersten Komponente des Systems ab, die vorzugsweise als Mischer zur Herstellung des Reaktionsgemischs ausgeführt ist, sind die weiteren Komponenten als Einheiten ausgeführt, die vom Reaktionsgemisch durchströmt werden. Dabei kann es sich um Komponenten zur Durchführung von Grundoperationen der Verfahrenstechnik, beispielsweise zum Wärmetausch, Zumischen weiterer Substanzen oder Trennen, handeln oder um Reaktionsräume, die beispielsweise heterogene Katalysatoren enthalten. Weitere Komponenten können der Prozessanalytik dienen.

Der Reaktionsraum für die chemische Umsetzung im erfindungsgemäßen Reaktionssystem wird durch das gesamte durchströmte Volumen oder Teile dieses Volumens gebildet, wobei die Länge der Verweilzeit durch die Größe des Volumens und den Volumen- bzw. Massenstrom des Reaktionssystems vorgegeben wird. Je nach geforderter Verweilzeit kann diese durch eine entsprechende Einstellung dieses Stroms oder durch eine Änderung des Volumens vorgegeben werden, wobei es besonders kostengünstig ist, einzelne Rohrabschnitte mit geeigneter Länge zur Einstellung des Volumens bzw. der Verweilzeit zwischen den mit mikrostrukturierten Funktionselementen versehenen Komponenten als Verweilerstrecken einzufügen. Da in diesen für eine gewisse Laufstrecke, die mehrere Rohrdurchmesser bzw. bei Rohren mit beispielsweise rechteckförmigem Querschnitt mehrere Rohrbreiten lang sein kann, eine Kolbenströmung vorliegt, bleibt innerhalb dieser Rohrabschnitte eine enge Verweilzeitverteilung erhalten.

Bei längeren Verweilerstrecken oder sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten ist es zur Aufrechterhaltung bzw. Wiedereinstellung der Kolbenströmung zweckmäßig, in die Rohrabschnitte senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtete Platten einzubauen, die mit einer Vielzahl von Öffnungen oder Kanälen versehen und kostengünstig herzustellen sind. Auch hier wird, wie bereits ausgeführt, das gewünschte Profil einer Kolbenströmung durch Vereinigung zahlreicher kleiner Teilströme realisiert.

Um mit einer überschaubaren Zahl von Bauelementen den unterschiedlichen Anforderungen verschiedenster chemischer Reaktionen zu genügen, sind die Komponenten mit in rohrförmige Gehäuse eingebauten mikrostrukturierten Funktionselementen und die als Verweilerstrecken dienenden Rohrabschnitte vorzugsweise als Module mit definierter Länge gemäß einem vorgegebenen Rastermaß ausgeführt. Dadurch ist es möglich, Module mit unterschiedlichen Funktionselementen, aber gleichem Rastermaß gegeneinander auszutauschen und mit minimalem Aufwand die Reihenfolge der Module bzw. die Konfiguration des Reaktionssystems zu verändern. Mit einem Bausatz von Modulen kann der Anwender ggf. nach Beendigung der Nutzung flexibel völlig andere Reaktionssysteme aufbauen, ohne dass sich zusätzliche Investitionskosten ergeben. Ein typisches Rastermaß für die Baulänge der Module ist ein Viertel des Innendurchmessers bei kreiszylindrischem Querschnitt bzw. der Breite bei quadratischem Querschnitt. Bei Modulen, die für einen Volumenstrom von 1000 L/h für wässrige Reaktionsmedien ausgelegt sind, wird beispielsweise ein Rastermaß 25 mm gewählt.

Die Verbindung der Module kann dabei einfach über Flansche erfolgen. Eine besonders kostengünstige und flexible Lösung besteht aber auch in der Möglichkeit, die Module nur in Form von Rohrabschnitten auszuführen und diese nach dem Einfügen von Dichtungselementen mit Hilfe eines Spannsystems, das sich über die gesamte Länge des rohrförmigen Reaktionssystems erstrecken kann, zusammenzupressen.

In einigen Fällen kann aufgrund verschiedener physikalischer, chemischer, strömungstechnischer oder sonstiger Mechanismen bei speziellen Modulen die Form des Strömungsquerschnittes der übrigen Module nicht über die gesamte Länge übernommen werden. Dies kann beispielsweise photochemische Prozesse betreffen, wenn das eingestrahlte Licht bereits auf einer sehr kurzen Strecke vom Reaktionsmedium absorbiert wird. In diesem Fall ist es notwendig, den Reaktionsraum als dünne, von Wänden bzw. Fenstern begrenzte Schicht mit entsprechend großer Flächenausdehnung zu gestalten. Entsprechendes gilt auch für Festbettkatalysatoren mit hohem Strömungswiderstand pro durchströmte Flächeneinheit, bei denen die Querschnittsfläche zur Vermeidung unzulässiger Druckverluste vergrößert werden muss. Eine Vergrößerung der Querschnittsfläche kann auch bei Verweilerstrecken zweckmäßig sein, wenn relativ lange Verweilzeiten bzw. entsprechend Verweilvolumina notwendig sind.

In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist deshalb vorgesehen, solche Geometrien durch geeignet geformte Übergangsbereiche allmählich an die Querschnittsformen der unmittelbar benachbarten Komponenten bzw. Module anzupassen. Bei einem kreisförmigen Querschnitt des Festbettkatalysators sind solche Übergangsbereiche beispielsweise in Form eines schlanken Konus ausgeführt. Dadurch ist gewährleistet, dass es nicht zu einer Ablösung der Strömung von der Innenwand des Gehäuses kommt und die Ausbildung von Totwasserzonen verhindert wird, die sich zwangsläufig bei abrupten Änderungen des Strömungsquerschnitts ausbilden und die Verweilzeitverteilung in nachteiliger Weise verbreitern würden.

Die notwendige Länge solcher Übergangsbereiche kann durch den Einbau von senkrecht zur Strömung ausgerichteten und mit kleinen Öffnungen versehenen Platten wesentlich verkürzt werden, ohne dass die Verweilzeitverteilung unzulässig verbreitert wird.

Im Folgenden werden einzelne Komponenten oder Module der erfindungsgemäßen Vorrichtungen näher beschrieben. Gemeinsam ist diesen Bauteilen, dass diese im Reaktionssystem so durchströmt werden, dass eine Vielzahl kleiner Teilströme in den mit Mikrostrukturen versehenen Bereichen erzeugt werden, wobei sich diese Teilströme anschließend wieder zu einem Hauptstrom vereinigen, der ohne Strömungsablösung an der Gehäusewand geführt wird.

Ein entsprechender Mischer für die Zumischung weiterer Substanzen kann vorteilhaft so ausgeführt werden, dass mehrere, mit seitlichen Öffnungen versehene Röhrchen oder vergleichbare Strukturelemente senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet sind. Die betreffenden Substanzen werden von außen in die Röhrchen eingeleitet und über die seitlichen Öffnungen dem Hauptstrom zugeführt. Beim Durchströmen der von den Röhrchen gebildeten Mischungszone wird der Hauptstrom in viele parallel verlaufende, schmale lamellenförmige Teilströme aufgespalten, in die seitlich die Teilströme der weiteren Substanzen einströmen, sodass eine schnelle und gleichmäßige Vermischung gewährleistet ist. Dabei ist es ohne weiteres möglich, in benachbarte Röhrchen unterschiedliche Substanzen einzuleiten. Die Anordnung kann aus geraden, parallel ausgerichteten Röhrchen bestehen oder auch aus übereinander angeordneten Röhrchenebenen, wobei die Röhrchen gegeneinander versetzt oder bezüglich der Röhrchenachsen um einen bestimmten Winkel verdreht sind. Neben parallelen geraden Röhrchen können selbstverständlich auch andere Anordnungen, beispielsweise Geometrien in Form einer Spirale oder einer Helix, verwendet werden. Ebenso kann es vorteilhaft sein, anstelle von Röhrchen mit kreisförmigem Querschnitt auch Zuleitungen mit anderen Querschnittsformen einzusetzen.

Als Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind gemäß den oben genannten Randbedingungen Anordnungen geeignet, bei denen in das vom Reaktionsgemisch durchströmte Gehäuse senkrecht zur Strömung ausgerichtete Röhrchen eingebaut sind, die von einem Wärmeträgermedium durchströmt oder elektrisch beheizt werden. Zur Erhöhung des Wärmeübergangs werden solche Röhrchen in Richtung des Hauptstroms zweckmäßigerweise gegeneinander versetzt in mehreren Ebenen angeordnet. Bei Wärmetauscher-Modulen, die für wässrige Reaktionsmedien und Volumenströme im Bereich von 1000 L/h ausgelegt sind und eine Gehäusequerschnittsfläche von etwa 100 cm² besitzen, werden vorteilhaft Röhrchen mit einem Außendurchmesser im Bereich von einem Millimeter eingesetzt, die in einem Abstand von weniger als einem Millimeter angeordnet sind. Solche Hochleistungs-Mikrowärmetauscher erreichen Übertragungsleistungen von einigen 10 kW, weisen geringe Druckverluste auf und sind überdies leicht zu reinigen.

Bei einem anderen Typ eines Hochleistungs-Mikrowärmetauschers werden in das vom Reaktionsgemisch durchströmte Gehäuse plattenförmige Körper eingebaut, die elektrisch beheizt oder als Hohlkörper von einem Wärmeträgermedium durchströmt werden. Solche Mikroplattenwärmetauscher haben typischerweise Plattenabstände im Submillimeterbereich, wobei die Platten einfach demontiert und gereinigt werden können. Wie bei dem oben beschriebenen Mikroröhrbündelwärmetauscher werden auch hier bei entsprechenden Randbedingungen Wärmeübertragungsleistungen von einigen 10 kW erreicht.

Die hier beschriebenen Mikrowärmetauscher können in einfacher Weise für katalytische Umsetzungen genutzt werden, indem katalytisch aktive Schichten auf die Röhrchen oder Platten der Mikrowärmetauscher aufgebracht werden. Ein wesentlicher Vorteil solcher Katalysatormodule besteht darin, dass die die Temperatur der katalytisch wirksamen Oberfläche genau eingestellt werden kann. Gleichzeitig ist gewährleistet, dass auch die Temperatur des Reaktionsgemischs durch die hohe Wärmeübertragungsleistung solcher Anordnungen genau eingestellt werden kann, was sich positiv auf Ausbeute und Selektivität der Reaktion auswirkt.

Bei einem weiteren Katalysatormodul werden katalytisch aktive Pulver oder Katalysator-Pellets zwischen zwei Lochplatten oder Sieben eingebracht, die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung in das Gehäuse eines Moduls bzw. einer Komponente eingebaut sind. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass ohne Probleme Katalysatoren kommerziell üblicher Lieferform als Festbett und bei ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeiten auch als Fließbett eingesetzt werden können. Zur Erzielung einer ausreichend großen, vom Reaktionsgemisch durchströmten Fläche bzw. zur Reduzierung des Strömungswiderstandes können die Lochplatten oder Siebe beispielsweise auch gewellt oder kegelförmig gestaltet sein. Ebenso ist es möglich, anstelle von Schüttungen aus losen Pulvern oder Pellets entsprechend geformte, stabile Sinterkörper aus katalytisch aktivem Material einzusetzen.

Die Eigenschaften der hier beschriebenen Katalysatormodule lassen sich in vorteilhafter Weise kombinieren, indem katalytisch aktive Pulver oder Katalysator-Pellets in die Zwischenräume zwischen den Röhrchen oder Platten der Mikrowärmetauscher eingebracht und durch Lochplatten oder Siebe oberhalb und unterhalb der Röhrchen oder Platten eingeschlossen werden. Die von Lochplatten bzw. Sieben, Wärmetauscher-Röhrchen bzw. -Platten und Katalysatormaterial gebildete Anordnung ist in ein Modulgehäuse eingebaut und wird vom Reaktionsgemisch durchströmt.

Überdies ist es möglich, in solche Anordnungen anstelle von Katalysatormaterialien auch Schüttungen aus anderen Funktionsmaterialien einzubringen, mit denen spezielle Substanzen, beispielsweise durch Absorption oder Adsorption, aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden können.

Die Möglichkeiten zum gezielten Kühlen oder Aufheizen solcher Funktionsmaterialien können vorteilhaft in der Weise genutzt werden, dass durch Kühlen die Absorptions- bzw. Adsorptionseffekte verstärkt werden können, während durch Aufheizen die festgehaltenen Substanzen wieder freigesetzt und die Absorptions- bzw. Adsorptionsmaterialien wieder regeneriert werden können. Eine entsprechende Regeneration bzw. Aktivierung kann selbstverständlich auch mit Katalysatormaterialien erfolgen, wobei gegebenenfalls das Reaktionsgemisch für diesen Zweck durch ein geeignetes Regenerationsmedium ersetzt werden kann.

Im Folgenden werden erfindungsgemäße Verfahren, die unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtungen durchgeführt werden, sowie die zugrunde liegenden Überlegungen näher erläutert.

Dem Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen in einem kontinuierlichen Prozess unter Verwendung einer Anordnung von für hohe Massenströme ausgelegten Elementen der Mikroreaktionstechnik für Reaktionen und Grundoperationen der Verfahrenstechnik liegt also folgender Gedanke zugrunde: Das strömende Verfahrensmedium wird in einer rohrförmigen Anordnung so geführt, dass es beim Durchströmen der mikrotechnischen Funktionselemente in eine Vielzahl von kleinen Teilströmen aufgespalten wird und diese Teilströme anschließend zu einem Gesamtstrom zusammengeführt werden, wobei die Vorgänge des Aufspaltens und Zusammenführens mehrfach wiederholt werden. Gemäß diesem Verfahrensablauf wird durch die Abfolge von parallelen kleinen Teilströmen mit kurzen Diffusionslängen und die Ausbildung kolbenförmiger Strömungsprofile bei der Vereinigung der Teilströme insgesamt eine Strömungsverteilung im Reaktionssystem erzielt, bei der die einzelnen Volumenelemente des Reaktionsgemischs annähernd gleich lange im Reaktionssystem verbleiben, also eine enge Verweilzeitverteilung erreicht wird.

In einer Weiterbildung des Verfahrens, bei dem mit mikrotechnischen Funktionselementen eine Vielzahl von kleinen Teilströmen erzeugt wird und diese mehrfach wiederholt zu einem Gesamtstrom zusammengeführt werden, ist bei vorgegebenem Durchsatz eine kostengünstige Einstellung vor allem längerer Verweilzeiten möglich. Zu diesem Zweck werden die Volumina zwischen den betreffenden, mit mikrotechnischen Funktionselementen versehenen Komponenten bzw. das Gesamtvolumen des Reaktionsraums entsprechend erhöht, indem Verweilerstrecken in Form von Rohrabschnitten, ggf. mit vergrößertem Querschnitt und in Verbindung mit einem geeignet gestalteten Übergangsbereich, zwischen diese Komponenten eingebracht werden.

Entscheidend für Selektivität, Umsatz und Ausbeute ist bei vielen Reaktionen ein definierter Temperaturverlauf im zeitlichen und räumlichen Ablauf des chemischen Umsetzungsprozesses. Durch eine geeignete Folge von Komponenten bzw. Modulen mit Mikrowärmetauschern kann dieser Temperaturverlauf im strömenden Reaktionsgemisch entlang der Strömungsrichtung in gewünschter Weise eingestellt werden. Ist beispielsweise die bei der Reaktion entstehende Wärme bei einem exothermen Prozess am Beginn der Reaktion sehr hoch, so kann man hier zunächst nur kurze Rohrabschnitte als Verweilerstrecken zwischen einzelne Wärmetauscher-Komponenten einfügen bzw. die Volumina dieser Komponenten als Reaktionsvolumina nutzen. Weiter stromabwärts, wenn bereits ein entsprechender Teil des Reaktionsgemisches umgesetzt ist und die lokale Entstehung von Reaktionswärme entsprechend geringer wird, kann man die für die Verweilzeit erforderliche Länge der als Verweilerstrecken dienenden Rohrabschnitte entsprechend vergrößern und so zu einem annähernd konstanten Temperaturverlauf im strömenden Reaktionsgemisch kommen.

Dieser Sachverhalt gilt entsprechend auch für endotherme Reaktionen, bei denen im Reaktionsgemisch Wärme verbraucht wird und eine Wärmezufuhr zur Einstellung der Reaktionstemperatur erforderlich ist. Die hier beschriebene Möglichkeit zur Einstellung des Temperaturverlaufs entlang der Hauptströmungsrichtung ist natürlich nicht nur zur Erzielung einer konstanten Temperatur geeignet, sondern es können auch andere Temperaturverläufe, beispielsweise mit einer Erhöhung oder Absenkung der Temperatur am Anfang oder Ende der Reaktion realisiert werden.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und die entsprechenden Verfahren können nicht nur für einstufige, sondern auch für mehrstufige Reaktionen eingesetzt werden. In diesem Fall werden beispielsweise dem strömenden Reaktionsgemisch eine oder mehrere weitere Substanzen mit Hilfe eines durchströmbaren Mikromischers zugemischt und anschließend umgesetzt.

Auch bereits im strömenden Reaktionsgemisch vorhandene Substanzen können mittels einer Durchleitung durch mit Katalysatoren versehenen Komponenten (Katalysator-Module) umgesetzt werden. Nach einer ersten Reaktion in weiter stromaufwärts liegenden Bereichen des Reaktionssystems kann so eine Folgereaktion mit bereits vorher gebildeten Reaktionsprodukten eingeleitet werden.

Weiterhin ist es möglich, eine Folgereaktion durch eine zusätzliche Energiezufuhr in das strömende Reaktionsgemisch bzw. in den bereits gebildeten Reaktionsprodukten einzuleiten.

Dies kann beispielsweise durch eine Temperaturerhöhung in einer mit Heizelementen versehenen Komponente erfolgen oder mit Komponenten, welche beispielsweise die Einstrahlung von Licht, die Einwirkung von Ultraschall, das Durchleiten von elektrischem Strom oder die Anregung eines Plasmas bewirken. Wesentlich ist dabei, dass die eingesetzten Komponenten vom Reaktionsgemisch durchströmt werden können.

Von besonderer Bedeutung für die effiziente Durchführung kontinuierlicher Reaktionsprozesse ist die Überwachung, Steuerung und Regelung des Prozesses. Die Module des Reaktionssystems können deshalb mit entsprechenden Sensoren ausgerüstet werden, mit denen beispielsweise lokal die Temperatur des Reaktionsmediums gemessen und auf den Sollwert eingeregelt wird, indem die Temperatur und/oder der Durchsatz des Wärmetauschermediums im Wärmetauscher-Modul in der erforderlichen Weise verändert werden. Wichtig ist weiter die Prozessanalytik, für die bevorzugt Module für eine kontinuierliche optische Analyse eingesetzt werden, mit denen beispielsweise die optische Absorption eines speziellen Bestandteils des Prozessmediums in einem bestimmten Spektralbereich gemessen wird. In anderen Fällen erfolgt die Analyse über die Entnahme von Proben, für die spezielle Probenahmeventile an entsprechenden Modulen angebracht sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Nachfolgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1: Schematische Darstellung eines aus Modulen aufgebauten Reaktionssystems für die Durchführung kontinuierlicher Reaktionen mit hohen Massenströmen
2: Schematische Darstellung der Entwicklung der Strömungsprofile beim Durchströmen eines Moduls mit einer Vielzahl parallel geschalteter mikrotechnischer Funktionselemente
3: Einfügung von Verweilerstrecken mit und ohne Lochplatten zur Erhöhung des Reaktionsvolumens bzw. der Verweilzeit und zur Einstellung der Reaktionstemperatur
4: Modularer Aufbau mit Spannsystem
5: Mikromischer zur Einspeisung weiterer Substanzen in den Reaktionsgemischstrom
6: Katalysatormodule
7: Übergangsbereiche zur Angleichung der Querschnittsform von schmalen und breiten Funktionsbereichen an die Normquerschnittsform benachbarter Gehäuse
1 zeigt eine schematische Darstellung eines aus modularen Komponenten (Modulen) 1 aufgebauten Reaktionssystems für die Durchführung kontinuierlicher Reaktionen mit hohen Massenströmen. In die Module 1 ist eine Vielzahl parallel geschalteter mikrotechnischer Funktionselemente 2 für die Durchführung von Reaktionen und Grundoperationen der Verfahrenstechnik eingebaut. Die Gehäuse 3 der Module sind rohrförmig gestaltet und weisen jeweils gleiche Strömungsquerschnittformen, bezogen auf die Innenwand der Gehäuse, auf. Die Gehäuse sind über Flansche 4 mit dazwischen liegenden Dichtungen (nicht dargestellt) miteinander verbunden. Die Bestandteile A und B des Reaktionsgemischs C werden über Zuleitungen 5 zunächst einem Fluidverteilersystem 6 zugeführt und von diesem in eine Vielzahl parallel betriebener, mikrotechnischer Mischelemente 7 eingeleitet, mit denen eine Vielzahl einheitlich zusammengesetzter Teilströme c des Reaktionsgemischs erzeugt wird, die sich zu einem Gesamtstrom C des Reaktionsgemischs vereinigen. Die Reaktion kann teilweise oder vollständig bereits unmittelbar in oder nach den mikrotechnischen Mischelementen erfolgen oder in nachgeschalteten mikrotechnischen Funktionselementen 2a, 2b oder 2c eingeleitet werden. Diese nachgeschalteten Funktionselemente können aber auch dem Zweck dienen, physikalische Zustandsänderungen, beispielsweise eine Änderung der Temperatur in Wärmetauschern, zu bewirken oder für Folgereaktionen bei mehrstufigen Prozessen genutzt werden. Die jeweiligen Veränderungen des Reaktionsgemischstroms bzw. der entsprechenden Teilströme sind durch die Buchstaben D und E bzw. d und e gekennzeichnet, während F den aus dem Reaktionssystem abgeführten Produktstrom darstellt.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Entwicklung der Strömungsprofile im Reaktionsgemisch beim Durchströmen eines Moduls 1 mit einer Vielzahl parallel geschalteter mikrotechnischer Funktionselemente 2. Als Beispiel wird ein Mikrowärmetauscher 8 mit einem Bündel senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichteter Röhrchen 9 herangezogen, wobei aus Gründen der Übersicht die Abstände zwischen den Röhrchen vergrößert und die Zahl der Röhrchen, die bei einigen hundert liegen kann, stark reduziert ist. Das Geschwindigkeitsprofil V1 des auf das Rohrbündel zuströmenden Reaktionsgemischs entspricht zunächst dem einer Kolbenströmung, die sich bereits vorher, wie auch nachfolgend beschrieben, aus dem Zusammenlaufen einer Vielzahl kleiner Teilströme gebildet hat. Beim Eintritt in das Röhrchenbündel steigt die Geschwindigkeit zwischen den Röhrchen an und beim Austritt ergibt sich ein Profil V2 mit einer Vielzahl von Bereichen hoher Geschwindigkeit. Die schmalen, zwischen den Röhrchen liegenden Totwasserzonen wirken sich auf die Breite der Verweilzeitverteilung nur in geringem Maß aus, da zwischen den Bereichen mit hoher Geschwindigkeit aufgrund der kleinen Querabmessungen ein schneller Stoffaustausch durch Diffusion erfolgt, der überdies meist noch über einen konvektiven Stofftransport durch Sekundärströmungen unterstützt wird. Durch viskosen und gegebenenfalls auch durch Turbulenz bewirkten Geschwindigkeitsausgleich geht das Profil V2 schnell in die Profile V3 und V4 über und dann in das Profil V5 einer Kolbenströmung. Für diese gilt natürlich die so genannte Haftbedingung, das heißt, die Geschwindigkeit fällt an der Gehäusewand in einer schmalen Grenzschicht auf Null ab.
3 macht deutlich, wie die Verweilzeit bei vorgegebenem Durchsatz kostengünstig verlängert und die Temperatur im strömenden Reaktionsgemisch eingestellt werden kann. Zwischen den mit mikrotechnischen Funktionselementen 2 versehenen Modulen 1 sind Rohrabschnitte als Verweilerstrecken 10 eingefügt, deren Länge bzw. Volumen entsprechend der gewünschten Verweilzeit vorgegeben wird. Auch bei langen Verweilerstrecken oder beim allmählichen Übergang zu größerem Durchmesser kann ein annähernd kolbenförmiges Strömungsprofil durch das Einfügen von Platten 11 mit einer großen Zahl von kleinen Öffnungen aufrecht erhalten werden, wie bereits oben erläutert wurde.
Über die Länge der Reaktionsstrecke s kann überdies der Temperaturverlauf im Reaktionsgemisch eingeregelt werden. Die mit mikrotechnischen Funktionselementen 2 versehenen Module 1 sind dabei jeweils Wärmetauscher. Aufgrund der am Beginn der Reaktion freigesetzten hohen Menge an Reaktionswärme steigt zunächst die Temperatur entsprechend steil von einem Wert T₀ auf die Temperatur T₁ an, die beim Durchlaufen durch das Wärmetauschermodul wieder auf die Temperatur T₂ abgesenkt wird. Danach kommt es wieder zu einem Anstieg auf T₁, der wegen etwas geringeren pro Streckeneinheit freigesetzten Wärmemenge etwas langsamer erfolgt. In den nachfolgenden Verweilerstrecken 10 wird deren Länge weiter vergrößert, um der immer geringer werdenden Wärmemenge Rechnung zu tragen und die Temperatur innerhalb einer gewissen Schwankungsbreite zu halten. Am Ende der Laufstrecke kann es dann zweckmäßig sein, die Temperatur in einem entsprechenden Wärmetauscher stark auf T₃ abzusenken, um die Reaktion abzubrechen oder unerwünschte Folgereaktionen zu verhindern.
4 zeigt eine spezielle, besonders montagefreundliche Ausführungsform des Reaktionssystems, bei dem die Länge einzelnen Module 1 einem ganzzahligen Vielfachen einer vorgegebenen Rasterlänge R entspricht. Der Reaktionsraum ist über Dichtungsringe 12 zwischen den Modulen nach außen abgedichtet. Die Module 1 werden über ein Spannsystem zusammengepresst, das im Wesentlichen aus einer oberen Spannplatte 13 und einer unteren Spannplatte 14 sowie mit Gewinden versehenen Stangen 15 besteht.
Eingefügt sind in 4 auch Mischermodule 16, bei denen zur Durchführung mehrstufiger Reaktionen weitere Anschlüsse zur Einspeisung zusätzlicher Substanzen in das Reaktionssystem vorgesehen sind.
5 zeigt einen speziellen Mikromischer, der vom ursprünglichen Reaktionsgemisch durchströmt werden kann, wobei zur Durchführung mehrstufiger Reaktionen weitere Substanzen in Form kleiner Teilströme g dem Reaktionsgemischstrom E zugeführt werden. Das Mischermodul 16 besteht aus dem Gehäuse 3 sowie mikrotechnischen Funktionselementen 2, die als mit seitlichen Öffnungen 18 versehene Röhrchen 17 ausgeführt sind, die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgemischstroms E angeordnet sind.
6 zeigt verschiedene Ausführungsformen von Katalysatormodulen, die aus Wärmetauscher-Anordnungen abgeleitet sind. Beim Modul 19 sind gegeneinander versetzt angeordnete Röhrchen 21 mit porösem Material 22 beschichtet, in dessen Poren die katalytisch aktive Substanz nach bekannten Methoden, beispielsweise durch einen Tränkprozess, eingebracht ist. Beim Modul 20 ist zwischen plattenförmig ausgeführte Hohlkörper 23, die von einem Wärmeträgermedium durchflossen oder auch elektrisch geheizt werden, Katalysatormaterial 24 eingebracht. Die typischen Abstände zwischen zwei Hohlkörpern liegen bei etwa 1 mm. Oberhalb und unterhalb der aus den Hohlkörpern 23 und Katalysatormaterial 24 gebildeten Anordnung sind mit Öffnungen versehene Abdeckplatten 25 angebracht. In einem anderen Betriebsmodus kann das Katalysatormaterial wieder aktiviert werden oder es kann anstelle von Katalysatormaterial beispielsweise ein Absorbermaterial eingebracht werden.
7 zeigt Anordnungen mit Komponenten und Modulen, bei denen die Strömungsquerschnitte in den jeweiligen Funktionsabschnitten, die mit mikrotechnischen Funktionselementen versehen sind, von den Querschnittsformen der benachbarten Komponenten, Verweilerstrecken oder Module abweichen. In diesem Fall sind Übergangsbereiche erforderlich, durch die die Querschnittsform des Funktionsbereichs allmählich an die Querschnittsformen der unmittelbar benachbarten Module angeglichen wird, wie in 7 schematisch gezeigt wird. Ist der Querschnitt eines Funktionsbereichs 26 kleiner als der Normquerschnitt der Gehäuse, erfolgt der Übergang in einem konvergenten Zuführungskanal 27, der eine relativ kurze Länge besitzen kann, da es hier in der Regel zu keiner Ablösung der Strömung von der Kanalwand und damit nicht zu Totwasserzonen kommt, die zu einer Verbreiterung der Verweilzeitverteilung führen würden. Der divergente Abführungskanal 28 ist hingegen wesentlich länger ausgebildet, um den für die Ablösung wesentlichen Winkel zwischen der Wendetangente der Kanalwand und der Hauptströmungsrichtung ausreichend klein zu halten. Durch Einfügen von Lochplatten 11 kann eine Ablösung unterdrückt und der Übergang der Gehäusequerschnitte mit einem kürzeren divergenten Abführungskanal 29 realisiert werden. Ist der Querschnitt eines Funktionsbereichs 30 größer als der Normquerschnitt der Gehäuse, erfolgt entsprechend der Übergang in einem divergenten Zuführungskanal 31 und einem konvergenten Abführungskanal 32. Zur Vermeidung einer Ablösung der Strömung von der Kanalwand sollte der divergente Zuführungskanal 31 eine schlanke Form besitzen. Durch Einfügen von Lochplatten 11 kann der Übergang auch mit einem kürzeren divergenten Zuführungskanal 33 realisiert werden. Für Funktionsbereiche, die beispielsweise eine plattenförmige Gestalt aufweisen, also in einer Richtung breiter und der anderen Richtung schmäler sind als der Normquerschnitt der Gehäuse, gelten entsprechende Kriterien für die Gestaltung der Übergangsbereiche.

A, B: Bestandteile des Reaktionsgemischs vor der Reaktion
C: Reaktionsgemischstrom
c: Teilströme des Reaktionsgemischs
D, E: Chemisch oder physikalisch veränderte Reaktionsgemischströme
d, e: Chemisch oder physikalisch veränderte Teilströme des Reaktionsgemischs
F: Produktstrom
f: Teilströme des Produkts
G: zusätzlich eingespeister Bestandteil für mehrstufige Reaktionen
g: zusätzlich eingespeiste Teilströme für mehrstufige Reaktionen
H: Temperiermedium
R: Rasterlänge
s: Reaktionsstrecke
T: Temperatur
V: Geschwindigkeitsprofile
x: Breite oder Durchmesser des Rohres
1: Modulare Komponenten (Module) des Reaktionssystems
2: Mikrotechnische Funktionselemente (parallel betrieben)
3: Gehäuse der Module
4: Flansch
5: Zuleitungen für die Bestandteile A und B des Reaktionsgemischs
6: Fluidverteilersystem
7: Mikrotechnische Mischelemente (parallel betrieben)
8: Mikrowärmetauscher
9: Röhrchen des Mikrowärmetauschers
10: Verweilerstrecke
11: Lochplatte
12: Dichtungsring
13: Obere Spannplatte
14: Untere Spannplatte
15: Spannstangen
16: Mischermodul
17: Röhrchen des Mischermoduls
18: Öffnungen
19: Katalysatormodul mit katalytisch beschichteten Röhrchen
20: Katalysatormodul mit temperiertem Katalysatormaterial
21: Röhrchen als Katalysatorträgerstruktur
22: Poröse Beschichtung mit katalytisch aktiver Substanz
23: Plattenförmige Hohlkörper
24: Katalysatormaterial
25: Abdeckplatte
26: Funktionsbereich mit engem Strömungsquerschnitt
27: Konvergenter Zuführungskanal
28: Divergenter schlanker Abführungskanal
29: Divergenter kurzer Abführungskanal
30: Funktionsbereich mit breitem Strömungsquerschnitt
31: Divergenter schlanker Zuführungskanal
32: Konvergenter Abführungskanal
33: Divergenter kurzer Zuführungskanal

Claims

Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen in einem kontinuierlichen Prozess, bestehend aus einer Anordnung von Komponenten der Mikroreaktionstechnik für chemische Reaktionen und Grundoperationen der Verfahrenstechnik, wobei diese Komponenten für hohe Massenströme ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von mikrostrukturierten Funktionselementen in rohrförmige Gehäuse eingebaut ist, wobei die Gehäuse der Komponenten jeweils annähernd gleiche Strömungsquerschnitte für den Gesamtstrom des Verfahrensmediums aufweisen und direkt miteinander verbunden sind, so dass ein aus einzelnen Abschnitten bestehendes, rohrförmiges Reaktionssystem mit in Strömungsrichtung aufeinander folgenden mikrotechnischen Funktionselementen gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Reaktionsmedium durchströmten Querschnitte auf der Zuström- und der Abströmseite der Gehäuse annähernd gleich sind und die einzelnen Rohrabschnitte ohne Absätze oder abrupte Änderung der Querschnittsform glatt aneinander anschließbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten mit in rohrförmige Gehäuse eingebauten mikrostrukturierten Funktionselementen als Einheiten ausgeführt, die vom Reaktionsgemisch durchströmt werden und zur Durchführung von Grundoperationen der Verfahrenstechnik, als Reaktionsräume und/oder zur Prozessanalytik dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die mit mikrostrukturierten Funktionselementen versehenen Komponenten einzelne Rohrabschnitte mit geeigneter Länge zur Einstellung des Volumens bzw. der Verweilzeit als Verweilerstrecken eingebaut sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die als Verweilerstrecken dienenden Rohrabschnitte mit vorgebbarer Länge senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtete Platten eingebaut sind, die eine Vielzahl von Öffnungen oder Kanälen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten mit in rohrförmige Gehäuse eingebauten mikrostrukturierten Funktionselementen und die als Verweilerstrecken dienenden Rohrabschnitte als Module mit definierter Länge gemäß einem vorgegebenen Rastermaß ausgeführt und untereinander austauschbar oder zum Aufbau anderer Konfigurationen von Reaktionssystemen einsetzbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Module in Form von Rohrabschnitten ausgeführt sind, die nach dem Einfügen von Dichtungselementen mit Hilfe eines Spannsystems zusammengepresst werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten und Module, deren Strömungsquerschnitt im Funktionsabschnitt von dem der Querschnittsform der benachbarten Komponenten, Verweilerstrecken oder Module abweicht, mit Übergangsbereichen versehen werden, durch die die Querschnittsform des Funktionsbereichs allmählich an die Querschnittsformen der unmittelbar benachbarten Module angeglichen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Übergangsbereiche senkrecht zur Strömung ausgerichtete und mit einer Vielzahl von kleinen Öffnungen oder Kanälen versehene Platten eingebaut sind.
Mikromischer für Vorrichtungen nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zumischung weiterer Substanzen in das vom Reaktionsgemisch durchströmte Gehäuse mehrere, mit seitlichen Öffnungen versehene, quer zur Strömung ausgerichtete röhrchenförmige Zuleitungen eingebaut sind, die in einer Ebene oder mehreren übereinander liegenden Ebenen angeordnet sind.
Mikrowärmetauscher für Vorrichtungen nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in das vom Reaktionsgemisch durchströmte Gehäuse senkrecht zur Strömung ausgerichtete Röhrchen eingebaut sind, die von einem Wärmeträgermedium durchströmt oder elektrisch beheizt werden.
Mikrowärmetauscher für Vorrichtungen nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in das vom Reaktionsgemisch durchströmte Gehäuse plattenförmige Körper eingebaut sind, die elektrisch beheizt oder als Hohlkörper von einem Wärmeträgermedium durchströmt werden.
Katalysatormodul für Vorrichtungen nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass katalytisch aktive Schichten auf die Röhrchen oder Platten der Mikrowärmetauscher gemäß den Ansprüchen 11 und 12 aufgebracht werden.
Katalysatormodul, dadurch gekennzeichnet, dass katalytisch aktive Pulver oder Katalysator-Pellets zwischen zwei Lochplatten oder Sieben eingebracht werden, die in ein Modulgehäuse eingebaut sind und vom Reaktionsgemisch durchströmt werden.
Katalysatormodul für Vorrichtungen nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass katalytisch aktive Pulver oder Katalysator-Pellets in die Zwischenräume zwischen den Röhrchen oder Platten der Mikrowärmetauscher gemäß den Ansprüchen 11 und 12 eingebracht und durch Lochplatten oder Siebe oberhalb und unterhalb der Röhrchen oder Platten eingeschlossen werden und die von Lochplatten bzw. Sieben, Wärmetauscher-Röhrchen bzw. -Platten und Katalysatormaterial gebildete Anordnung in ein Modulgehäuse eingebaut ist und vom Reaktionsgemisch durchströmt wird.
Modul zur selektiven Abscheidung von speziellen Substanzen aus dem Reaktionsgemisch für Vorrichtungen nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Module gemäß den Ansprüchen 13 bis 15 anstelle von Katalysatormaterialien solche Materialien eingebracht werden, mit denen spezielle Substanzen, beispielsweise durch Absorption oder Adsorption, aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden können.
Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen in einem kontinuierlichen Prozess unter Verwendung einer Anordnung von Elementen der Mikroreaktionstechnik für Reaktionen und Grundoperationen der Verfahrenstechnik, die für hohe Massenströme ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das strömende Verfahrensmedium in einer rohrförmigen Anordnung abwechselnd beim Durchströmen der mikrotechnischen Funktionselemente in eine Vielzahl von kleinen Teilströmen aufgespalten und diese Teilströme anschließend zu einem Gesamtstrom zusammengeführt werden, wobei die Vorgänge des Aufspaltens und Zusammenführens mehrfach wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit für die Reaktion durch Einfügen von Verweilerstrecken einstellbar ist, die in Form von Rohrabschnitten zwischen die mit mikrostrukturierten Funktionselementen versehenen Komponenten eingebaut werden.
Verfahren nach Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturverlauf im strömenden Reaktionsgemisch entlang der Strömungsrichtung durch eine Abfolge von Wärmetauschern und Verweilerstrecken einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass im strömenden Reaktionsgemisch während oder nach Ablauf einer ersten Reaktion durch Zumischung weiterer Substanzen in einem oder mehreren Mischern, die vom Reaktionsgemisch durchströmt werden können, weitere Substanzen zugemischt werden und eine oder mehrere Folgereaktionen ausgelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass im strömenden Reaktionsgemisch während oder nach Ablauf einer ersten Reaktion beim Durchleiten durch ein mit einem Katalysator befüllten Volumen oder einer damit beschichteten Oberfläche (Katalysatormodul) eine oder mehrere Folgereaktionen ausgelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass im strömenden Reaktionsgemisch während oder nach Ablauf einer ersten Reaktion beim Durchleiten durch ein weiteres Modul durch Energiezufuhr eine oder mehrere Folgereaktionen ausgelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezufuhr zum strömenden Reaktionsgemisch während oder nach Ablauf einer ersten Reaktion in Form von Wärme, Licht, Mikrowellen, Ultraschall, Durchleiten von elektrischem Strom oder Anregung eines Plasmas erfolgt.
Verfahren zum Betrieb von Modulen gemäß den Ansprüchen 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Module eingebrachten Katalysator- oder andere Funktionsmaterialien durch Kühlen oder Aufheizen in ihren Eigenschaften verändert oder regeneriert werden können.