DE102014226607A1

DE102014226607A1 - Monolithischer statischer Mischer und/oder katalytisch wirkendes Element sowie Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102014226607A1
Application number: DE102014226607.6A
Authority: DE
Inventors: Uwe Scheithauer; Erik Reichelt; Wieland Beckert; Eric Schwarzer; Markus Pohl; Matthias Jahn; Gregor Ganzer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2034-12-20
Also published as: DE102014226607B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen monolithischen statischen Mischer und/oder ein katalytisch wirkendes Element mit mehreren nebeneinander angeordneten Kanälen, die von mindestens einem Stoffstrom eines Fluids durchströmt sind. Dabei sind die Kanäle voneinander durch für das jeweilige Fluid dichte Wände voneinander getrennt. In den Wänden sind jedoch Durchbrechungen für einen Durchtritt von Fluid von einem Kanal in mindestens einen neben diesem Kanal angeordneten weiteren Kanal ausgebildet. Der freie Querschnitt eines jeweiligen Kanals verändert sich in Strömungsrichtung des Stoffstroms periodisch, und durch einen sich in Strömungsrichtung des Stoffstroms ebenfalls periodisch verändernden freien Querschnitt eines weiteren Kanals, der neben dem ersten Kanal angeordnet ist, sind ein sich periodisch verändernder Druck und eine sich periodisch verändernde Strömungsgeschwindigkeit des Stoffstromes infolge eines Versatzes, der sich periodisch verändernden freien Querschnitte von nebeneinander angeordneten Kanälen in Strömungsrichtung, erreichbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer und/oder ein katalytisch wirkendes Element, der/das als Monolith hergestellt ist und von mindestens einem Fluidstrom (Flüssigkeit oder Gas) durchströmt werden kann, sowie Möglichkeiten zur Herstellung solcher Mischer oder Elemente.
Insbesondere in der chemischen Industrie ist die Intensivierung von Stofftransportvorgängen von besonderer Bedeutung, um die Effizienz von Prozessen zu erhöhen. Dabei kommt es häufig auf eine verbesserte Vermischung mehrere unterschiedlicher oder inhomogener Stoffströme an.
Das erfindungsgemäße Element kann zudem auch als katalytisch wirkendes Element eingesetzt werden. Besonders dann, wenn chemische Reaktionen ablaufen sollen, die bevorzugt durch katalytische Wirkung unterstützt werden, kommt es darauf an, dass ein möglichst großflächiger und/oder häufiger Kontakt des Stoffstromes oder von mindestens zwei unterschiedlichen Stoffströmen mit der Oberfläche eines Katalysators erreicht werden kann.
Neben Rührern bzw. Mischwerken werden häufig statische Mischer eingesetzt, bei denen ein oder mehrere Stoffströme durch möglichst mehrfachen Wechsel der Strömungsrichtung miteinander vermischt werden sollen. Hierfür werden unterschiedlichste Elemente zur Veränderung der Strömungsrichtung in oder an Kanälen eingesetzt. Dies erfordert aber einen hohen Herstellungsaufwand, da dazu in der Regel mehrere Fügeschritte erforderlich sind und ein entsprechend hoher Montageaufwand zu verzeichnen ist.
Bei Elementen, in denen chemische Reaktionen katalysatorunterstützt ablaufen sollen, werden häufig durch Extrusion hergestellte kanalförmige Elemente genutzt, die sich durch einen sehr geringen Druckverlust auszeichnen, mit denen aber eine Beeinflussung der Strömung eigentlich nicht ausreichend möglich ist. So tritt nahezu vollständig laminare Strömung auf, die aber inhomogene Bereiche innerhalb eines Stoffstromes nicht ausreichend vermeiden kann. So kann es vorkommen, dass in wandungsnahen Bereichen weitaus höhere Umsätze auftreten und diese somit eine andere Zusammensetzung aufweisen können, da dort die katalytisch unterstützte Wirkung für die jeweilige(n) chemische(n) Reaktion(en) verbessert ausgenutzt werden kann, als in wandfernen Bereichen, in denen möglicherweise gar kein Umsatz erfolgt.
Diesem Problem kann beispielsweise durch den Einsatz poröser Katalysatorträger, wie z. B. Pellets, die in Kanälen oder Reaktorräumen vom jeweiligen Stoffström an- und durchströmt werden, entgegengetreten werden. Dies führt aber zu einem erhöhten Gegendruck (pressure drop) bzw. Druckverlust, der in vielen Fällen unerwünscht ist.
In Kanälen von mittels Extrusion hergestellten Elementen ist es nicht oder nur bei sehr großen freien Kanalquerschnitten möglich, Elemente zur Veränderung der Strömung und insbesondere der Strömungsrichtung nachträglich zu implementieren, so dass dies bei der Miniaturisierung ein erheblicher Nachteil ist, da ohne eine Veränderung der Strömungsrichtung bzw. eine Verwirbelung eine überwiegend laminare Strömung erreicht oder eingehalten werden kann.
Dementsprechend ist es insbesondere bei kleinformatigen Mischern oder Elementen, in den katalytisch unterstützte chemische Reaktionen ablaufen sollen, sehr schwer oder gar unmöglich, besonders geeignete Strömungsverhältnisse einhalten zu können.
Außerdem werden insbesondere statische Mischer üblicherweise aus Metall hergestellt, wodurch die thermische Beständigkeit begrenzt ist und ggf. auch eine chemische Beeinflussung der in dem/den Stoffstrom/-strömen enthaltenen Komponenten nicht ausgeschlossen werden kann. Metalle neigen auch zu Korrosion, die die Lebensdauer begrenzen kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, statische Mischer und/oder katalytisch wirkende Elemente für fluide Stoffströme zur Verfügung zu stellen, die einfach, kostengünstig und auch kleinformatig herstellbar sind und bei denen eine vorteilhafte Beeinflussung der Strömungsverhältnisse erreichbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem statischen Mischer und/oder katalytisch wirkenden Element, das die Merkmale des Anspruch 1 aufweist, gelöst. Dabei können Herstellungsverfahren gemäß den Ansprüchen 9 oder 10 genutzt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Ein erfindungsgemäßer monolithischer statischer Mischer und/oder ein katalytisch wirkendes Element ist mit mehreren nebeneinander angeordneten Kanälen, die von mindestens einem Stoffstrom eines Fluids durchströmbar sind, gebildet. Die Kanäle sind voneinander durch für das jeweilige Fluid dichte Wände getrennt. Es sind aber in den Wänden Durchbrechungen für einen Durchtritt von Fluid von einem Kanal in mindestens einen neben diesem Kanal angeordneten weiteren Kanal ausgebildet.
Der freie Querschnitt eines jeweiligen Kanals verändert sich in Strömungsrichtung des Stoffstroms periodisch. Durch einen sich in Strömungsrichtung des Stoffstroms ebenfalls periodisch verändernden freien Querschnitt eines weiteren Kanals, der neben dem ersten Kanal angeordnet ist, sind ein sich periodisch verändernder Druck und eine sich periodisch verändernde Strömungsgeschwindigkeit des Stoffstromes infolge eines Versatzes, der sich periodisch verändernden freien Querschnitte von nebeneinander angeordneten Kanälen in Strömungsrichtung, erreichbar.
Durch die sich in Strömungsrichtung verändernden freien Querschnitte der Kanäle verändern sich entsprechend auch die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck der Stoffströme in den Kanälen. Da aber Bereiche mit unterschiedlich großen freien Querschnitten von benachbarten Kanälen direkt nebeneinander angeordnet sind, kann die Druckdifferenz zur Führung zumindest eines Teils eines Stoffstromes von einem Kanal in einen unmittelbar benachbarten Kanal durch mindestens eine dort vorhandene Durchbrechung erreicht werden.
Liegt ein Bereich mit einem größeren freien Querschnitt eines Kanals, neben einem Bereich mit kleinerem freien Querschnitt eines weiteren Kanals, so ist die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich mit größerem freien Querschnitt deutlich kleiner, als die Strömungsgeschwindigkeit im daneben angeordneten Bereich mit kleinerem freien Querschnitt. Es kann somit zumindest ein Teil des Stoffstromes aus dem Kanal, dessen freier Querschnitt in diesem Bereich größer ist, als der daneben angeordnete Bereich eines Kanals mit kleinerem freien Querschnitt, in den daneben angeordneten Bereich mit kleinerem freien Querschnitt nahezu allein aufgrund des wirkenden Venturieffektes gelangen, so dass eine verbesserte Vermischung der Stoffströme und/oder der einzelnen Komponenten in dem/den Stoffstrom/-strömen erreicht werden kann.
Außerdem kann eine Anordnung von Durchbrechungen im ansteigenden Bereich von angeströmten Wellenbergen vorteilhaft für eine Durchmischung von Stoffströmen, die von einem Kanal in einen daneben angeordneten Kanal und in einen dort ausgebildeten Stoffstrom gelangen, ausgenutzt werden. Bei einer Anordnung von Durchbrechungen im Bereich der in Strömungsrichtung von Wellenbergen abfallenden Flanke kann der Venturieffekt ausgenutzt werden.
Nahe der Innenwand von Kanälen kann normalerweise auf Grund der Haftbedingung (Geschwindigkeit = 0) eine viskose Grenzschicht, die laminar ist, vorliegen. Im Inneren des Kanals oder durch Strömungsumlenkungen (z. B. Turbulenzpromotoren) kann eine turbulente Strömung oder die Ausbildung von Wirbeln erreicht werden, wenn die kritische Reynoldszahl überschritten wird.
Da sich die Verläufe der sich verändernden freien Querschnitte in Strömungsrichtung in den Kanälen sukzessive periodisch verändern können, kann dieser Vorgang des Austauschs von Stoffen zwischen nebeneinander angeordneten Kanälen in Strömungsrichtung mehrfach wiederholt werden.
Es besteht vorteilhaft die Möglichkeit, dass sich die freien Querschnitte von Kanälen in Strömungsrichtung kontinuierlich zwischen einem Maximum und einem Minimum verändern. Zumindest im Bereich der Maxima und Minima der freien durchströmbaren Querschnitte können Durchbrechungen, die durch die Wände der Kanäle hindurch geführt sind, angeordnet sein.
In einer erfindungsgemäßen Alternative können die nebeneinander angeordneten Kanäle in Bezug zu ihren Längsachsen rotationssymmetrisch ausgebildet sein. In diesem Fall sollten die Längsachsen der Kanäle parallel zueinander ausgerichtet sein.
Es besteht die Möglichkeit, über Einlässe von nebeneinander angeordneten Kanälen unterschiedliche Stoffströme zuzuführen. Diese können mit der Erfindung dann miteinander vermischt werden.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Alternative können die Kanäle mittels in wellenform ausgebildeter Elemente mit Bergen und Tälern, bei denen die wellenförmigen Elemente in einem Abstand zueinander und bei nebeneinander angeordneten wellenförmigen Elementen Wellenberge und Wellentäler in versetzter Anordnung zueinander angeordnet sind, gebildet werden. Dadurch sind jeweilige Wellenberge und jeweilige Wellentäler von nebeneinander angeordneten wellenförmigen Elementen in Strömungsrichtung in einem Abstand zueinander angeordnet. Die Strömungsrichtung verläuft dabei im Wesentlichen senkrecht zu den Wellenbergen und -tälern.
Die wellenförmigen Elemente sollten dabei an vier Seiten für das/die jeweilige(n) Fluid(e) dicht verschlossen sein, so dass ein Stofftransport von einer Einlass- zu einer Auslassseite möglich ist. Hierfür können die entsprechenden Seitenflächen mit planaren plattenförmigen Elementen oder einem entsprechend ausgebildeten Gehäuse gebildet werden. Plattenförmige Elemente oder ein Gehäuse können mit den wellenförmigen Elementen stoffschlüssig verbunden sein. Vorteilhaft können wellenförmige und plattenförmige Elemente bzw. Gehäuse aus dem gleichen Werkstoff gebildet sein. Sie können, wie nachfolgend noch zu beschreiben sein wird, durch Sinterung hergestellt werden.
Die Wellen in den wellenförmigen Elementen können vorteilhaft harmonisch mit konstanter Wellenlänge in Strömungsrichtung des Stoffstroms ausgebildet sein. Nebeneinender angeordnete wellenförmige Elemente sollten bevorzugt mit einem Versatz von einer halben Wellenlänge zueinander angeordnet sein, um eine kontinuierliche Veränderung der freien Querschnitte in den Kanälen erreichen zu können.
An Durchbrechungen können zusätzlich Erhebungen ausgebildet sein, die in das Innere eines Kanals hineinragen. Dadurch kann der Stofftransport von einem Kanal zu einem daneben angeordneten erhöht werden. Die Erhebung sollte dazu in Strömungsrichtung im hinteren Bereich einer Durchbrechung angeordnet oder dort ausgebildet sein.
Zumindest die mit dem/den Stoffstrom/-strömen in Kontakt kommenden Bereiche der Wände von Kanälen können mit einer katalytisch wirkenden Beschichtung versehen und/oder katalytisch wirkend ausgebildet sein. Die Wände von Kanälen können aus einem metallischen, keramischen oder metall-keramischen Werkstoff (Cermet) gebildet sein.
Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Mischer und/oder katalytisch wirkender Elemente kann man so vorgehen, dass man in an sich bekannter Form Folien, die bevorzugt mit einem keramischen oder metall-keramischen Pulver oder Pulvergemisch und mindestens einem organischen Binder gebildet sind, als Grünfolie herstellt. Bei der Herstellung von Grünfolien durch Foliengießen kann eine Suspension, in der zusätzlich eine Flüssigkeit enthalten ist, eingesetzt werden.
Mehrere solcher Grünfolien können dann in eine Wellenform verformt werden, so dass eine ausreichende Festigkeit aufweisende, wellenförmige und noch sinteraktive Elemente erhalten werden.
Diese wellenförmigen Elemente können allein einer thermischen Behandlung unterzogen werden, bei der die organischen Bestandteile entfernt werden (Entbinderung) und eine Sinterung erreicht wird, wodurch dichte und mechanisch stabile wellenförmige Elemente erhalten werden.
In den wellenförmigen Elementen werden Durchbrechungen ausgebildet, was bevorzugt noch im Grünzustand erfolgt. Durchbrechungen können dabei einfach ausgestanzt werden. Die Anordnung von Durchbrechungen sollte so gewählt werden, dass sie später zumindest in Bereich von Tälern und Bergen an den wellenförmigen Elementen ausgebildet sind. Die geometrische Gestalt und/oder der freie Querschnitt von Durchbrechungen kann unter Berücksichtigung der jeweiligen Anordnung entlang der Strömungsrichtung gewählt werden, so dass die Druck- und Strömungsverhältnisse des mindestens einen Stoffstromes innerhalb der Kanäle an den jeweiligen Positionen berücksichtigt werden können. Neben dem jeweiligen Druck kann auch ein Wechsel der Strömungsrichtung, der durch die Änderung der freien Querschnitte der Kanäle bedingt ist, berücksichtigt werden.
Wellenförmig verformte Grünfolien oder bereits gesinterte wellenförmige Elemente werden dann so neben- oder übereinander angeordnet, dass in Strömungsrichtung ein Versatz von neben- oder übereinander angeordneten Grünfolien oder wellenförmigen Elementen eingehalten worden ist. Dabei können Abstandshalter zwischen benachbarten Grünfolien oder wellenförmigen Elementen genutzt werden, so dass in Strömungsrichtung ein durchgehender freier Spalt eingehalten ist.
Anschließend können zumindest an zwei gegenüberliegenden Seiten plattenförmige Elemente mit den entsprechenden seitlichen Stirnflächen der Grünfolien oder wellenförmigen Elemente in Kontakt gebracht werden. Mittels einer Suspension, in der das gleiche Pulver oder Pulvergemisch, aus dem auch die Grünfolien hergestellt worden ist, enthalten ist, kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Stirnflächen der Grünfolien oder wellenförmigen Elemente und den beiden plattenförmigen Elementen bei einer Entbinderung und Sinterung ausgebildet werden. Zwischen den wellenförmigen Elementen werden so Kanäle ausgebildet, die an den Seiten verschlossen sind.
Ein Abschluss kann auch mit plattenförmigen Elementen erreicht werden, die parallel zu den Längsachsen der wellenförmigen Elemente in einer Ebene, die parallel zu den Längsachsen bzw. der Strömungsrichtung mindestens eines Stoffstroms ausgerichtet sind, erreicht werden.
Die neben- oder übereinander angeordneten wellenförmig verformten Grünfolien oder wellenförmigen Elemente können aber auch in ein Gehäuse eingesetzt werden, dass an zwei gegenüberliegenden Seiten offen ist. Durch die beiden Öffnungen kann dann mindestens ein Stoffstrom in zwischen den wellenförmigen Elementen ausgebildeten Kanälen ein- und wieder austreten.
Weitere Möglichkeiten zur Herstellung von Mischern und/oder katalytisch wirkenden Elementen sind Herstellungsverfahren, die unter den technischen Begriff Additive Fertigung (additive manufacturing) fallen. Die Herstellung erfolgt dabei schichtweise additiv, indem eine Schicht eines Gemisches, in dem ein bevorzugt metallisches, besonders bevorzugt keramisches oder metall-keramisches Pulver, Pulvergemisch oder eine Suspension sowie mindestens ein organischer Binder, auf eine vorab ausgebildete Schicht aufgebracht und zumindest die zuerst aufgebrachte und die nachfolgend dazu aufgebrachte Schicht miteinander mit ausreichender Festigkeit miteinander verbunden werden. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis ein Mischer und/oder ein katalytisch wirkendes Element als Grünkörper erhalten worden ist. Dabei können sich die Geometrien und/oder Dimensionierungen der einzelnen Schichten unterscheiden, wodurch ein dreidimensionaler Körper hergestellt werden kann.
Ein so hergestellter Grünkörper wird dann bei einer nachfolgenden thermischen Behandlung von seinen organischen Bestandteilen befreit (Entbinderung) und anschließend gesintert.
Bei der Herstellung des Grünkörpers können gleichzeitig auch die Durchbrechungen ausgebildet werden.
Für die Herstellung geeignete Verfahren sind beispielsweise das selektive Lasersintern, das Siebdrucken, stereolithographische Verfahren, flächige Belichtungsverfahren (UV- oder sichtbares Licht), FDM-Verfahren (Dispensverfahren) oder Pulverdrucken.
Bei der Herstellung von Mischern und/oder katalytisch wirkenden Elementen können bereits Pulver oder Pulvergemische eingesetzt werden, in denen katalytisch wirksame Komponenten enthalten sind. Eine katalytische Wirkung kann aber auch mit einer nachträglich aufgebrachten Beschichtung erreicht werden. Dadurch kann die Versinterung der feinen aktiven Komponente vermieden werden, die bei den Sintertemperaturen für den Träger erfolgt und die Aktivität reduziert. Eine solche Beschichtung ist lediglich in Bereichen erforderlich, in denen ein Stoffstrom mit der Wandung eines Kanals in Kontakt kommt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Beispiel eines Mischers und/oder eines katalytisch wirkenden Elements, das mit mehreren wellenförmigen Elementen gebildet ist;
2A u. B zwei Kanäle, die bei einem erfindungsgemäßen Mischer und/oder einem katalytisch wirkenden Element nebeneinander angeordnet werden können und
3 einen erfindungsgemäßen Mischer und/oder ein katalytisch wirkendes Element, das mit mehreren rotationssymmetrisch um ihre Längsachsen ausgebildeten Kanälen gebildet ist.
Für die Herstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Mischer und/oder eines katalytisch wirkenden Elements, wie es in 1 gezeigt ist, werden zunächst keramische Grünfolien hergestellt. Als keramisches Pulver kann z. B. ein feines Al₂O₃ mit einer mittleren Partikelgröße d₅₀ von ca. 0,4 μm oder ein entsprechendes Gemisch aus dem feinen Al₂O₃-Pulver und einem CaCO₃-Pulver mit einer ähnlichen Partikelgrößenverteilung eingesetzt werden. Als wasserlösliches Bindersystem wurde eine Mischung aus Polyvinylalkohol, Acrylat und einem Triol verwendet. Nach der Trocknung der Grünfolien wiesen diese eine Dicke von ca. 250 μm auf.
Bei den Grünfolien erfolgte eine Umformung zu einer wellenförmigen Struktur. Vor dieser Umformung wurden in den planaren ebenen Grünfolien zusätzlich noch über einen Trenn- und ggf. Umformprozess Durchbrechungen 2 und optional Erhebungen als Strömungsleitelemente ausgebildet. Die bevorzugt durch Stanzen ausgebildeten Durchbrechungen 2 können unterschiedliche Geometrien und Dimensionierungen aufweisen, die an die jeweiligen Stoffströme, insbesondere unter Berücksichtigung deren Viskosität und/oder der Volumenströme, angepasst werden können.
Danach wurden die verformten Grünfolien als Halbzeuge gefügt, so dass sich zwischen den wellenförmigen Elementen 3 Kanäle 1.1 und 1.2 ausbildeten. Dazu wurden in 1 nicht gezeigte plattenförmige Elemente an zwei sich gegenüberliegenden Seiten mit den dort in Wellenform vorliegenden Stirnflächen der wellenförmigen Elemente 3 verbunden. Die Verbindung sollte so erreicht werden, dass sich die neben- bzw. übereinander angeordneten wellenförmigen Elemente 3 an keiner Stelle berühren und über dem gesamten Weg, den der/die Stoffstrom/-ströme in Strömungsrichtung zurücklegen, ein Spalt vorhanden ist, dessen Spaltbreite sich aber entlang des Weges, den der/die Stoffstrom/-ströme zurücklegen muss/müssen, verändert.
Die Strömungsrichtung mindestens eines Stoffstromes ist mit dem Pfeil verdeutlicht. Die Strömungsrichtung verläuft senkrecht in Bezug zu den an den wellenförmigen Elementen 3 ausgebildeten Bergen und Tälern.
An der Ober- und Unterseite können ebenfalls plattenförmige Elemente oder das jeweils dort angeordnete wellenförmige Element 3 eine Abdichtung für ein einen Stoffstrom bildendes Fluid mit dem seitlichen plattenförmigen Elementen bilden. Werden dort wellenförmige Elemente genutzt, sind in diesen Elementen keine Durchbrechungen vorhanden.
Für das Fügen kann eine spezielle Laminiersuspension auf Wasserbasis verwendet werden, die sinteraktive Partikel beinhaltet, die aus dem gleichen Pulverwerkstoff gebildet sein sollten.
Abschließend erfolgte die rein thermische Entbinderung und Sinterung der Strukturen in einem Schritt in einem Sinterofen mit Luftatmosphäre. Die verwendeten Sinterbedingungen wurden für reines Al₂O₃-Pulver bei maximal 1600°C gehalten. Es wurde eine Haltezeit von 3 h eingehalten. Für das Pulvergemisch aus Al₂O₃ und CaCO₃ (Masseanteile 50:50) wurden maximal 1550°C und 3 h Haltezeit genutzt. Es könnten auch geringere maximale Sintertemperaturen eingehalten werden, wodurch zwar die mechanische Festigkeit der Strukturen verringert würde. Dadurch könnte aber eine größere spezifische Oberfläche, z. B. für eine Beschichtung, erreicht werden, die bei katalytisch unterstützten chemischen Reaktionen vorteilhaft ist.
Die Beschichtung der Wände, die mit einem Stoffstrom in Kontakt kommen können, mit katalytisch aktiven Komponenten kann über Standardprozeduren zur Beschichtung monolithischer Träger erfolgen. Als Beispiel soll hier die Präparation eines strukturierten Katalysators für die Methanisierung beschrieben werden.
Die katalytisch aktive Komponente (Ni) wurde über einen Washcoating-Prozess auf den Träger aufgebracht. Dafür wurde zunächst γ-Al₂O₃-Pulver (d₅₀ = 5 μm) über Porenvolumenimprägnierung beschichtet. In entionisiertem Wasser gelöstes Ni(NO₃)₂·6H₂O wurde auf das vorgelegte Ausgangspulver für die Herstellung der Grünfolien geträufelt. Die gelöste Masse an Ni(NO₃)₂·6H₂O wurde dabei so eingestellt, dass die Beladung mit 15 Masse-% Ni erreicht wurde. Das imprägnierte Pulver wurde anschließend bei 110°C getrocknet und bei 400°C für 4 h kalziniert. Das erhaltene Katalysatorpulver wurde im Anschluss zusammen mit kolloidalem Al₂O₃ (d₅₀ = 50 nm) in entionisiertem Wasser suspendiert. Der pH-Wert der Suspension wurde mit Hilfe von Salpetersäure auf pH = 3 eingestellt. Die zu beschichtende Struktur wurde in diese Suspension eingetaucht. Im Anschluss wurde mit Hilfe von Druckluft überschüssige Suspension aus den Grünfolien ausgeblasen. Abschließend wurde die beschichtete Struktur 1 h bei 110°C getrocknet und 4 h bei 400°C kalziniert. Der Anteil des Washcoats am so erhaltenen strukturierten Katalysator betrug etwa 9 Masse-%.
Für die additive Herstellung eines Mischers und/oder katalytisch wirkenden Elements, wie es in 3 gezeigt ist, wurde zunächst ein entsprechendes CAD-Modell erstellt. Die dafür verwendete Software war SolidWorks (Version 2014), als Ausgabeformat wurden stl-Files erstellt. Diese wurden in CeraFab-Data Processing-Software der Fa. Lithoz GmbH (Wien, Österreich) eingelesen und für die Verarbeitung auf der CeraFab 7500 der Fa. Lithoz GmbH (Wien, Österreich) aufbereitet.
Diese Anlage nutzt das sogenannte LCM-Verfahren (Lithography based Ceramic Manufacturing), bei dem die Bauteile schichtweise aufgebaut werden, indem in jeder Schicht eine lichtvernetzende Suspension flächig aufgetragen und selektiv mit blauem Licht belichtet wird. Die belichtete Suspension härtet durch radikalische Polymerisation aus und wird an die davor gefertigte Schicht angebunden, während die nicht belichtete Suspension flüssig bleibt und später entfernt werden kann.
Die verwendete Al₂O₃-Suspension LithaLox stammte ebenfalls von der Fa. Lithoz GmbH (Wien, Österreich), ebenso die verwendeten Versuchsparameter, die zur Fertigung von feinen Strukturen mit dieser Suspension in der Software hinterlegt sind. Auch das genutzte Entbinderungs- und Sinterregime entsprach den Vorgaben.
Für die Kanalstrukturen mit wechselnden freien Querschnitten wurde eine Struktur hergestellt, bei der der Kanalinnendurchmesser stetig zwischen 1,6 mm und 3,6 mm variiert. Die Wandstärke betrug 0,25 mm. Es wurde eine Periodizität von 10 mm gewählt. Durch einen Versatz zwischen benachbarten Kanälen 1.1 und 1.2 von 5 mm konnte eine Mehrkanal-Struktur erhalten werden, bei der die Symmetrieachsen benachbarter Kanäle 1.1 und 1.2 parallel und mit einem Abstand von 3,1 mm verlaufen, so dass die Außenwände in bestimmten Bereichen ineinander übergehen. Weist der eine Kanal 1.1 gerade den maximalen Kanaldurchmesser auf, weisen alle benachbarten weiteren Kanäle 1.2 in diesem Bereich den geringsten Durchmesser, also den kleinsten freien Querschnitt auf und umgekehrt. An diesen Stellen sind Durchbrüche 2 zur Verbindung der nebeneinander angeordneten Kanäle 1.1 und 1.2 ausgebildet.
Ein gleiches Bauteil kann beispielsweise auch in achtfacher Größe realisiert werden, indem alle Geometrien in alle drei Raumrichtungen um den Faktor zwei hochskaliert werden.

Claims

Monolithischer statischer Mischer und/oder ein katalytisch wirkendes Element mit mehreren nebeneinander angeordneten Kanälen (1.1, 1.2), die von mindestens einem Stoffstrom eines Fluids durchströmt sind, wobei die Kanäle (1) voneinander durch für das jeweilige Fluid dichte Wände voneinander getrennt, aber in den Wänden Durchbrechungen (2) für einen Durchtritt von Fluid von einem Kanal (1.1) in mindestens einen neben diesem Kanal (1.1) angeordneten weiteren Kanal (1.2) ausgebildet sind; und sich der freie Querschnitt eines jeweiligen Kanals (1.1, 1.2) in Strömungsrichtung des Stoffstroms periodisch verändert, und durch einen sich in Strömungsrichtung des Stoffstroms ebenfalls periodisch verändernden freien Querschnitt eines weiteren Kanals (1.2), der neben dem ersten Kanal (1.1) angeordnet ist, sich ein periodisch verändernder Druck und eine sich periodisch verändernde Strömungsgeschwindigkeit des Stoffstromes infolge eines Versatzes, der sich periodisch verändernden freien Querschnitte von nebeneinander angeordneten Kanälen (1.1, 1.2) in Strömungsrichtung, erreichbar sind.
Mischer und/oder ein katalytisch wirkendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die freien Querschnitte von Kanälen (1.1, 1.2) in Strömungsrichtung kontinuierlich zwischen einem Maximum und einem Minimum verändern und zumindest im Bereich der Maxima und Minima der freien durchströmbaren Querschnitte Durchbrechungen, die durch die Wände der Kanäle (1.1, 1.2) hindurch geführt sind, angeordnet sind.
Mischer und/oder ein katalytisch wirkendes Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle in Bezug zu ihren Längsachsen rotationssymmetrisch und auch nicht rotationssymmetrisch ausgebildet sind.
Mischer und/oder ein katalytisch wirkendes Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über Einlässe von nebeneinander angeordneten Kanälen (1.1, 1.2) unterschiedliche Stoffströme zuführbar sind.
Mischer und/oder ein katalytisch wirkendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (1.1, 1.2) mittels in Wellenform ausgebildeter Elemente (3) mit Bergen und Tälern, bei denen die wellenförmigen Elemente (3) in einem Abstand zueinander und bei nebeneinander angeordneten wellenförmigen Elementen (3) Wellenberge und Wellentäler in versetzter Anordnung zueinander angeordnet sind, so dass jeweilige Wellenberge und jeweilige Wellentäler von nebeneinander angeordneten wellenförmigen Elementen (3) in Strömungsrichtung in einem Abstand zueinander angeordnet sind.
Mischer und/oder ein katalytisch wirkendes Element nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen in den wellenförmigen Elementen (3) harmonisch mit konstanter Wellenlänge in Strömungsrichtung des Stoffstroms ausgebildet sind, und nebeneinender angeordnete wellenförmige Elemente (3) bevorzugt mit einem Versatz von einer halben Wellenlänge zueinander angeordnet sind.
Mischer und/oder ein katalytisch wirkendes Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an Durchbrechungen (2) zusätzlich Erhebungen ausgebildet sind, die in das Innere eines Kanals (1.1, 1.2) hineinragen.
Mischer und/oder ein katalytisch wirkendes Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem/den Stoffstrom/-strömen in Kontakt kommende Bereiche der Wände von Kanälen (1.1, 1.2) mit einer katalytisch wirkenden Beschichtung versehen und/oder katalytisch wirkend ausgebildet sind und/oder die Wände von Kanälen (1.1, 1.2) aus einem metallischen, keramischen oder metall-keramischen Werkstoff (Cermet) gebildet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Mischers und/oder katalytisch wirkenden Elements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pulver oder Pulvergemisch, das mit mindestens einem organischen Binder vermischt ist, zu Grünfolien verarbeitet wird, die Grünfolien wellenförmig verformt werden und die wellenförmigen Grünfolien oder bereits aus den wellenförmigen Grünfolien nach einer thermischen Behandlung erhaltenen wellenförmigen Elemente (3) neben- oder übereinander in Strömungsrichtung mit einem Versatz zueinander angeordnet werden und die zwischen den mit wellenförmigen Elementen ausgebildeten Kanäle (1.1, 1.2) zumindest an zwei gegenüberliegenden Seiten dicht verschlossen werden, wobei die Herstellung der wellenförmigen Elemente (3) und/oder der Verschluss der Kanäle (1.1, 1.2) an den Seiten durch eine thermische Behandlung, bei der eine Sinterung der Partikel des Pulvers oder Pulvergemischs auftritt, erreicht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Mischers und/oder katalytisch wirkenden Elements, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung additiv mit einem Rapid-Prototypingverfahren durchgeführt wird.