DE10304264A1

DE10304264A1 - Vorrichtung zum Temperieren eines planaren Mikroreaktors

Info

Publication number: DE10304264A1
Application number: DE2003104264
Authority: DE
Inventors: Astrid Dr. Lohf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: DE10304264B4

Abstract

Zum Temperieren eines planaren, plattenförmigen Mikroreaktors, der im Randbereich der Platte Öffnungen zu Fluidzu- und -abfuhr enthält, ist die Platte (1) im Randbereich in einer Halterung (3) eingespannt; die Halterung (3) enthält Fluidanschlüsse (6), die mit den Öffnungen in der Platte (1) fluchtend gegen die Platte (1) gepresst sind. Die Platte (1) ist außerhalb ihres in der Halterung (3) eingespannten Randbereichs in einem von einem Temperierungsfluid (12) durchströmten Raum (13) angeordnet, dessen Wände (14) in einem spaltbildenden Abstand zu der Platte (1) verlaufen.

Description

Mikroreaktoren werden aufgrund des guten Stoff- und Wärmetransports insbesondere für stark endo- oder exotherme Reaktionen verwendet. Bei einem Stoffdurchsatz von bis zu 10 ml/min pro Ausgangsstoff sind Wärmeleistungen von bis zu 30 W zu- oder abzuführen, so dass bei planaren Mikroreaktoren mit Abmessungen von typischerweise 2,5 cm × 5 cm und bei beidseitiger Temperierung dieser Mikroreaktoren Wärmestromdichten von bis zu 1,2 W/cm² ab- oder zugeführt werden müssen. Zur Erwärmung können elektrische Heizvorrichtungen solche Wärmestromdichten erbringen, zur effektiven Kühlung kommen aber nur Kühlflüssigkeiten in Frage, wobei ein ausreichend hoher Wärmeübergang vom Mikroreaktor an die Kühlflüssigkeit gewährleistet sein muss. Gleichzeitig müssen die Edukte dem Reaktor zu- und die Produkte von dem Reaktor abgeführt werden. Planare Mikroreaktoren bestehen häufig aus Silizium oder Glas, so dass auf einen spannungsfreien Einbau, insbesondere unter zusätzlicher Berücksichtigung von Temperaturschwankungen, zu achten ist, um mechanische Beschädigungen zu vermeiden. Außerdem sollten Montage und Demontage der Mikroreaktoren schnell und einfach möglich sein, da es sich hierbei um Verschleißteile handelt.

Bisher werden planare Mikroreaktoren entweder durch Pressen gegen eine mit Kühlschlangen versehene temperierte Platte oder durch Eintauchen in ein Thermostatbad temperiert. Ein Nachteil des Pressens gegen eine temperierte Platte besteht in den Wärmetransportwiderständen, da die Wärme vom Reaktionsfluid an die Mikroreaktorwand, von dort an die temperierte Platte und von dort wiederum an die Kühlflüssigkeit übertragen werden muss (indirekter Wärmeübergang). Thermostatbäder haben den Nachteil eines großen Bauvolumens und gewährleisten aufgrund der undefinierten Umströmung des Mikro reaktors in extremen Fällen keinen ausreichenden Wärmeübergang.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln eine effektive Temperierung eines planaren Mikroreaktors zu erreichen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Temperieren eines planaren, plattenförmigen Mikroreaktors, der im Randbereich der Platte Öffnungen zur Fluidzu- und -abfuhr enthält, wobei die Platte im Randbereich in einer Halterung eingespannt ist, die Halterung Fluidanschlüsse aufweist, die mit den Öffnungen fluchtend gegen die Platte gepresst sind, und wobei die Platte außerhalb ihres in der Halterung eingespannten Randbereichs in einem von einem Temperierungsfluid durchströmten Raum angeordnet ist, dessen Wände in einem spaltbildenden Abstand zu der Platte verlaufen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also der planare Mikroreaktor in einen spaltförmigen Raum eingehängt, so dass er beidseitig einen geringen und gleichmäßigen Abstand zu den Wänden der Temperierungsvorrichtung hat. Die Spalte werden von dem Temperierungsfluid (Heiz- oder Kühlfluid) durchströmt, wobei der direkte Wärmeübergang zwischen der Oberfläche des Mikroreaktors und dem Temperierungsfluid sowie hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Temperierungsfluids eine Steigerung des Wärmetransports erlauben. Durch geeignete Strukturierungen der Wände der Temperierungsvorrichtung lassen sich Kurzschlussströmungen des Temperierungsfluids vermeiden. Das Temperierungsfluid kann entweder an einer schmalen Seite des Mikroreaktors zugeführt werden, so dass die Strömung des Temperierungsfluids durch die Schmalseite des Mikroreaktors aufgeteilt wird und seitlich an dem plattenförmigen Mikroreaktor entlangstreicht, oder die Zufuhr des Temperierungsfluids wird so auf dem Mikroreaktor gerichtet, dass dieser quasi als Prallplatte wirkt wobei dann das Tempe rierungsfluid dann seitwärts um den Mikroreaktor herum strömt und wird auf der zur Prallseite rückwärtigen Seite abgeführt wird. Wird der Mikroreaktor als Prallplatte genutzt, so kann er auf der Gegenseite durch geeignete Strukturen auf der Wand der Temperierungsvorrichtung mechanisch abgestützt werden. Je nach Mikroreaktor kann der Ort der maximalen Wärmeentwicklung unterschiedlich sein, was durch eine entsprechende geometrische Anordnung der Zuführung des Temperierungsfluids berücksichtigt werden kann.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen

1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in zwei unterschiedlichen Schnittdarstellungen,

3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Schnittdarstellung und die

4 und 5 Ansichten auf unterschiedliche Teile der in 3 gezeigten Vorrichtung.

Die 1 und 2 zeigen einen planaren Mikroreaktor in Form einer Platte 1, die in einem Randbereich an mit 2 bezeichneten Stellen Öffnungen zur Fluidzu- und -abfuhr enthält. Die zugeführten Fluide (Edukte) werden innerhalb der Platte 1 zur Reaktion gebracht und als Produkte abgeführt. Die Platte 1 ist in ihrem die Öffnungen aufweisenden Randbereich in einer Halterung 3 eingespannt. Diese besteht aus einem Montageblock 4 mit einem Schlitz 5, in dem die Platte 1 mit ihrem Randbereich eingeführt ist. In dem Montageblock 4 sind Fluidanschlüsse 6 gehalten, die mit den Öffnungen in der Platte 1 fluchtend gegen die Platte 1 elastisch gepresst sind und diese dabei mit ihrer zur Seite mit den Öffnungen rückwärtigen Seite gegen die dortige Wand des Schlitzes 5 pres sen. Die Fluidanschlüsse 6 bestehen jeweils aus einem Schlauch 7, der mittels eines in dem Montageblock 4 eingeschraubten Fittings 8 in dem Montageblock 4 gehalten ist. Das Fitting 8 drückt über Dichtungs- und Andruckmittel 9 die Platte 1 elastisch gegen die Wand des Schlitzes 5.

Die Halterung 3 mit dem Montageblock 4 ist auf einem weiteren Montageblock 10 montiert, der eine rohrförmige Zu- und Ableitung 11 für ein Temperierungsfluid 12 enthält. Die rohrförmige Zu- und Ableitung 11 durchdringt dabei einen schlitzförmigen Raum 13, der in Richtung zu dem Montageblock 4 hin offen ist und in den die Platte 1 des planaren Mikroreaktors hineinragt. Die Wände 14 des Raumes 13 verlaufen dabei in einem spaltbildenden Abstand zu der Platte 1. Die Platte 1 wirkt als Prallplatte für das durch den weiteren Montageblock 10 strömende Temperierungsfluid 12, welches nach dem Aufprall auf den Mikroreaktor seitwärts um diesen herum strömt und auf der anderen Seite abgeführt wird. Damit die Platte 1 durch das auftreffende Temperierungsfluid 12 nicht durchgebogen wird, ist sie rückseitig durch geeignete Stützstrukturen 15 an der Wand 14 abgestützt.

Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Raum 13 zur Aufnahme der Platte 1 des planaren Mikroreaktors zwischen zwei zusammengefügten Montageteilen 20 und 21 ausgebildet, von denen das eine Montageteil, hier 20, die Zuleitung 22 für das Temperierungsfluid 12 und das andere Montageteil 21 die Ableitung 23 für das Temperierungsfluid 12 enthält. Beide Montageteile 20 und 21 enthalten auf den einander zugewandten Seiten jeweils eine Aussparung 24 bzw. 25, wobei die Aussparungen 24, 25 im zusammengefügten Zustand der beiden Montageteile 20 und 21 den Raum 13 bilden. Die Aussparung 25 in dem Montageteil 21 weist eine umlaufende Nut 26 auf, in die die Platte 1 des Mikroreaktors eingelegt ist. In der Aussparung 24 des anderen Montageteils 20 liegt eine Flachdichtung 27, die bei zusammengefügten Montageteilen 20 und 21 die Platte 1 elastisch in die Umlaufnut 26 drückt. Die Fluidanschlüsse 6 sind in dem Montageteil 20 gehalten und mit den Öffnungen in der Platte 1 und weiteren Öffnungen 28 in der Flachdichtung 27 fluchtend gegen die Flachdichtung 27 und die dahinter liegende Platte 1 gepresst. Auf der gegenüberliegenden Seite sind in der Ausnehmung 26 des Montageteils 21 Stützstrukturen 29 ausgebildet, die die Platte 1 gegen den Anpressdruck durch die Fluidanschlüsse 6 abstützen.

4 zeigt das Montageteil 20 in einer Draufsicht auf die Seite mit der Ausnehmung 24.

5 zeigt das Montageteil 21 in einer Draufsicht auf die Seite mit der Ausnehmung 25.

Claims

Vorrichtung zum Temperieren eines planaren, plattenförmigen Mikroreaktors, der im Randbereich der Platte (1) Öffnungen zu Fluidzu- und -abfuhr enthält, wobei die Platte (1) im Randbereich in einer Halterung (3) eingespannt ist, wobei die Halterung (3) Fluidanschlüsse (6) aufweist, die mit den Öffnungen fluchtend gegen die Platte (1) gepresst sind, und wobei die Platte (1) außerhalb ihres in der Halterung (3) eingespannten Randbereichs in einem von einem Temperierungsfluid (12) durchströmten Raum (13) angeordnet ist, dessen Wände (14) in einem spaltbildenden Abstand zu der Platte (1) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (13) längs zur Platte (1) von dem Temperierungsfluid (12) durchströmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (13) quer zur Platte (1) von dem Temperierungsfluid (12) durchströmt wird.