DE10314380A1

DE10314380A1 - Durchführung chemischer Reaktionen

Info

Publication number: DE10314380A1
Application number: DE10314380A
Authority: DE
Inventors: Bernd Penth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-03-29
Filing date: 2003-03-29
Publication date: 2004-10-07

Abstract

Es wird ein modular aufgebauter Mikroreaktor zur Durchführung chemischer Reaktionen beschrieben, wobei zwei Flüssigkeitsstrahlen in der Mitte eines gasdurchspülten Innenraumes kollidieren.

Description

Es wird die Durchführung physikalischer und chemischer Prozesse in einem Mikrostrahlreaktor beschrieben wobei in einem von einem modular aufgebauten Reaktor eingeschlossenen Gasraum Flüssigkeitsstrahlen, durch Düsen auf einen gemeinsamen Kollisionspunkt gerichtet, aufeinandertreffen und über eine zusätzliche Öffnung dem Reaktorinneren ein Gas oder eine verdampfende Flüssigkeit zur Aufrechterhaltung der Gasatmosphäre zugeführt wird.
In der EP1165224 ist ein Mikroreaktor und seine besonderen Vorteile beschrieben. Insbesondere kann dieser Reaktortyp nicht verblocken und bedarf keinerlei Reinigung vor oder nach seinem betrieblichen Einsatz.
In der Mikroverfahrenstechnik zeigt sich in den letzten Jahren ein Trend hin zu einem modularen Aufbau von verfahrenstechnischen Elementen. In solchen Mikro-Reaktionssystemen werden im Inneren kleiner, würfelförmiger Module, die je nach Aufgabenstellung zu einer variablen und regelbaren Anlage kombinierbar sind, neben den chemischen Reaktionen die Grundoperationen der Verfahrenstechnik wie Mischen, Emulgieren, Trennen, Extrahieren, Kühlen oder Heizen in mikrotechnischen Strukturen durchgeführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die vorteile des in EP1165224 beschriebenen Mikroreaktors, dem sogenannten MicroJetReactor, konstruktiv derart zu realisieren, dass die vorteilhaften Eigenschaften des MicroJetReactors auch für die modulare Mikroverfahrenstechnik nutzbar werden.
Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, dass ein zu den bestehenden Modulen der Mikroverfahrenstechnik hinsichtlich Größe. Material und Anschlusstechnik kompatibler Würfel zu einem MicroJetReactor bearbeitet wird. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass der Würfel zunächst mit zwei senkrecht aufeinanderstehenden Bohrungen versehen wird. Eine erste Bohrung dient dabei gleichzeitig auf einer Seite als Gaszufuhr, auf der gegenüberliegenden Seite als Produktausgang und in dem dazwischenliegenden Bereich als Reaktionsraum. Wesentlich für den Charakter als MicroJetReactor ist dabei dass die Düsenabstände ein Vielfaches Ihres Durchmessers betragen. Dies ist deshalb wichtig, weil durch den Abstand der Düsen die Größe es Reaktionsraumes definiert wird und dieser Reaktionsraum nicht zu klein werden sollte, da nur zunehmender Verkleinerung die Vorteile des MicroJetReactors, wie Verblockungs- und Reinigungsfreiheit, kleiner werden. Günstig für die Größe des Reaktionsraumes ist eine Bohrung, die etwa dem 3 bis 20fachen, besser jedoch etwa dem 10fachen der Düsenweite entspricht. Praktikabel sind besipielsweise 200 μm-Düsen bei einer Bohrung von 2 mm für den Reaktionsraum.
In die zweite Bohrung, die auf der ersten senkrecht angebracht ist, werden die Düsen eingesetzt. Für die Ausgestaltung der Düsen gibt es eine Reihe von Möglichkeiten. Beispielhaft sind einige Ausführungen in EP1165224 beschrieben. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, handelsübliche Saphirdüsenscheiben, wie Sie aus der Fertigung für mechanische Uhren als Lagersteine bekannt sind, zunächst Metallfassungen einzubetten und die Metallfassungen anschließend in der vorgesehenen Bohrung durch Einschweißen zu frieren. Auf diese Weise gelingt es zuverlässig, die exakte Justierung der Düsen aufeinander abzustimmen.
Alternativ kommen auch Düsen aus anderen Werkstoffen, wie in EP1165224 beschrieben, in Frage.
Eine weitere optionale Bohrung, die in der 3-Raumachse senkrecht auf den beiden anderen Bohrungen angebracht ist, dient der optischen Kontrolle, der in-situ-Analytik oder dem optionalen, temporären Blockieren des Kollisionspunktes mittels eines Stiftes beim Ein- und Ausschalten der Reaktandenzuführungen. Damit kann in seltenen, kritischen Fällen ein gegenseitiges Blockieren der Düsen während des Ein- und Ausschaltens vermieden werden.
Das Verfahren kann prinzipiell in einem Druckbereich von weniger als 1 bar bis zu über 1000 bar angewendet werden. Für die Durchführung chemischer Reaktionen erweist es sich aber als vorteilhaft, mit Drücken zwischen 3 und 100 bar zu arbeiten. Letztlich hängt der jeweilig optimale Druck von einer Reihe von sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren ab, wie gewünschter Durchsatz, erforderliche Mischintensität. Düsenweiten, Viskosität der Medien Gasmenge und Temperatur.
Das Verfahren kann aber auch in gegenüber den in der Mikroverfahrenstechnik üblichen Dimensionierungen im Millimeter- bis Zentimeterbereich nochmals miniaturisierten Strukturen realisiert werden, die unter dem Begriff Lab-on-a-chip geführt werden.
In diesem Fall kann es sinnvoll sein, die "Bohrungen" und die "Düsen" nicht mechanisch herzustellen, bzw. durch mechanisch Bearbeitung hergestellte Teile einzusetzen sondern durch Ätzen aus dem jeweiligen Trägermaterial herauszuarbeiten.

Claims

Durchführung chemischer und physikalischer Prozesse in einem Mikroreaktor, gekennzeichnet dadurch, daß es sich um einen modular aufgebauten Mikroreaktorbaustein handelt und zumindest zwei flüssige Medien über Pumpen, durch zumindest zwei Düsen, in einen von einem Reaktorgehäuse eingeschlossen Gasraum auf einen gemeinsamen Flüssigkeitsschnittpunkt gespritzt werden und gleichzeitig über eine zusätzliche Öffnung in den Reaktorraum zumindest ein Gas oder eine verdampfende Flüssigkeit wobei das Gas zur Aufrechterhaltung der Gasatmosphäre im Reaktorinneren, insbesondere im Kollisionspunkt der Flüssigkeitsstrahlen dient und die entstehenden Reaktionsprodukte und überschüssiges Gas durch eine weitere Öffnung aus dem Reaktorgehäuse entfernt werden.
Durchführung chemischer und physikalischer Prozesse in einem Mikroreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung so gestaltet ist, dass die Düsen in einem würfelförmigen Gehäuse untergebracht sind und der Würfel als modularer Baustein in einem Mikro-Reaktionssystem verwendet wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Mikro-, und Nanopartikel nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, dass das Verfahren in miniaturisierten Strukturen realisiert wird, die unter dem Begriff "Lab-on-a-chip" geführt werden und die Stoffzu-, und abfuhren, sowie die Düsen optional alternativ geätzt werden.