DE10335068A1

DE10335068A1 - Mikroreaktormodul

Info

Publication number: DE10335068A1
Application number: DE2003135068
Authority: DE
Inventors: Willi Dipl.-Ing. Hempelmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-03-03
Also published as: DE102004037059B4; DE102004037059A1

Abstract

Es wird ein Mikroreaktormodul mit Rekatorelementen wie Fluidkanälen, Reaktionskammern, Heiz- und/oder Mischeinrichtungen und dergleichen vorgeschlagen, wobei eine Anzahl von Mikroreaktormodulen zu einer Mikroreaktoranlage zusammensetzbar ist, in der die Module durch Fluidkanäle miteinander in Verbindung stehen, die im Bereich von Dichtflächen ausgebildet sind, die durch eine Spanneinrichtung kraftschlüssig miteinanderer verbindbar sind. Weiterhin wird ein Mikroreaktormodul mit einer Trennwand im Innern vorgesehen, um in einer zusätzlichen Kammer Sensor- und/oder Aktorelemente und deren Elektronik unterbringen zu können, die mit der Kammer mit Reaktorelementen in Verbindung stehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroreaktormodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des Anspruchs 8.

Ein Mikroreaktormodul dieser An ist aus DE 199 17 330 A1 bekannt, wobei die einzelnen Module zum Aufbau eines Mikroreaktorsystems formschlüssig derart miteinander verbunden werden, dass von einem Modul zum anderen führende Fluidkanäle nach außen abgedichtet miteinander verbunden sind. Durch die formschlüssige Verbindung ergibt sich an den verschiedenen Außenseiten eines Moduls ein unterschiedlicher Aufbau, wodurch sich das Auswechseln eines Moduls eines Mikroreaktorsystems umständlich und aufwendig gestaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroreaktormodul der eingangs angegebenen Art so auszubilden, dass die Verbindung vereinfacht und ein Auswechseln eines Moduls erleichtert wird.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mikroreaktormodul so auszugestalten, dass zusätzliche Funktionen in einem Modul vorgesehen werden können.

Die Aufgabe zur Vereinfachung der Verbindung und zur Erleichterung des Auswechselns wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Verbindung kraftschlüssig über Dichtflächen erfolgt. Hierdurch ist eine identische Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung an den verschiedenen Seiten eines Moduls möglich, wodurch auch die Herstellung vereinfacht wird, während andererseits das Auswechseln eines Moduls dadurch erleichtert wird, dass lediglich die für den Kraftschluss vorgesehene Spanneinrichtung gelöst wird.

Die Aufgabe zur Ausgestaltung eines Moduls für zusätzliche Funktionen wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8 dadurch gelöst, dass im Innern eines Moduls eine Trennwand zur Ausbildung von zwei voneinander getrennten Kammern vorgesehen ist, wobei in der einen Kammer Reaktorelemente untergebracht werden, während in der anderen Kammer Sensor- bzw. Aktorelemente und Elektronikschaltungen angeordnet werden können, die durch Bohrungen in der Trennwand mit den Reaktorelementen in Verbindung stehen. Durch die Unterbringung von Sensor- und Aktorelementen in einem Modul kann dieses für zusätzliche Funktionen ausgerüstet werden.

Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
1 in einer perspektivischen Ansicht eine Mikroreaktoranlage, die aus einzelnen Modulen zusammengesetzt ist,
2 in perspektivischer Darstellung die Verbindung zweier Module;
3 eine Draufsicht auf die Anordnung nach 2,
4 eine Ansicht der Spanneinrichtung zwischen zwei Modulen,
5 verschiedene Ausführungsformen von Spanneinrichtungen,
6 ein Sockelement,
7 einen Schnitt durch ein Modul längs der Linie A-A in 8,
8 eine Draufsicht auf das Modul nach 9,
9 eine perspektivische Ansicht eines Moduls mit Trennwand, und
10 eine Ansicht des Moduls nach 9 mit Abdeckelementen.
1 zeigt eine Mikroreaktoranlage, die aus einzelnen Modulen von unterschiedlicher geometrischer Gestalt zusammengesetzt ist. Mit 1a ist ein würfelförmiges Modul, mit 1b ein in der Draufsicht dreieckiges Modul und mit 1c ein in der Draufsicht sechsseitiges Modul bezeichnet. In den einzelnen Modulen sind verfahrenstechnische und Reaktorelemente untergebracht, wie Reaktionskammern, Heizvorrichtungen, Mischvorrichtungen und dgl. Reaktorelemente, die für eine Mikroreaktoranlage in Abhängigkeit von dem jeweiligen chemischen Verfahrensablauf notwendig sind.
2 bis 4 zeigen die Verbindung der einzelnen Mikroreaktormodule, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf jeder Seite Ansätze 2 aufweisen, die auf der Außenseite jeweils mit einer Dichtfläche 2a versehen sind, in deren Bereich ein Fluidkanal 3 mündet. Auf der der Dichtfläche 2a gegenüberliegenden Seite der Ansätze ist zumindest auf einem Abschnitt des Umfangs eine Schrägfläche 2b ausgebildet, so dass sich keilförmige Randabschnitte ergeben. Bei dem würfelförmigen Modul 1a sind auf jeder Seite etwa quadratische Ansätze 2 ausgebildet, die auf allen vier Seiten mit einer Schrägfläche 2b versehen sind. Bei dem in der Draufsicht in Form eines gleichseitigen Dreiecks ausgebildeten Moduls 1b sind auf den drei Umfangsflächen rechteckige bzw. quadratische Ansätze 2 vorgesehen, während auf den beiden dreieckigen Seiten ein polygonaler Ansatz 2 gesehen ist, der parallel zu den Dreiecksseiten mit einer Schrägfläche 2b zur Ausbildung eines keilförmigen Randabschnitts versehen ist. In entsprechender Weise ist das in 1 wiedergegebenen sechsseitige Modul 1c auf der Ober-und Unterseite mit einem Ansatz 2 versehen, der auf dem Umfang mit sechs keilförmigen Randabschnitten versehen ist, die jeweils parallel zu den sechs Seiten des Moduls verlaufen.
Zum Verbinden der einzelnen Module ist eine Spanneinrichtung 4 vorgesehen, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei Klemmelementen 4a und 4b besteht, die durch Schrauben 5 gegeneinander verspannt werden, wobei die V-förmig zueinander angeordneten Klemmflächen 4c an den Schrägflächen 2b zweier aneinanderliegender Ansätze 2 zum Anliegen kommen, wie dies 4 zeigt. Durch Verspannen der beiden Klemmelemente 4a und 4b werden die Dichtflächen 2a der Ansätze 2 gegeneinander gedrückt, so dass der Fluidkanal 3, der vorzugsweise in der Mitte der Dichtflächen 2a mündet, durch die aneinander liegenden Dichtflächen abgedichtet wird.
Die Dichtflächen 2a sind vorzugsweise plan geschliffen, so dass sich durch Aneinanderpressen der Dichtflächen eine Abdichtung der Fluidkanäle 3 ergibt. Es können aber auch nicht dargestellte Dichtungsringe in die Dichtflächen 2a eingelassen sein. Ebenso ist es möglich, auf den Dichtflächen 2a beispielsweise ringförmige Dichtabschnitte vorzusehen, die gegenüber der übrigen Fläche derart plangeschliffen sind, dass sie bei Aneinanderliegen eine Abdichtung der Fluidkanäle ergeben.
Zur Erhöhung der Dichtsicherheit können die Dichtflächen mit einer um den Fluidkanal 3 konzentrischen Oberflächenstrukturierung versehen sein.
5a zeigt die in 2 bis 4 wiedergegebene Spanneinrichtung 4. 5b zeigt eine aus drei Klemmelementen 4c bestehende Spanneinrichtung 4', die in 1 zur Verbindung zwischen dem oberen und unteren Modul 1b vorgesehen ist. Die drei Klemmelemente 4c, die auf den Innenseiten V-förmig angeordnete Klemmflächen 4d aufweisen, sind an den beiden Enden jeweils mit dem benachbarten Klemmelement durch Schrauben 5 verspannt. Eine Spanneinrichtung 4' nach 5b wird beispielsweise an dem Ansatz 2 auf der Oberseite des Moduls 1b in 2 zur Verbindung mit einem weiteren Modul mit drei Seiten verwendet. 5c zeigt eine Spanneinrichtung 6 mit zwei Spannrahmen 6a und 6b, die durch Schrauben 5 gegeneinander verspannt werden, wobei auf den Innenseiten von zwei gegenüberliegenden Rahmenabschnitten schräg verlaufende Klemmflächen 6c ausgebildet sind, die einen Ansatz 2 an einem Modul hintergreifen, wobei die Schrägflächen 6c an den Schrägflächen 2b eines Ansatzes 2 zum Anliegen kommen. 1 zeigt derartige Spanneinrichtungen 6 zum Ankoppeln eines freiliegenden Reaktorelements, wobei beispielsweise eine Rohrwindung 7 (1) an ein Reaktormodul 1c angekoppelt ist
7 bis 9 zeigen den Aufbau eines Reaktormoduls 10 in Würfelform, wobei im Innern des Moduls eine Trennwand 11 ausgebildet ist, die zwei Kammern 12 und 13 im Innern des Moduls voneinander trennt. In der Trennwand verlaufen Fluidkanäle 3, die bei dem Ausführungsbeispiel nach 7 in der Kammer 12 münden. Nicht dargestellt ist in 7 ein in der Kammer 12 vorgesehenes Reaktorelement, das an die Fluidkanäle 3 angeschlossen ist. Wie die Draufsicht in 8 zeigt, führt jeweils ein Fluidkanal 3 von einem der auf den vier Umfangsflächen vorgesehenen Ansätze 2 durch die Trennwand 11 in die Kammer 12.
In der Kammer 13 (7), in der kein Fluidkanal 3 mündet, werden Sensor- und/oder Aktorelemente bzw. deren Elektronik untergebracht, die über eine Bohrung 11a bzw. entsprechende Öffnungen mit der Kammer 12 und den darin angeordneten Reaktorelementen verbunden werden. Durch diese Ausgestaltung können in einem Mikroreaktormodul zusätzliche Funktionen für Überwachung durch Sensorelemente und für Einstellungsvorgänge bzw. Verstellvorgänge durch Aktorelemente vorgesehen werden. Auch können beispielsweise elektronische Elemente, wie Verstärker und dergleichen, in der von der Kammer 12 abgetrennten bzw. abgedichteten Kammer 13 untergebracht werden.
Zur Verbindung mit der Kammer 12 werden die Durchgänge vorzugsweise medium- und temperaturgeschützt ausgebildet. Beispielsweise kann auch von der Kammer 13 aus ein Hohlraum in die Kammer 12 ragen und in diesem Hohlraum ein Sensorelement untergebracht sein, das mit den Reaktorelementen in der Kammer 12 nicht in Berührung kommt. Falls erforderlich, kann auch an der Kammer 13 ein Fluidanschluss vorgesehen werden.
Zum Abschließen der Kammern 12 und 13 ist ein in 10 wiedergegebenes plattenförmiges Abdeckelement 14 vorgesehen, das durch Schrauben 15 fluiddicht die Kammer 12 bzw. 13 abdeckt. Auf der Außenseite der plattenförmigen Abdeckelemente 14 ist jeweils ein Ansatz 2 für die Verbindung mit einem benachbarten Mikroreaktormodul vorgesehen.
Wenn die Kammer 13 für Sensor- und/oder Aktorelemente keinen Fluidanschluss mit einem benachbarten Modul benötigt, kann das Abdeckelement 14 geschlossen bzw. ohne Fluidkanal 3 ausgebildet sein, wie dies 10 zeigt. Entsprechende Ansätze 2 ohne Fluidkanal 3 können auch an der Unterseite von den in 1 wiedergegebenen Modulen 1a und 1c vorgesehen werden, die durch eine Spanneinrichtung 4 mit einem Sockelelement 8 verbunden sind, das im Aufbau einem Abdeckelement 14 mit Ansatz 2 entspricht.
Durch eine Mikroreaktoranlage, wie sie als Beispiel 1 zeigt, ergibt sich für Kleinmengenproduktion und für die Laboranalytik ein flexibler und einfacher Aufbau durch die Verwendung einzelner Module, die nach Lösen der entsprechenden Spanneinrichtungen 4 einzeln ausgetauscht werden können, ohne dass der gesamte Aufbau beeinträchtigt wird. Es ergibt sich ein preiswertes Gesamtsystem durch geringe Peripheriekosten, weil keine Grundplatte bzw. kein Gerüst für die Gesamtanlage erforderlich ist. Die einzelnen Module können in einfacher Weise mit einer nicht dargestellten Wärmeisolierung versehen werden, wenn dies für den Reaktionsablauf in einzelnen Modulen erforderlich sein sollte. Auch können einzelne Module auf thermisch isolierenden Füßen bzw. Sockelelementen 8 positioniert werden.
Zur Isolierung der Module voneinander können auch zwischen den Dichtflächen isolierende Keramikschichten eingelegt werden, welche den Wärmeübergang vom einem zum anderen Modul reduzieren. In gleicher Weise können an den Schrägflächen 4c der Klemmelemente Keramikschichten zur Isolierung angebracht werden, damit auch ein Wärmeübergang über die Spanneinrichtung minimiert wird. Schließlich ist es auch möglich, ein Modul aus einem isolierenden Werkstoff zu fertigen.
Durch die kraftschlüssige Verbindung über plane Dichtflächen zwischen den einzelnen Modulen ergibt sich ein minimales Totvolumen zwischen den einzelnen Reaktormodulen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung können benachbarte Module über eine in der Länge variierbare, fluiddichte Verbindung elektrisch miteinander verbunden werden. Eine solche elektrische Verbindung kann an beliebigen Seitenflächen sowie an der Ober- oder Unterseite vorgesehen sein. Vorzugsweise ragt der elektrische Anschluss bei einer Verbindung an den Seiten oder an der Oberseite zur Verminderung der Gefahr des Eindringens von Feuchtigkeit etwas aus der Oberfläche heraus. Wenn ein elektrischer Anschluss an der Unterseite eines Moduls vorgesehen wird, wird dieser zur Verringerung der Gefahr des Eindringens von Feuchtigkeit vorzugsweise etwas in der Oberfläche zurückversetzt angeordnet.
Eine elektrische Verbindung zwischen den Modulen kann auch im Bereich der Dichtflächen erfolgen, wobei beispielsweise ein federbeaufschlagter Stift im Bereich der Dichtfläche angeordnet wird, der einen elektrischen Kontakt mit einem Kontaktelement an der Dichtfläche des benachbarten Moduls bei aneinanderliegenden Dichtflächen herstellt, um Informationen auf elektrischem Wege zu übertragen. Ebenso können mehrere Fluidkanäle im Bereich der Dichtflächen münden, die durch die Dichtfläche voneinander abgedichtet sind, bspw. durch einzelne, um die jeweilige Öffnung verlaufende Dichtstrukturen auf der Dichtfläche.

Claims

Mikroreaktormodul mit Reaktorelementen wie Fluidkanäle, Reaktionskammern, Heiz- und/oder Mischeinrichtungen und dgl., wobei eine Anzahl von Mikroreaktormodulen zu einer Mikroreaktoranlage zusammensetzbar ist, in der die Module durch Fluidkanäle (3) miteinander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Modul (1a, 1b, 1c) Ansätze (2) mit Dichtflächen (2a) vorgesehen sind, die durch eine Spanneinrichtung (4) kraftschlüssig miteinander verbindbar sind.
Mikroreaktormodul nach Anspruch 1, wobei die Dichtflächen (2a) an den Außenflächen von Ansätzen (2) ausgebildet sind, die auf der der Dichtfläche abgewandten Seite Eingriffsflächen (2b) für die Spanneinrichtung (4) aufweisen.
Mikroreaktormodul nach Anspruch 2, wobei die Eingriffsflächen als Schrägflächen (2b) ausgebildet sind, die sich zumindest teilweise um den Umfang der Ansätze (2) erstrecken und keilförmige Randabschnitte bilden.
Mikroreaktormodul nach den Ansprüchen 2 und 3, wobei die Spanneinrichtung durch zwei Klemmelemente (4a, 4b) gebildet wird, die V-förmige Klemmflächen (4d) aufweisen und durch Spannelemente wie z.B. Schrauben (5) gegeneinander in Anlage an den Schrägflächen der Ansätze (2) verspannt werden.
Mikroreaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Modul zwei parallel zueinander liegende Außenseiten aufweist, die durch polygonale Umfangsflächen miteinander verbunden sind, wobei auf jeder der Polygonflächen und der beiden parallel zueinander liegenden Außenseiten ein Ansatz (2) ausgebildet ist.
Mikroreaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die keilförmigen Randabschnitte an einem Ansatz (2) parallel zu den Umfangsflächen des Moduls verlaufen.
Mikroreaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an den Dichtflächen (2a) konzentrisch um die Mündung eines Fluidkanals (3) eine Oberflächenstruktur zur Verbesserung der Dichtigkeit der aneinanderliegenden Flächen vorgesehen ist.
Mikroreaktormodul mit Reaktorelementen wie Fluidkanälen, Reaktionskammern, Heiz- und/oder Mischeinrichtungen und dgl., wobei eine Anzahl von Mikroreaktormodulen zu einer Mikroreaktoranlage zusammensetzbar ist, in der die Module durch Fluidkanäle miteinander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern eines Moduls zwei durch eine Trennwand (11) voneinander getrennte Kammern (12, 13) ausgebildet sind, wobei in einer Kammer (12) Reaktorelemente und in der anderen Kammer (13) Sensor- und/oder Aktorelemente bzw. Elektronikelemente angeordnet sind, die durch zumindest eine Bohrung bzw. Öffnung (11a) in der Trennwand (11) mit der Reaktorkammer bzw. den Reaktorelementen in Verbindung stehen, und wobei in der Trennwand (11) die Fluidkanäle (3) für die Verbindung der Module untereinander verlaufen.
Mikroreaktormodul nach Anspruch 8, wobei die Kammern (12, 13) eines Moduls durch ein Abdeckelement (14) fluiddicht abgedeckt sind, auf dessen Außenseite ein Ansatz (2) für die Verbindung mit einem benachbarten Modul ausgebildet ist.
Mikroreaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Modulen vorgesehen ist, vorzugsweise im Bereich der Dichtflächen.
Mikroreaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den Dichtflächen und an den Anlageflächen der Klemmelemente wärmeisolierende Schichten vorgesehen sind, die einen Wärmeübergang zwischen den Modulen minimieren.