DE19945832A1

DE19945832A1 - Modular aufgebauter Mikroreaktor

Info

Publication number: DE19945832A1
Application number: DE19945832A
Authority: DE
Inventors: Regina Knitter; Britta Linner-Kromar; Hans-Joachim Ritzhaupt-Kleissl; Volker Winter; Juergen Hauselt
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2001-04-05

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikroreaktor vorzuschlagen, bei dem einzelne Komponenten des Reaktionsmoduls separat austauschbar sind. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen modular aufgebauten Mikroreaktor, bestehend aus einem Gehäuse mit mindestens einem Einlaß für mindestens ein Edukt und einem Auslaß für ein Produkt einer Reaktion, einem Führungssystem für das Edukt, das sich an den Einlaß anschließt und einem Führungssystem für das Produkt, das in den Auslaß mündet, einem Gehäusedeckel, mit dem sich das Gehäuse öffnen und verschließen läßt, sowie katalytisch wirksamen, austauschbaren Einbauten, die sich zwischen den Führungssystemen für das Edukt und das Produkt einsetzen lassen.

Description

Die Erfindung betrifft einen modularen Mikroreaktor gemäß dem ersten Patentanspruch.

In der Veröffentlichung von W. Bier, A. Guber, G. Linder, Th. Schaller und K. Schubert: "Mechanische Mikrofertigung-Verfah ren und Anwendung", KfK-Bericht 5238 (September 1993) des Kern forschungszentrums Karlsruhe ist ein Mikroreaktor beschrieben, der aus vielen übereinandergestapelten, mit Nuten versehenen Lagen eines Metalls besteht, die in ein Gehäuse eingeschweißt sind. Das Gehäuse ist mit Rohranschlüssen ausgerüstet, an denen Standard-Rohrkupplungen angebracht sind, so daß der Mikroreak tor leicht in eine Anlage oder einen Versuchsstand ein- und ausgebaut werden kann.

Ein blockartiger, aus Keramikfolien aufgebauter Keramik-Sinter körper, der als Mikroreaktor verwendbar ist, wird in der DE 195 09 668 C1 beschrieben. Wie die DE 296 23 184 U zeigt, können keramische Mikroreaktoren auch mit einer integrierten Heizvor richtung versehen sein.

Die Reaktionsmodule der beschriebenen Mikroreaktoren bilden ei nen festen Block, der ggf. unlösbar mit einem Gehäuse verbunden ist. Ein Austausch innerhalb einer Anlage ist daher nur im Gan zen, ggf. zusammen mit dem Gehäuse, möglich.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Mikroreaktor vorzuschlagen, bei dem einzelne Komponenten des Reaktionsmoduls separat aus tauschbar sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch den im ersten Patentanspruch be schriebenen modular aufgebauten Mikroreaktor. Bevorzugte Ausge staltungen des Mikroreaktors sind Gegenstand der Unteransprü che.

Erfindungsgemäß wird ein Mikroreaktor vorgeschlagen, der modu lar aufgebaut ist. Er besteht aus einem Gehäuse, das mit einem oder mehreren Einlässen für mindestens ein Edukt und mindestens einem Auslaß für das oder die Produkte versehen ist. In den Re aktionsbereich des Mikroreaktors sind austauschbare Einbauten eingesetzt, die die im Reaktor stattfindende chemische Reaktion katalysieren können. Das Gehäuse ist mit einem Gehäusedeckel versehen, der zum Austausch der Einbauten geöffnet werden kann.

Ggf. sind nicht nur austauschbare Einsätze für das Reaktionsmo dul des Mikroreaktors vorgesehen, sondern auch austauschbare Einsätze für die Edukt- und Produktführung. Eine solche Ausfüh rungsform läßt eine größere Variationsbreite von Reaktionsmodu len zu.

Als Material für den Mikroreaktor ist bevorzugt Keramik vorge sehen. In Keramik-Mikroreaktoren lassen sich Hochtemperaturre aktionen durchführen, die in metallischen Mikroreaktoren in der Regel nicht möglich sind. Besonders bevorzugt wird, den gesam ten Mikroreaktor einschließlich aller seiner Komponenten aus einer Keramik mit derselben Zusammensetzung aufzubauen, wobei alle Keramikkomponenten einer Temperaturbehandlung mit identi schen Parametern unterworfen worden sind. Dadurch wird eine hohe Paßgenauigkeit der einzelnen Komponenten, insbesondere der austauschbaren Einsätze, gewährleistet. In diesem Fall ist der Mikroreaktor bis zu Temperaturen von ca. 1400°C für homogen, heterogen oder nicht katalysierte Reaktionen mit gasförmigen und/oder flüssigen Edukten einsetzbar. Beispiele für solche Re aktionen sind:
Synthese von Ethen:
2CH₄ + O₂→ C₂H₄ + 2H₂O (Methankopplung)
HCl-Oxidation:
4HCl + O₂ → 2H₂O + 2Cl₂ (Deaconprozeß)
HCN-Synthese:
CH₄ + NH₃ → HCN + 3H₂ (BMA-Verfahren)
CH₄ + NH₃ + 1½O₂→ HCN + 3H₂O (Andrussow-Verfahren)

Die Erfindungen wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels näher erläutert.

Beispiel 1

Herstellung eines Mikroreaktors aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) durch Niederdruckspritzgießen/Heißgießen.

Das Niederdruckspritzgießen oder Heißgießen ist ein gut geeig netes Formgebungsverfahren zur Herstellung der erfindungsgemä ßen Mikroreaktoren. Keramische Pulver werden durch Zusatz nied rigschmelzender Paraffine in einen thermoplastischen Zustand gebracht. Die Formgebung kann entweder manuell oder maschinell erfolgen. Nachfolgend wird das angewandte Formgebungsverfahren näher erläutert.

Die Plastifizierung des Keramikpulvers erfolgte in einem man telbeheizten und evakuierbaren diskontinuierlichen Schaufelkne ter (Doppel-Z-Kneter). 291,4 g Paraffin (Typ 6403, Erstarrungs punkt 63 -66°C, Parafluid Mineralölgesellschaft mbH, Hamburg) und 47,4 g Emulgator Polyethylenglykoloctadecylether (Emulgator Brij 72, Erstarrungspunkt 45-50°C, Fluka Chemie AG, Buchs (CH)) wurden bei einer Temperatur von 80°C gemeinsam im Kneter aufgeschmolzen. 1922 g kommerziell erhältliches α-Aluminium oxid (z. B. des Typs CS 400/M, Martinswerk GmbH, Bergheim), das 12 h bei 180°C getrocknet wurde, wurde portionsweise unterge mischt. Der Heißgießschlicker wird nach vollständiger Pulverzu gabe 3 bis 4 h bei einem Druck von 0,02 MPa geknetet und danach erkalten lassen.

Bei Bedarf wird der Heißgießschlicker in einem Trockenschrank bei 120°C in einen fließfähigen Zustand gebracht. Durch mehrma liges alternierendes Evakuieren in einem Exsiccator und Wieder aufheizen wird der Schlicker von Lufteinschlüssen befreit. Für die Formgebung werden z. B. strukturierte Silikonformen ver wendet. Diese enthalten das Negativmodell des herzustellenden Bauteils. Die Silikonformen können durch Umkopieren von stereo lithographisch auf Epoxidharzen erzeugten Urformen hergestellt werden.

Die Füllung der Silikonformen mit Heißgießschlicker erfolgt ma nuell bei einer Temperatur von 120°C. Hierzu werden die Sili konformen im Trockenschrank ebenfalls auf 120°C vorgeheizt. Um eine poren- und schlierenfreie Formfüllung zu gewährleisten, müssen die schlickergefüllten Formen mehrfach alternierend me chanisch gerüttelt, wieder aufgeheizt und evakuiert werden. Die Entformung erfolgt nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur eben falls manuell. Alternativ kann die Befüllung der Formen maschi nell auf einer Niederdruck-Spritzgußmaschine erfolgen.

Die auf diese Weise hergestellten Grünkörper werden nachfolgend einer thermischen Behandlung unterzogen. Primär erfolgt die Entfernung des organischen Bindersystems. Hierzu werden die Grünkörper auf saugfähige Platten aus porösem Aluminiumoxid ge setzt. In einem Kammerofen mit Luftumwälzung werden die organi schen Komponenten in drei Stufen ausgebrannt. Ausgehend von Raumtemperatur wird mit einer Geschwindigkeit von 0,5 K/min auf eine Temperatur von 180°C aufgeheizt und diese 150 min lang ge halten. Die weitere Aufheizung erfolgt ebenfalls mit einer Ge schwindigkeit von 0,5 K/min auf 250°C; die Haltezeit beträgt wiederum 150 min. In der dritten Stufe wird mit einer Geschwin digkeit von 0,75 K/min auf die Endtemperatur von 500°C aufge heizt und nach einer Haltezeit von 10 min ungeregelt abgekühlt.

Der anschließende Sinterprozeß erfolgt in einem Hochtemperatur- Kammerofen in Luftatmosphäre. Die entbinderten Bauteile werden in zwei Stufen auf Sintertemperatur erhitzt. Zunächst wird mit einer Geschwindigkeit von 60 K/h auf eine Temperatur von 600°C aufgeheizt und diese Temperatur 30 min lang gehalten; in der zweiten Stufe wird mit einer Geschwindigkeit von 600 K/h auf Sintertemperaturen von 1500 bis 1700°C aufgeheizt. Nach 1 h Haltezeit wird mit 600 K/h wieder auf Raumtemperatur abgekühlt.

Die Integration von Heizelementen in das Reaktorgehäuse läßt sich dadurch bewerkstelligen, daß das Heizelement ebenfalls durch Niederdruckspritzguß abgeformt wird und dieses dann in eine im Reaktorgehäuse vorgesehene Vertiefung eingepaßt wird (vgl. Fig. 7). Das Reaktorgehäuse und das Heizelement werden gemeinsam entwachst und gesintert. Die Niederdruckspritzguß masse für elektrisch leitfähige Al₂O₃/TiN-Keramik muß hinsicht lich der Sinterschwindung an die reine Al₂O₃-Masse angepaßt sein. Dies trifft für folgende Masseverhältnisse zu:

Der Verbund aus Reaktorgehäuse und Heizelement kann an Luft nur bis zu einer Temperatur von 250°C erhitzt werden, um eine Oxi dation des TiN zu vermeiden. Die Entwachsung des Verbundes er folgt daher mit folgendem Temperaturprogramm: Ausgehend von Raumtemperatur wird mit 0,5 K/min auf 180°C erhitzt und diese Temperatur für 2 h gehalten; dann wird mit 0,5 K/min auf eine Temperatur von 250°C weiter aufgeheizt und diese ebenfalls 2 h gehalten. Danach kühlt die Probe unkontrolliert ab.

Die weitgehend entwachsten Verbunde werden in einen Inertgas sinterofen überführt und dort in Stickstoff gesintert. Von Raumtemperatur bis 600°C wird mit 0,6 K/min und ohne Haltezeit mit 20 K/min weiter auf 1750°C aufgeheizt. Die Sintertemperatur wird 2 h gehalten und anschließend mit 20 K/min auf Raumtempe ratur abgekühlt.

In den Figuren sind verschiedene Ausführungsformen des modular aufgebauten Mikroreaktors dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1 eine Ausführungsform des modular aufgebauten Mikroreak tors;

Fig. 2 ein Reaktorgehäuse zur Aufnahme katalytisch wirksamer Einsätze;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform des Mikroreaktors;

Fig. 4 einen katalytisch wirksamen Einsatz;

Fig. 5 einen austauschbaren Gaseinlaßverteiler;

Fig. 6 Mischeinsätze;

Fig. 7 einen Gehäusedeckel und

Fig. 8 einen in den Gehäusedeckel einsetzbaren Heizmäander.

Claims

1. Modular aufgebauter Mikroreaktor bestehend aus

a) einem Gehäuse mit
- - mindestens einem Einlaß für mindestens ein Edukt und
- - einem Auslaß für ein Produkt einer Reaktion,
- - einem Führungssystem für das mindestens eine Edukt, das sich an den Einlaß anschließt und
- - einem Führungssystem für das Produkt, das in den Auslaß mündet,
b) einem Gehäusedeckel, mit dem sich das Gehäuse öffnen und verschließen läßt,
c) katalytisch wirksamen, austauschbaren Einbauten, die sich zwischen den Führungssystemen für das Edukt und das Produkt einsetzen lassen.

2. Modular aufgebauter Mikroreaktor nach Anspruch 1, bei dem das Führungssystem für das mindestens eine Edukt und/oder das Führungssystem für das Produkt als austauschbarer Ein satz gestaltet sind.

3. Modular aufgebauter Mikroreaktor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens zwei Edukte vorgesehen sind und das Füh rungssystem für die Edukte als statischer Mischer gestaltet ist.

4. Modular aufgebauter Mikroreaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Gehäuse, der Gehäusedeckel, die Führungssysteme und die Einbauten aus einer Keramik bestehen.

5. Modular aufgebauter Mikroreaktor nach Anspruch 4, bei dem die Keramik für das Gehäuse, den Gehäusedeckel, die Füh rungssysteme und die Einbauten eine identische Zusammenset zung aufweist und einer Temperaturbehandlung mit identi schen Parametern unterworfen wurde.

6. Modular aufgebauter Mikroreaktor gemäß einem der Ansprüche 4 und 5, der mit einem Einsatz mit einer elektrischen Hei zung versehen ist.