DE202009017416U1

DE202009017416U1 - Reaktor und Satz aus Reaktoren

Info

Publication number: DE202009017416U1
Application number: DE202009017416U
Authority: DE
Original assignee: Lonza AG
Current assignee: Lonza AG
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP2012526650A; CN102421518B; CA2757392A1; WO2010130811A2; US9023296B2; IL215572A0; US20120045376A1; SG175228A1; EA201171166A2; JP6062244B2; BRPI1010558A2; EA201790846A1; EA027758B1; CN102421518A; MX2011011317A; HK1170447A1

Abstract

Reaktor mit einem ersten Kanalsystem, in dem eine Mehrzahl von ersten Edukten, die in das erste Kanalsystem einströmen, gemischt werden und miteinander zu einem ersten Produkt reagieren, das mit einer ersten Strömungsrate (f₁) aus dem Reaktor ausströmt, und einem von dem ersten unabhängigen zweiten Kanalsystem, in dem eine Mehrzahl von zweiten Edukten, die in das zweite Kanalsystem einströmen, gemischt werden und miteinander zu einem zweiten Produkt reagieren, das mit einer zweiten Strömungsrate (f₂) aus dem Reaktor ausströmt, wobei mit einem Geometriefaktor α des Reaktors gilt: f₂ = αf₁.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor sowie einen Satz von Reaktoren, bestehend aus einem Basisreaktor und einem Zielreaktor, die jeweils vorzugsweise vom Typ eines Mikroreaktors, wie er z. B. in der in EP 1 839 739 A1 offenbart ist, sind, in dem eine Mehrzahl von Edukten in einem kontinuierlichen Strömungsprozess in ein Produkt oder eine Mehrzahl von Produkten umgewandelt wird. Derartige Reaktoren werden nachfolgend auch als Durchflussreaktoren bezeichnet.
Ein Reaktor, wie er in der genannten EP 1 839 739 A1 beschrieben ist, ist eine Reaktionseinrichtung, in der eine Mehrzahl von Edukten gemischt werden und zu einem Produkt oder mehreren Produkten reagieren, wobei durch geregelte Erwärmung, Abkühlung und thermische Isolierung vor, während und/oder nach dem Mischvorgang optimale Reaktionsbedingungen einstellbar sind. Für das Verständnis der vorliegenden Erfindung dienlich sind ferner solche, die z. B. aus der EP-A-0688242 , der EP-A-1031375 , der WO-A-2004/045761 und der US-A-2004/0109798 bekannt sind.
Chemische Reaktionen, die in solchen Reaktoren durchgeführt werden können, können nach verschiedenen Reaktionstypen klassifiziert werden. Ein Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise zur Ausführung von so genannten Typ-B-Reaktionen ausgelegt. Typ-B-Reaktionen wie zum Beispiel Wittig-Reaktionen oder Acetoacylierungen aromatischer Amine mit Dikten sind schnelle und temperaturempfindliche Reaktionen mit typischen Reaktionszeiten in der Größenordnung von 1 s bis 10 min. Wichtig für Typ-B-Reaktionen ist die Reaktionstemperatur oder das Temperaturregime. Daher müssen die Volumina von Misch- und Verweilzonen so an die Strömungsgeschwindigkeit angepasst sein, dass die Recktanten während einer wohl definierten Zeitspanne unter wohl definierten Bedingungen, z. B. Temperaturregimes, in dem Reaktor bleiben.
Bei der Entwicklung eines solchen Reaktors müssen folgende Fragen beantworten werden: (i) Welche chemischen Reaktionen sollen in dem Reaktor ausgeführt werden? – (ii) Welche Menge an Produkt(en) pro Zeiteinheit (Strömungsrate) soll erzeugt werden? – (iii) Welches prinzipielle Design (Aufbau) soll der Reaktor haben? – Frage (iii) und teilweise auch Frage (i) sind oben bereits beantwortet: Der erfindungsgemäße Reaktor ist ein Durchflussreaktor mit einem mäanderförmiger Kanalsystem, und die vorzugsweise darin durchzuführenden Reaktionen sind kontinuierliche Reaktionen vom B-Typ. Die genaue Beantwortung von Frage (i) sowie die Beantwortung der Frage (ii) ergeben mindestens die zwei folgenden Varianten.
Variante I: Ein bereits verfügbarer Durchflussreaktor mit einem mäanderförmigen Kanalsystem liefert in einer ersten chemischen Reaktion aus einer Mehrzahl erster Edukte ein erstes Produkt mit einer ersten Strömungsrate f₁. Der Reaktor soll unter Beibehaltung seiner grundsätzlichen Struktur (Frage (iii)) darüber hinaus in einer zweiten chemischen Reaktion aus einer Mehrzahl zweiter Edukte ein zweites Produkt mit einer zweiten Strömungsrate f₂ mit f₂ = k·f₁ (k > 1) erzeugen.
Hierzu gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten. (1) Der Reaktor umfasst ein in seinen maßgeblichen Abmessungen gleich großes zweites Kanalsystem für die zweite chemische Reaktion, und die Menge pro Zeiteinheit (~ zur Einströmgeschwindigkeit) der in das zweite Kanalsystem eingeleiteten zweiten Edukte wird erhöht. Dieses Verfahren ist jedoch zum Beispiel hinsichtlich des Mischverhaltens, der Wärmeentwicklung, einer möglichen Sedimentation und Emulgierung nachteilig, und zwar insbesondere, wenn die erste und die zweite Reaktion verschieden sind, doch auch, wenn sie identisch sind (d. h. wenn das zweite Kanalsystem das gleiche Produkt wie das erste Kanalsystem, jedoch in größerer Menge liefert). Durch die Wahl von k kann z. B. ein vorbestimmtes stöchiometrisches Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Produkt bestimmt werden. (2) Statt die Einströmgeschwindigkeit der zweiten Edukte zu erhöhen, wird die Größe des verwendeten Reaktors an die zweite Strömungsrate f₂ angepasst. Dies kann jedoch nicht einfach dadurch geschehen, dass der Reaktor (d. h. deren Strömungskanalsystem) quasi „gestreckt” wird, da dies aufgrund der chaotischen Verhältnisse, insbesondere in den so genannten Mischzonen, eine veränderte Fluiddynamik und somit veränderte Reaktionsbedingungen zur Folge hätte. Im Folgenden werden für eine Ver größerung des Reaktors mit dem Ziel der Durchflusserhöhung bei äquivalenten Reaktionsbedingungen auch der in der deutschen Terminologie übliche englische Ausdruck „scale-up” verwendet.
Variante II: Ein bereits verfügbarer Durchflussreaktor (Basisreaktor) mit einem mäanderförmigen Kanalsystem liefert in einer darin stattfindenden chemischen Reaktion aus einer Mehrzahl von Edukten ein Produkt mit einer ersten Strömungsrate f₁. Ein zweiter Reaktor (Zielreaktor) mit gleicher grundsätzlicher Struktur (Frage (iii)) wie der Basisreaktor soll unabhängig von dem Basisreaktor das Edukt mit einer zweiten Strömungsrate f₂ = k·f₁ (k > 1) liefern. Anwendungsgebiet dieser Variante ist z. B. die Entwicklung/Produktion von Medikamenten in den gesetzlich vorgeschriebenen Phasen I–III, wo von Phase I bis Phase III die Anzahl von Probanden und damit die Menge des jeweils zu testenden Medikaments zunimmt.
Zu den unter der ersten Variante genannten Möglichkeiten (1) und (2) kommt hier aufgrund der fehlenden Einschränkung auf einen einzigen Reaktor noch die Möglichkeit (3), die Anzahl der Reaktoren zu erhöhen. Dies erfordert jedoch aufgrund der nie exakt gleichen Stöchiometrie der gekoppelten Reaktoren eine anspruchsvolle Regelung der Reaktionsparameter jedes einzelnen Reaktors, deren „Reaktionskanäle” physikalisch getrennt und daher voneinander unabhängig sind. Darüber hinaus wächst der Aufwand zur Reinigung der Reaktoren mit deren Anzahl, und die jeweiligen Zeitpunkte hierfür sind verschieden und schwierig zu ermitteln.
Es ist eine aus den obigen Überlegungen folgende Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reaktor, ein Reaktorsystem bzw. einen Reaktorensatz bereitzustellen, die jeweils ein Basis-Kanalsystem und ein Ziel-Kanalsystem enthalten, wobei die Abmessungen des Ziel-Kanalsystems so aus denjenigen des Basis-Kanalsystems ableitbar sein sollen, das im stationären Betrieb in beiden äquivalente Reaktionsbedingungen herrschen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 1) sind in einem Reaktor zwei voneinander räumlich getrennte Kanalsysteme vereint. Die Kanalsysteme dienen jeweils dazu, einen Raum für kontinuierlich ablaufende chemische Reaktionen bereitzustellen, wobei eine Mehrzahl von in das jeweilige Kanalsystem einströmender (fluider) Edukte gemischt werden und miteinander zu einem (fluiden) Produkt reagieren, das mit einer wohl definierten Strömungsrate = Fluidmenge pro Zeiteinheit aus dem Kanalsystem ausströmt. Obwohl die beiden Fluide strömungstechnisch unabhängig sind, besteht erfindungsgemäß im stationären Betrieb des Reaktors eine Proportionalität zwischen ihren Strömungsraten: f₂~f₁, wobei der Proportionalitätsfaktor, der hier mit α bezeichnet ist, von der Geometrie des Kanalsystems des Reaktors abhängt und wobei zwar der triviale Fall α = 1 oder auch der Fall α < 1 nicht ausgeschlossen, nachfolgend aber α > 1 angenommen ist. Es gilt somit f₂ = αf₁ mit α > 1. Die in den Kanalsystemen erzeugten Produkte können hierbei identisch oder verschieden sein. Der erste Fall identischer Produkte kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass gleiche Edukte und äquivalente Reaktionsbedingungen vorgegeben werden. Die Äquivalenz der Reaktionsbedingungen muss für alle Fälle durch experimentelle oder theoretische Bestimmung von α berücksichtigt werden. Es ist jedoch auch möglich, identische Produkte zu erhalten, wenn z. B. die Konzentration eines oder mehrere Edukte geändert oder einem der Edukte ein Lösungsmittel zugefügt wird. Im zweiten Fall verschiedener Produkte ergibt sich im stationären Betrieb zwar ebenfalls eine Proportionalität zwischen beiden Strömungsraten, doch muss α in diesem Fall keine bestimmten Werte annehmen. Mit anderen Worten, im ersten Fall ist α nicht beliebig, denn im ersten Fall ist es das Ziel, eines der beiden Kanalsysteme so auszulegen, α also so zu bestimmen, dass in dem weiteren Kanalsystem äquivalente Reaktionsbedingungen (Temperatur, Mischungseffizienz etc.) bei erhöhter Strömungsrate vorliegen; es besteht hier also eine konstruktive Abhängigkeit beider Kanalsysteme, sie müssen konstruktive Gemeinsamkeiten aufweisen. Im zweiten Fall verschiedener Produkte folgt α aus der Vorgabe der Strömungsraten, doch die Kanalsysteme können unabhängig voneinander optimiert und verändert werden. Die Kanalsysteme können verschieden aufgebaut sein. Die Kanalsysteme gemäß der vorliegenden Erfindung können jeweils durch folgende Merkmale charakterisiert werden, die sie jedoch nicht alle aufweisen müssen: (1) Das Kanalsystem erstreckt sich im Wesentlichen in zwei Dimensionen. (2) Das Kanalsystem umfasst: (a) wenigstens einen Zuführkanal für jeden der Mehrzahl von Edukten, die die Mehrzahl der Edukte zur Reaktion zusammenführen, (b) mäanderförmige angeordnete Kanäle, (c) wenigstens einen Abführkanal zum Abführen des herzustellenden Produkts, und (d) externe Verbindungen zu Pumpen, die die Edukte in den Reaktor befördern, etc. und gegebenenfalls interne Verbindungen zur Herstellung eines internen Strömungsflusses. (3) Die Form und Größe der mäanderförmigen Struktur ist derart, dass die Kanäle des Kanalsystems wenigstens zwei Zonentypen umfassen: wenigstens eine Mischzone, die dazu geeignet ist, eine turbulente Strömung zu erzeugen, um die Edukte zu Mischen und so eine Reaktion zwischen ihnen herbeizuführen (die Reynolds-Zahl R_e liegt hier im Bereich zwischen 200 und 2000), und wenigstens eine Verweilzone, in der sich eine laminare Strömung ausbilden kann. Obgleich auch in der Verweilzone Mischvorgänge stattfinden, die dort als sekundäres Mischen bezeichnet werden, besteht deren wesentliche Aufgabe in der Wärmeübertragung und Bereitstellung eines Nachreaktionsvolumens.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 der vorliegenden Erfindung ist α eine Funktion der kleinsten hydraulischen Durchmesser dh₁ und dh₂ des ersten bzw. zweiten Kanalsystems. Sie betrifft somit den oben beschriebenen ersten Fall identischer Produkte, denn α = α(f₁, f₂). Der hydraulische Durchmesser d_h ist eine aus dem Strömungsquerschnitt A einer Leitung beliebigen Querschnitts und dem von einem darin strömenden Fluid benetzten Umfang U abgeleitete Größe, mit deren Hilfe die Berechnung nichtkreisförmiger Leitungsquerschnitte auf kreisförmige zurückgeführt werden kann. Es gilt d_h = 4A/U. Die Brücke zu der oben genannten Reynolds-Zahl R_e kann geschlagen werden, indem die Definition von Re herangezogen wird: Re := ρvd_h/μ, wobei ρ die Dichte des Fluids (Edukts), v die Strömungsrate und μ die dynamische Zähigkeit ist. In Durchflussreaktoren gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedes Kanalsystem aus einer Aneinanderreihung von unterschiedlich gestalteten Kanalabschnitten gebildet, die dazu geeignet sind, eine korrespondierende vorbestimmte Abfolge von turbulenten und laminaren Strömungsbereichen zu erzeugen, wie es oben bereits angesprochen ist. Der hydraulische Durchmesser eines solchen Kanalsystems befindet sich in der Regel im Bereich turbulenter Strömung, d. h. in der Mischzone, in der mehrere Edukte gemischt und zur Reaktion geführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 3 der vorliegenden Erfindung wird die Äquivalenz der Reaktionsbedingungen dadurch erreicht, dass die ge nannte Abfolge laminarer und turbulenter Strömungsbereiche in beiden Kanalsystemen gleich ist und α gegeben ist durch α = (d_h2/d_h1)^7/3. Es ist zu beachten, dass in diesem Fall die internen Strukturen des Reaktors, die in dem jeweiligen Kanalsystem entweder turbulente oder laminare Bereiche erzeugen, nicht an der gleichen Stelle in dem einen und dem anderen Kanalsystem angeordnet sind, die entsprechenden internen Strukturen sich also in ihren Abmessungen (Kanalquerschnitt, Länge, Form) unterscheiden. Bezeichnet „1” das erste oder Basiskanalsystem und „2” das zweite oder Zielkanalsystem, so wird durch die in Anspruch 4 definierte Beziehung eine Vergrößerung 1 → 2 der Strömungsrate erreicht; die umgekehrte Beziehung liefert entsprechend eine Verkleinerung.
Gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 5 und 6 der vorliegenden Erfindung können die Kanalsysteme in räumlich getrennten Reaktionseinheiten bzw. in einer einzigen Reaktionseinheit angeordnet sein. Die erste Variante ist von der Handhabung schwieriger, obwohl sich bei entsprechenden räumlichen Gegebenheiten hierdurch auch ein Vorteil ergeben kann. Der wesentliche Vorteil aber liegt in der Möglichkeit, bei unterschiedlichen Reaktionen in den zwei Kanalsystemen für jede von ihnen optimale Bedingungen schaffen zu können, was nicht in dieser Qualität möglich ist, wenn sich die Kanalsysteme in thermischem Kontakt miteinander befinden. Die zweite Variante hat einleuchtende Vorteile aufgrund seiner kompakten Bauweise.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 7 umfasst der Reaktor wenigstens ein plattenartiges Kanalsystemmodul für jedes Kanalsystem, durch das die jeweiligen Edukte und das daraus gebildete Produkt strömen, und wenigstens ein plattenartiges Wärmeträgermodul, durch das ein Wärmeträgerfluid strömt und das in thermischem Kontakt mit wenigstens einem der Kanalsystemmodule ist, wobei alle Module zu einem kompakten Reaktorkörper, vorzugsweise in Form eines Zylinders, idealerweise in Form eines geraden Zylinders, gestapelt sind. Dies bedeutet im Einzelnen: (a) Jedes der beiden Kanalsysteme kann aus einem Kanalsystemmodul oder aus mehreren Kanalsystemmodulen gebildet sein, wobei im Falle mehrerer Kanalsystemmodule diese innerhalb oder außerhalb des Reaktorkörpers miteinander verbunden sind. (b) Das Wärmeträgermodul dient der Temperaturregelung durch Zufuhr oder Abfuhr von Wärme über das Wärmeträgerfluid, das eine Flüssigkeit oder ein Gas sein kann. (c) Unter schiedliche Temperaturregimes in den beiden Kanalsystemen erfordern wenigstens zwei Temperaturmodule. (d) Der in Anspruch 7 definierte Reaktorkörper entspricht in dessen Bezug auf die Ansprüche 5 und 6 einer Reaktionseinheit, d. h., jede der Reaktionseinheiten für sich kann aus plattenartigen Modulen aufgebaut sein. (e) Anordnung, Größe und interner Aufbau der zu einer Reaktionseinheit zusammengefassten Module unterliegen grundsätzlich keinen Beschränkungen, außer solchen, die optimale Reaktionsbedingungen in beiden Kanalsystemen gewährleisten. (f) Die Anzahl der Module beider Modultypen, die die jeweiligen Kanalsysteme bilden, kann gleich oder verschieden sein. Ferner können die Modultypen beider Kanalsysteme (regelmäßig) abwechselnd in dem Stapel angeordnet sein. Das heißt, theoretisch können in einer Reaktionseinheit n₁ erste Kanalsystemmodule, n₂ zweite Kanalsystemmodul mit zugehörigen n₃ ersten bzw. n₄ zweiten Thermomodulen auf (n₁ + n₂ + n₃ + n₄)! Möglichkeiten angeordnet sein. Die Eigenschaften (a)–(f) haben den Vorteil, dass der erfindungsgemäße Reaktor durch sein modulares Konzept an die darin durchzuführenden chemischen Reaktionen, die Strömungsrate und die geplante Anwendung optimal angepasst werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach den Ansprüchen 8 und 9 der vorliegenden Erfindung lassen sich mehrere Kanalsysteme bzw. mehrere Reaktoren strömungsmäßig verbinden, so dass die Produkte von zwei Kanalsystemen bzw. Reaktoren die Edukte eines nachfolgenden Reaktors bilden. Erfindungsgemäß ist die Anzahl der verbundenen Kanalsysteme bzw. Reaktoren natürlich nicht auf die in den Ansprüchen genannte begrenzt. Allgemein können z. B. die n Produkte von n parallel geschalteten Kanalsystemen n Edukte für ein zu diesen n Kanalsystemen in Reihe geschaltetes Kanalsystem bilden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 10 der vorliegenden Erfindung ist der Reaktor ein Mikroreaktor. Dies hat Vorteile hinsichtlich der Handhabung und Transport, insbesondere für kleinere und mittlere Labore, die Entwicklungsarbeit mit geringen Substanzmengen leisten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 11) umfasst ein Reaktorensatz einen Basisreaktor und einen Zielreaktor, die hinsichtlich ihrer Edukte, Produkte, Reakti onsbedingungen und Abfolgen aus turbulenten und laminare Bereichen übereinstimmen, deren Strömungsraten, die Basis-Strömungsrate f₁ bzw. die Ziel-Strömungsrate f₂, aufgrund ihrer unterschiedlichen kleinsten hydraulischen Durchmesser dh₁ bzw. dh₂ jedoch verschieden sind. Insbesondere definiert Anspruch 11 ebenso wie Anspruch 1 einen Geometriefaktor α, der zwei Kanalsysteme – das erste des Basisreaktors und das zweite des Zielreaktors – hinsichtlich einer geometrischen Größe in Beziehung setzt. Insbesondere gilt wie in Anspruch 1: f₂ = αf₁. Man könnte zunächst geneigt sein, die oben definierten getrennten Reaktoreinheiten dem hier definierten Basisreaktor bzw. Zielreaktor gleichzusetzen. Der wesentliche Unterschied besteht jedoch, dass der Basisreaktor mit dem Zielreaktor nur einen „Satz”, keine funktionale Einheit insofern bildet, als die Strömungsraten f₁ und f₂ hier nicht gleichzeitig erzeugt werden. Vielmehr ist in dem Reaktorensatz das oben erwähnte Scale-up-Konzept hypostasiert, wonach zunächst mit dem Basisreaktor eine geringe Produktmenge einer Substanz, z. B. eines Medikaments, produziert wird, die dann zu einem späteren Zeitpunkt in möglichst unveränderter Qualität, jedoch in veränderter, vorzugsweise größerer, Menge mit Hilfe des Zielreaktors erzeugt werden soll. Der Wert α erlaubt hierbei die oben maßgebliche geometrische Größe des Zielreaktors aus der entsprechenden des Basisreaktors zu berechnen. Das dem Scale-up-Konzept zugrunde liegende Kriterium ist der Energieeintrag pro Volumeneinheit. D. h., bei höheren Strömungsraten wird ergibt sich der hydraulische Durchmesser bezüglich dieses Energieeintrags aus der Gleichung:
Ein höherer Energieverlust tritt bei einem höheren Druckabfall auf. Verantwortlich für den Energieverlust ist im Wesentlichen die Mischzone. Daher kommt diesem Bereich beim Betrieb eines (Mikro-)Reaktors bei hohen Strömungsraten eine entscheidende Rolle zu. Zum Beispiel sollte beim Übergang von einer Strömungsrate von 100 ml/min zu einer Strömungsrate von 200 ml/min der hydraulische Durchmesser der Mischzone um einen Faktor von 1,34 vergrößert werden um nach der Mischzone, bzw. nach passieren des engsten hydraulischen Durchmessers, in beiden Fällen den gleichen Druckabfall bezüglich des Ausgangsdruckes zu erhalten. Anders verhält es sich in der Verweilzone. Hier ist es möglich, die gleiche Geometrie der Kanäle (Breite × Höhe) aufrecht zu erhalten, jedoch müssen die Kanäle verlängert werden, was für den Fachmann unmittelbar einsichtig ist. Da die Hauptaufgabe der Verweilzone, wie es oben erwähnt ist, nicht darin besteht, die Edukte zu mischen, sondern für eine optimale Wärmeübertragung zu sorgen und dem Reaktionsgemisch ein Nachreaktionsvolumen unter kontrollierten Bedingungen zur Verfügung zu stellen, ist das maßgebliche Scale-up-Kriterium für die Verweilzone nicht der hydraulische Durchmesser, sondern die Konstanz der Kanalgeometrie. In bestimmten Situationen kann es jedoch günstig sein, bei unveränderter Kanalbreite den Kanal bei größeren Flussraten höher zu dimensionieren, so dass sich z. B. ein Kanalquerschnitt von 0,5 × 5 mm², 0,5 × 8 mm² oder 0,5 × 10 mm² ergibt. Da die Wärmeübertragung eine kritische Größe ist, ist die Kanalbreite in dieser Zone der entscheidende Scale-up-Faktor und wird von einem kleinen Reaktor zu einem großen Reaktor konstant gehalten. Die Idee der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 11 – Scale-up-Konzept – ist es, einen Satz aus einem Basisreaktor und einem Zielreaktor bereitzustellen, deren Strömungsraten f₁ bzw. f₂ proportional sind, wobei der Proportionalitätsfaktor α eine Beziehung zwischen einer geometrischen Größe des Basisreaktors und einer entsprechenden geometrischen Größe des Zielreaktors darstellt. Wie es bereits erwähnt ist, sei an dieser Stelle nur der Fall f₂ > f₁ (Scale-up) weiter diskutiert, obgleich der umgekehrte Fall f₁ > f₂ gemäß der obigen Gleichung selbstredend ebenso möglich ist. Die Idee der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 11 besteht mit anderen Worten darin, eine Parallelschaltung von Reaktoren, ein so genanntes „Numbering-up”, zu vermeiden, wenn die Strömungsrate f₁ eines verfügbaren oder bekannten Reaktors auf eine Ziel-Strömungsrate f₂ erhöht werden soll. Letztere wird somit nicht durch mehrere „Basisreaktoren”, sondern durch einen einzigen, aus diesem konstruktiv ableitbaren „Zielreaktor” geliefert. Wie es oben bereits erwähnt ist, ist es der Druckabfall, gegeben durch die Strömungsrate und die Geometrie der Mischzone, zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Mischzone, und nicht der Absolutwert des Eingangsdrucks, der durch Pumpen aufgebracht wird, der die entscheidende physikalische Größe ist, die den Mischungswirkungsgrad oder die Mischungseffizienz zwischen den Edukten bestimmt. Tatsächlich ist es dieser Druckabfall, der – sowohl physikalisch als auch terminologisch – mit einem Spannungsabfall eines Widerstandes in der Elektronik ist, welcher ein Maß für die auf das System (die Edukte) übertragene Energie und somit ein Maß für den Mischungswirkungsgrad ist. Insbesondere liegt die Energieübertragung in das Gemisch aus Edukten bei etwa 70%, während ein entsprechender Wert für die Verweilzone etwa 25% oder weniger beträgt. Die restliche Energie wird auf die Verbindungen und Anschlüsse übertragen. Durch entsprechende Geometrien der Verbindungen und Anschlüsse kann das Verhältnis noch mehr in Richtung der Mischzonen beeinflusst werden. Dies hat zur Folge, dass das „Scale-up” immer besser vorhersagbar wird. Vorteilhafterweise kann der Druckabfall innerhalb der entscheidenden Zonen entlang der Strömung, d. h. die Mischzone(n) leicht gemessen werden. Abgesehen von dem oben beschriebenen Kanalsystem unterliegt der erfindungsgemäße Basisreaktor keinen Beschränkungen, er kann vom modularen oder vom nicht modularen Typ sein. Im Falle eines modularen Reaktors, kann das Kanalsystem aus plattenförmigen Prozessmodulen in einem in der EP 1 839 739 A1 offenbarten Mikroreaktor sein.
Die vorteilhaften Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 12 bis 14 der vorliegenden Erfindung entsprechen denjenigen der Ansprüche 2 bis 4. Insbesondere ist nach Anspruch 12 der Geometriefaktor ein Verhältnis der kleinsten hydraulischen Durchmesser d_h1 und d_h2 des jeweiligen Kanalsystems, wobei sich im Gegensatz zu dem Reaktor gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung d_h1 und d_h2 auf zwei Reaktoren, den Basisreaktor bzw. den Zielreaktor, beziehen. Der Exponent „7/3” ist nur für eine bestimmte Kanalgeometrie, ein bestimmtes Strömungsregime (bestimmt durch die Reynolds-Zahl R_e, das Verhältnis zwischen (Strömungsrate × hydraulischem Durchmesser) und der kinematischen Zähigkeit, die größer als 100, vorzugsweise größer als 300 sein sollte) und dem Druckabfall gültig. Es ist zu beachten, dass Gleichung (1) nur für eine turbulente Strömung gültig ist, eine Randbedingung, die in den für das Scale-up entscheidenden Mischzonen des in der EP 1 839 739 offenbarten Mikroreaktors sowie dessen Modifikationen gegeben ist. Obwohl das grundsätzliche Design beim Scale-up von dem Basisreaktor zu dem Zielreaktor unverändert ist, gibt es einige physikalische Variable, von denen der Fachmann weiß, dass sie an eine Änderung der Strömungsrate von der des Basisreaktors zu der des Zielreaktors angepasst werden können. Vorteilhafterweise ändert sich beim Scale-up von einer gegebenen Größe zu der nächst größeren Größe gemäß der vorliegenden Erfindung, was zum Beispiel einem Übergang von einer wirksamen Plattengröße von DIN A5 zu einer wirksamen Plattengröße von DIN A4 entspricht, der Druckabfall an der Mischzone um einen Faktor im Bereich von 1/3 bis 1/7, während die Breite und die Höhe der Mischzone jedes Mal um einen Faktor von 1,3 bis 1,4 zunimmt. Allgemein gibt es eine minimale Verweilzeit, die in dem Scale-up-Prozess nicht unterschritten werden soll. Weitere Veränderliche sind die Anzahl der „Windungen” der mäanderförmigen Struktur, die „Amplitude” dieser Windungen sowie deren Breite und Höhe, das Volumen der Verweilzone, die z. B. als Folge einer Erhöhung des Durchflusses vergrößert werden muss. Hinsichtlich der Änderung der Verweilzone ist zu beachten, dass die Verringerung des Druckabfalls keine lineare Funktion der Vergrößerung der Verweilzone ist, da auch die Einlässe einen endlichen und bei gleich bleibender Anzahl der Anschlüsse mehr oder weniger konstanten Beitrag zum Druckabfall liefern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 15 der vorliegenden Erfindung bietet der Basisreaktor die Möglichkeit, den darin ausgebildeten Kanal wenigstens teilweise von außen einzusehen. Dies hat den Vorteil, dass die tatsächlich stattfindenden Strömungsverhältnisse beobachtet und mit simulierten Strömungsverhältnissen verglichen werden können. Insbesondere können die experimentell gewonnenen Erkenntnisse hilfreich bei der Weiterentwicklung von Algorithmen zur Simulation sein. Alternativ oder zusätzlich kann natürlich auch der Zielreaktor eine solche Möglichkeit bieten.
Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:
1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Mikroreaktorsystems;
2 eine um 180° gedrehte perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Mikroreaktorsystems;
3 eine Ansicht eines Längsschnitts des in 1 gezeigten Mikroreaktors;
4 eine Ansicht eines Längsschnitts eines Temperaturregulierungsmoduls (im Folgenden weiterhin „Temperaturmodul”);
5 eine Ansicht von links des Temperaturmoduls von 4;
6 eine Ansicht eines Längsschnitts eines Mischmoduls des Mikroreaktorsystems von 1;
7 eine vergrößerte Ansicht einer oberen linken Ecke in 6;
8A und 8B ein Beispiel eines Prozess-/Mischmoduls eines Basisreaktors der Größe 2 (8A) und eines vergrößerten Zielreaktors der Größe 3 (8B);
9 drei unterschiedlich ausgebildete Kanalabschnitte von Prozessmodulen eines Basisreaktors, eines vergrößerten (scaled-up) und eines verkleinerten (scaled-down) Zielreaktors; und
10 schematisch unterschiedliche Mischerformen, angewendet auf die vorliegende Erfindung.
Nachfolgend ist mit Bezug auf den in der EP 1 839 739 A1 beschriebenen Mikroreaktor derselben Anmelderin als Beispiel für einen erfindungsgemäßen Basisreaktor ein Verfahren beschrieben, wie aus der Struktur eines Basisreaktors, insbesondere dessen Kanalsystem, ein Zielreaktor mit einem Kanalsystem von prinzipiell gleichem Aufbau, jedoch veränderter – größerer oder kleinerer – Strömungsrate abgeleitet werden kann. Das resultierende Paar aus dem Basisreaktor und dem Zielreaktor bildet den erfindungsgemäßen Reaktorensatz (vgl. Anspruch 11), während das Verfahren nicht Gegenstand dieser Anmeldung ist. Das Verfahren ist ferner auf jeden anderen Reaktor übertragbar, dessen Fluiddynamik der das Kanalsystem durchströmenden Fluide durch die gleichen Parameter wie die des oben genannten Mikroreaktors bestimmt werden kann.
Grundsätzlich kann in dem Verfahren der Basisreaktor im Sinne der vorliegenden Erfindung – z. B. der in der EP 1 839 739 A1 beschriebene Durchflussreaktor, der wenigstens einen Abschnitt, in dem im stationären Betriebszustand eine turbulente Strömung ausgebildet ist (im Folgenden als „turbulenter Abschnitt” bezeichnet) und wenigstens einen Abschnitt, in dem im stationären Betriebszustand eine laminare Strömung ausgebildet ist (im Folgenden als „laminarer Abschnitt” bezeichnet) –, der das damit zu erzeugende Produkt zwar in der erforderlichen Qualität, jedoch nicht in der gewünschten Menge zu erzeugen vermag, bereits vorhanden oder das Ergebnis eines zielgerichteten Entwicklungsprozesses zur Erzeugung des Produkts sein. Ausgangspunkt eines solchen Entwicklungsprozesses kann zum Beispiel ein Reaktorprototyp sein, dessen Weiterentwicklung zu dem Basisreaktor das Ziel verfolgt, dass letzterer die zur Erzeugung des Produkts in der gewünschten Qualität durch Mischung und Reaktion von Edukten geeigneten Eigenschaften besitzt. Diese Eigenschaften sind konstruktiver Art und betreffen im Falle eines Durchströmungsreaktors insbesondere dessen Kanalsystem. Mit anderen Worten, ein Hauptaspekt eines solchen zielgerichteten Prozesses ist es, einen Basisreaktor herzustellen, der dazu geeignet ist, das gewünschte chemische Produkt – wenn auch nicht in der letztlich geplanten Menge – herzustellen, und aus konstruktiven oder strömungstechnischen Größen dieses Basisreaktors korrespondierende Größen eines Zielreaktors abzuleiten, der die grundlegende Kanalstruktur des Basisreaktors bewahrt, jedoch leistungsfähiger ist.
Als Beispiel eines erfindungsgemäßen Basisreaktors, der Ausgangspunkt für das Verfahren zur Herstellung eines geeigneten Zielreaktors darstellt, der zusammen mit dem Basisreaktor den erfindungsgemäßen Reaktorensatz bildet, ist nachfolgend der in der EP 1 839 739 A1 offenbarte Mikroreaktor zumindest soweit beschrieben, dass der erfinderische Gedanke der vorliegenden Erfindung verständlich ist. Die 1 bis 3 entsprechen dabei den 1, 2 und 17 der EP 1 839 739 A1 und zeigen die modulare Struktur des Mikroreaktor, und die 4 bis 7 entsprechend den 3 bis 6 der EP 1 839 739 A1 und zeigen ein Temperaturmodul 1 und ein Mischmodul 2 als Beispiele von Prozessmodulen des Mikroreaktors.
Der in den 1, 2 und 3 gezeigte Mikroreaktor umfasst – in dieser Reihenfolge – ein erstes Rahmenelement 10, ein erstes Wärmetauschmodul 7, ein Temperaturmodul 1 als ein Prozessmodul, ein zweites Wärmetauschmodul 8, ein Mischmodul 2 als ein weiteres Prozessmodul, ein weiteres erstes Wärmetauschmodul 7, ein Verweilmodul 3 als ein weiteres Prozessmodul, ein weiteres zweites Wärmetauschmodul 8, weitere Verweilmodule 4, 5 und 6, die jeweils zwischen zwei Wärmetauschmodule 7, 8 angeordnet sind, und ein zweites Rahmenelement 9. Somit sind zwischen dem ersten und dem zweiten Rahmenelement 10, 9 erste und zweite Wärmetauschmodule 7, 8 und Prozessmodule 1–6 abwechselnd angeordnet. Wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, drücken zwei Zuganker 13 das erste und das zweite Rahmenelement 10, 9 gegeneinander, wodurch die gestapelten Wärmetauschmodule 7, 8 und Prozessmodule 1–6 gegeneinander gedrückt werden. Dadurch, dass die Zuganker 13 am Umfang des Mikroreaktors angeordnet sind und ein Hohlraum (vgl. 3) in der Mitte der Oberflächen der Rahmenelemente 10, 9, die mit den Wärmetauschmodulen 7, 8 in Kontakt sind, vorgesehen ist, kann ein hoher Druck am Umfang des Mikroreaktors erzeugt werden.
Das in den 4 und 5 gezeigte Temperaturmodul 1 ist als das erste Prozessmodul vorgesehen. Das Temperaturmodul 1 umfasst eine erste Reaktionsfluid-Durchführung 1A, die mit einem ersten Reaktionsfluid-Einlass 1C und einem ersten Reaktionsfluid-Auslass 1F verbunden ist, und eine zweite Reaktionsfluid-Durchführung 1B, die mit einem zweiten Reaktionsfluid-Einlass 1D und einem zweiten Reaktionsfluid-Auslass 1E verbunden ist. Der ersten Reaktionsfluid-Durchführung 1A wird durch den ersten Reaktionsfluid-Einlass 1C ein erstes Reaktionsfluid zugeführt. Der zweiten Reaktionsfluid-Durchführung 1B wird durch den zweiten Reaktionsfluid-Einlass 1D ein zweites Reaktionsfluid zugeführt. Das Temperaturmodul 1 umfasst ferner eine erste und eine zweite Platte 1M, 1N (vgl. 5), die durch Löten oder dergleichen miteinander verbunden sind. In die Kontaktoberflächen der ersten und/oder zweiten Platte 1M, 1N sind die sinusförmigen Reaktionsfluid-Durchführungen 1A, 1B durch Ätzen, Fräsen oder dergleichen eingearbeitet. Während das erste Reaktionsfluid durch die erste Reaktionsfluid-Durchführung 1A zu dem ersten Reaktionsfluid-Auslass 1F strömt, wird dessen Temperatur durch die zwei Wärmetauschmodule 7, 8, zwischen denen das Temperaturmodul 1 angeordnet ist, eingestellt. Hierzu führt ein Wärmetauschfluid, das durch die Wärmetauschmodule 7, 8 strömt, durch Wärmeleitung über die Platten 7N, 8M (vgl. 14, 16) der Wärmetauschmodule 7, 8, die mit den Platten 1M, 1N des Temperaturmoduls 1 in Kontakt sind, dem ersten Reaktionsfluid Wärme zu oder von diesem ab.
Das in den 6 und 7 gezeigte Mischmodul 2 ist als ein zweites Prozessmodul vorgesehen. Obwohl es nicht detailliert gezeigt ist, umfasst das Mischmodul 2 eine erste und eine zweite Platte, die ebenso ausgebildet sind wie im Falle des oben beschriebenen Temperaturmoduls 1. In dem Mischmodul 2 ist eine Reaktionsfluid-Durchführung 2A ausgebildet, die einen Mischabschnitt 2G und einen ersten Verweilabschnitt 2I umfasst. Ein erster Reaktionsfluid-Einlass 2C, der mit der Reaktionsfluid-Durchführung 2A verbunden ist, ist extern mit dem ersten Reaktionsfluid-Auslass 1F des Temperaturmoduls 1 verbunden (nicht gezeigt). Ein zweiter Reaktionsfluid-Einlass 2D, der ebenfalls mit der Reaktionsfluid-Durchführung 2A verbunden ist, ist entsprechend mit dem zweiten Reaktionsfluid-Auslass 1E des Temperaturmoduls 1 verbunden. Somit strömen das erste und das zweite Reaktionsfluid, nachdem sie durch das Temperaturmodul 1 geströmt sind, in den Mischabschnitt 2G der Durchführung 2A in dem Mischmodul 2, wo die beiden Reaktionsfluide miteinander gemischt werden. Die Geometrie des Mischabschnitts 2G kann, wie es in der vergrößerten Ansicht in 7 gezeigt ist, in geeigneter Weise gewählt werden, um die Reaktionsfluide optimal zu mischen. Nachdem sie gemischt sind, strömt das resultierende Prozessfluid in den ersten Verweilabschnitt 2I der Reaktionsfluid-Durchführung 2A, die im Wesentlichen als ein flacher Kanal ausgebildet ist, so dass die Prozessfluide im Wesentlichen laminar strömen. Während des Mischens und Verweilens in dem Mischabschnitt 2G und dem ersten Verweilabschnitt 2I kann die Temperatur der chemischen Reaktion durch die zwei Wärmetauschmodule 7, 8, zwischen denen das Mischmodul 2 angeordnet ist, geregelt werden.
Das Prozessfluid, das die Reaktionsfluid-Durchführung 2A durch einen Reaktionsfluid-Auslass 2E verlässt, tritt in verschiedene Verweilmodule 3–6 ein, in denen die Temperatur des Prozessfluids durch zwei der Wärmetauschmodule 7, 8, die an die jeweiligen Verweilmodule angrenzen, geregelt wird, wie es oben für das Temperaturmodul 1 und das Mischmodule 2 beschrieben ist. Auf diese Weise kann das Reaktionsfluid durch alle aufeinander folgenden Verweilmodule 4–6 strömen, bevor es den Mikroreaktor durch den Auslass 6D des letzten Prozessmoduls verlässt.
Die Verweilzeit innerhalb eines jeden Verweilmoduls 3–6 ist durch das Verweilvolumen definiert, d. h. durch das Produkt aus der Querschnittsfläche (Breite × Höhe) und der Länge der Durchführung 3A–6A, die das Prozessfluid aufnimmt, geteilt durch das Produkt aus der Querschnittsfläche und der Strömungsgeschwindigkeit. Somit können unterschiedliche Verweilzeiten gewonnen werden, indem unterschiedliche Breiten, Längen und/oder Höhen der einzelnen Durchführungen gewählt werden. Durch eine Kom bination unterschiedlicher Verweilmodule mit unterschiedlichen Durchführungsgeometrien kann somit die Verweilzeit nahezu beliebig vorbestimmt werden.
Die Reaktionsfluid-Durchführungen in den Prozessmodulen 1–6 bilden eine durch Ätzen, Fräsen oder dergleichen erzeugte Mikrostruktur. Da die Wärmetauschmodule 7, 8 separat hergestellt werden, können sie ohne diese Mikrostruktur ausgebildet werden, so dass die Kosten reduziert sind. Ferner müssen die Wärmetauschmodule 7, 8, da sie weder mit den Edukten noch mit dem Produkt in Kontakt kommen, nicht korrosionsbeständig sein oder hohen Drücken standhalten können, was die Verwendung von für den Wärmetransport optimierter Materialien erlaubt.
Der oben beschriebene Mikroreaktor bietet aufgrund seiner modularen Struktur eine hohe Flexibilität und erlaubt die Kombination unterschiedlicher Kanalgeometrien mit unterschiedlichen Verweilmodulen, wodurch nahezu beliebige Verweilzeiten, insbesondere für Typ-B-Reaktionen, eingestellt werden können. Jedes der Prozessmodule 1–6 wird durch zwei angrenzende Wärmetauschmodule 7, 8 temperaturgeregelt. Da eine Wärmeübertragung nur durch Wärmeleitung über die Platten 1M–8M, 1N–8N der Wärmetauschmodule 7, 8 und Prozessmodule 1–6 realisiert ist, ist keine Abdichtung erforderlich. Ferner können die Prozessmodule 1–6 vorzugsweise hinsichtlich der darin aufgenommenen Edukte optimiert werden, so zum Beispiel korrosions- und druckbeständig sein, während gleichzeitig die Wärmetauschmodule 7, 8, die mit den Edukten nicht in Kontakt kommen, hinsichtlich Wärmeübertragung und/oder Dichtungseigenschaften optimiert werden können.
Für einen Mikroreaktor, dessen Platten jeweils eine Oberfläche haben, die in etwa der Größe DIN A5 entspricht (im Folgenden kurz als „DIN A5 Mikroreaktor” bezeichnet), konnten in Tests bei einer gegebenen Strömungsrate von 100 ml/min, einer Länge der Durchführung des Prozessmoduls von etwa 1844 mm, einer Durchführungshöhe von 10 mm und einer Durchführungsbreite von etwa 0,5 bis 2 mm Verweilzeiten von 6–22 s pro Modul erreicht werden. In weiteren Tests konnten Gesamtverweilzeiten bis zu 30 min realisiert werden. Im Übrigen kann durch Ausfräsen des vorhandenen Kanalsystems und Ändern der Abmessungen der Mischzone mit dem ursprünglichen DIN A5 Mikroreaktor ein DIN A4 Mikroreaktor simuliert werden, d. h. bei unveränderter Kantenlänge.
Bezüglich der technischen Einzelheiten der Konstruktion etc. des oben beschriebenen Mikroreaktors sei auf die EP 1 839 739 A1 verwiesen.
Allgemein, wie es oben dargelegt ist, weist der Basisreaktor, der als Ausgangspunkt zur Herstellung des Zielreaktors, der eine Ziel-Strömungsrate eines gewünschten Produkts liefert, verwendet wird, ein Kanalsystem auf, in dem eine Mehrzahl von Edukten, die in den Basisreaktor einströmen, gemischt werden und zu einem gewünschten Produkt reagieren, das mit einer Strömungsrate f₁ aus dem Basisreaktor ausströmt. Die (maximale) Strömungsrate f₁ hängt von mehreren strömungsrelevanten Größen sowohl des Kanalsystems (kleinster hydraulischer Durchmesser, Länge des Kanalsystems, Druck, Druckabfall, Temperaturregime) als auch der Edukte (Viskosität, Reaktivität) ab. Bezug nehmend auf den in der EP 1 839 739 A1 offenbarten Mikroreaktor würde ein solches Kanalsystem Fluiddurchführungen 1A und 1B des in den 4 und 5 gezeigten Temperaturmoduls 1 und Fluiddurchführungen 2G, 2A und 2I des in den 6 und 7 gezeigten Mischmoduls umfassen.
Ausgehend von einem solchen Basisreaktor, der dazu geeignet ist, ein Produkt in einer gewünschten Qualität und mit gewünschten Eigenschaften herzustellen, der jedoch (nur) eine Strömungsrate f₁ erzeugt, die von einer Ziel-Strömungrate f₂ verschieden ist, kann ein Zielreaktor hergestellt werden, der dazu geeignet ist, die Ziel-Strömungsrate f₂ des gleichen Produkts herzustellen. Beide Reaktoren, der Basisreaktor und der Zielreaktor bilden den erfindungsgemäßen Reaktorensatz. Die Strömungsrate f₁ des Basisreaktors kann zum Beispiel durch Messung oder Berechnung bestimmt werden. In einem Fall, in dem der Basisreaktor der in der EP 1 839 739 A1 offenbarte modulare Mikroreaktor ist, der aus einer Kombination von n Prozessmodulen gebildet ist, die jeweils ein Teilsystem des gesamten Kanalsystems enthalten, ist der kleinste hydraulische Durchmesser d_hges des gesamten Kanalsystems der kleinste aller kleinsten hydraulischen Durchmesser d_hi der n Teilsysteme: d_hges = min {d_h1 ... d_hn}.
Das den beiden Reaktoren des erfindungsgemäßen Reaktorensatzes zugrundeliegende, selbst nicht zu der vorliegenden Erfindung gehörende Verfahren, durch das sich der Zielreaktor aus dem Basisreaktor konstruktiv ableiten lässt, besagt, dass der kleinste hydraulische Durchmesser dh₁ des (gesamten) Kanalsystems des Basisreaktors zum Beispiel durch Messung oder Berechnung bestimmt wird, und dass der entsprechende kleinste hydraulische Durchmesser dh₂ des Zielreaktors auf der Grundlage einer wohl definierten Beziehung zwischen dem kleinsten hydraulischen Durchmesser dh₁ des Basisreaktors, der Basis-Strömungsrate f₁ des Basisreaktors und der Ziel-Strömungsrate f₂ des Zielreaktors berechnet wird:
Durch Auflösung nach f₂/f₁ := α folgt hieraus die oben angegebene Gleichung (1), worin α ein Geometriefaktor ist, der sich aus der Struktur beider Kanalsystem ergibt. Insbesondere ist gemäß der vorliegenden Erfindung α = (d_h2/d_h1)^7/3.
Ist dh₂ bestimmt, können die restlichen Konstruktionsparameter des Kanalsystems des Zielreaktors wie etwa Länge, Form etc. durch den Fachmann auf dem Gebiet leicht entsprechend den jeweiligen Anforderungen bestimmt werden. Die äußeren Abmessungen des Zielreaktors können im Vergleich zu denjenigen des Basisreaktors variieren.
Die 8A und 8B widerspiegeln die dem genannten Verfahren zugrunde liegende Idee. Insbesondere zeigen die 8A und 8B als Beispiele von plattenförmigen Prozessmodulen eines Basisreaktors und eines Zielreaktors zwei Mischmodule unterschiedlicher Größe (unterschiedlichen äußeren Abmessungen), die sich voneinander im Wesentlichen in der Form, z. B. dem Verlauf und der Länge, des entsprechenden Kanalsystems und deren jeweiliger Vergrößerung (scale-up) oder Verkleinerung (scale-down) unterscheiden. Während das in 8A gezeigte Mischmodul als eines aufgefasst werden kann, das einen Basisreaktor repräsentiert, kann das in 8B gezeigte Mischmodul als eines aufgefasst werden, dass einen Zielreaktor repräsentiert. Trotz der Unterschiede bezüglich der Form des entsprechenden Kanalsystems und den äußeren Abmessungen der plattenförmigen Prozessmodule ist das diesen Prozessmodulen zugrunde liegende allgemeine Konstruktionsprinzip das gleiche. Wie es oben in Bezug auf die 4 bis 6 beschrieben ist, ist jedes der in den 8A und 8B gezeigten Mo dule aus zwei Plattenelementen gebildet, die ein Kanalsystem – oder in der obigen Terminologie „Teilsystem” – aufweisen. Die 8A und 8B zeigen, dass sich die mäanderförmigen Strukturen in der Projektionsebene erstrecken, die zum Beispiel im Falle eines modularen Reaktors die Ebene ist, in der sich das entsprechende Modul erstreckt. Die in den 8A und 8B gezeigten Mischmodule können statt des oben beschriebenen Mischmoduls 1 Teil des in der EP 1 839 739 A1 offenbarten Mikroreaktors sein.
Die 8A und 8B zeigen die Mikroreaktoren der Größe 2 bzw. 3 in korrektem Größenverhältnis (jedoch nicht maßstäblich, was einem Verhältnis äquivalent wirksamer Reaktorflächen von DIN A6:DIN A5 entspräche). In jedem Fall deutlich zu sehen sind eine Mischzone 10 mit turbulenter Strömung und eine Verweilzone 20 mit laminarer Strömung. Deutlich zu erkennen ist, dass die grundsätzliche Struktur des Kanalsystems, das die Mischzone 10 mit turbulenter Strömung und die Verweilzone 20 mit laminarer Strömung umfasst, identisch ist, obwohl die Anzahl der Windungen 30 und die Amplituden 40 der mäanderförmigen Struktur unterschiedlich sind. Es ist zu beachten, dass die in den 8A und 8B eingezeichneten Zahlenwerte Bezugszeichen und keine Maßangaben sind. Was die strukturellen Einzelheiten anbelangt, so sei auf die EP 1 839 739 A1 verwiesen.

9 zeigt Abschnitte von Mischzonen unterschiedlicher Teilsysteme, wobei die Kreise in jedem Fall Querschnitte von gegebenenfalls verzerrt zylindrischen Mischeinheiten sind, die beispielsweise durch Einströmdüsen, Prallkörper und Schwellen den Übergang einer laminaren in eine turbulente Strömung ermöglichen. Derartige Mischeinheiten sind hier in Analogie zum englischen Sprachgebrauch als turboid bezeichnet. Die Beispiele der ersten Spalte umfassen nur turboide Mischelemente, die der zweiten Spalte eine Mischung aus turboiden und SL-Mischelementen und die letzte Spalte eine Mischung aus turboiden und SZ-Mischelementen. Die Ausdrücke „SL” und „SZ” sind phänomenologisch, d. h. die jeweilige Struktur ist derjenigen einer Kombination aus den entsprechenden Großbuchstaben ähnlich. Allen hier und im Folgenden besprochenen Mischern ist zu eigen, dass sie eine turbulente Strömung erzeugen. Diese und weitere Mischformen sind in 10 gezeigt, wo die Fign. a) bis f) T-Mischer, Y-Mischer, Tangentialmischer, Biegung, SZ-Mischer bzw. LZ-Mischer genannt werden. Insbesondere zeigt 9 Beispielstrukturen von Kanalabschnitten von Prozessmodulen von verschiedenen Mikroreaktoren der Größe 1, 2, 3 und 4 in der ersten bis vierten Reihe, und zwar mit den Parametern „Mischungsbreite”, „Mischungshöhe”, „Verweilhöhe” und „Verweiltiefe” gemäß der nachstehenden Tabelle 1, wobei Größe 3 als eine Größe aufgefasst werden kann, die einen Basisreaktor repräsentiert, und die Größen 1 und 2 eine diesbezügliche Verkleinerung (scale-down) und die Größe 4 eine diesbezügliche Vergrößerung (scale-up) darstellen. Ist Größe 2 die Größe des Basisreaktors, so bedeutet die Größe 1 eine Verkleinerung und bedeuten die Größen 3 und 4 eine Vergrößerung. Tabelle 1

Strömungsrate [ml/min]	Reaktorgröße	Mischungsbreite	Mischungshöhe	Verweilbreite	Verweilhöhe
1–10	1	0.2	0.5	5	0.3/0.5/1.5
50–150	2	0.5	1.2	5	0.5/1.0/2.0
100–300	3	0.7	1.75	10	0.5/1.0/2.0
200–1000	4	1.0	2.2	10/20	0.5/1.0/2.0

Wie es oben beschrieben ist, kann der Zielreaktor unter Verwendung des Basisreaktors als Beispiel, das das allgemeine Konstruktionsprinzip verkörpert, hergestellt werden, sobald der kleinste hydraulische Durchmesser d_h2 des Kanalsystems des Zielreaktors berechnet worden ist. Der Zielreaktor unterscheidet sich von dem Basisreaktor im Wesentlichen nur in der Geometrie der Mischzone, die auf dem kleinsten hydraulischen Durchmesser basiert. Die Geometrie der Verweilzone kann angepasst werden.
Wie es in den 8A und 8B oder 9 gezeigt ist, wird sich, wenn ein Zielreaktor ausgehend von einem Basisreaktor hergestellt werden soll, nicht nur der hydraulische Durchmesser ändern, sondern auch die Länge des Kanalsystems, obwohl, wie schon mehrfach betont, der grundlegende Aufbau identisch ist. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Strömungsrate des Zielreaktors größer oder kleiner im Vergleich zu der Strömungsrate des Basisreaktors ist, können weitere konstruktiven Parameter des Kanalsystems des Zielreaktors wie etwa die Länge, die Anzahl der Windungen sowie alle weiteren Parameter mit Ausnahme des kleinsten hydraulischen Durchmessers angepasst werden, um eine geeignete Strömungscharakteristik des Zielreaktors zu realisie ren. Die endgültigen Außenabmessungen, d. h. die Größe des Zielreaktors ist das Ergebnis der Anpassung aller konstruktiven Merkmale des Kanalsystems des Zielreaktors.
Die obigen Darlegungen betreffen das Scale-up-Konzept gemäß Anspruch 11 der vorliegenden Erfindung. Der in Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung definierte Gegenstand lässt sich insbesondere für einen modularen Mikroreaktor daraus leicht ableiten, indem darin die Prozessmodule in zwei Gruppen von Modulen mit zwei unterschiedlich großen Kanalsystemen unterteilt sind. Beide Kanalsysteme sind durch ihren jeweiligen kleinsten hydraulischen Durchmesser gekennzeichnet, wobei das Verhältnis beider zueinander den Geometriefaktor α ergibt, sowie durch ihre Strömungsraten definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1839739 A1 [0001, 0002, 0019, 0033, 0034, 0035, 0035, 0035, 0044, 0045, 0046, 0050, 0051]
- EP 0688242 A [0002]
- EP 1031375 A [0002]
- WO 2004/045761 A [0002]
- US 2004/0109798 A [0002]
- EP 1839739 [0020]

Claims

Reaktor mit einem ersten Kanalsystem, in dem eine Mehrzahl von ersten Edukten, die in das erste Kanalsystem einströmen, gemischt werden und miteinander zu einem ersten Produkt reagieren, das mit einer ersten Strömungsrate (f₁) aus dem Reaktor ausströmt, und einem von dem ersten unabhängigen zweiten Kanalsystem, in dem eine Mehrzahl von zweiten Edukten, die in das zweite Kanalsystem einströmen, gemischt werden und miteinander zu einem zweiten Produkt reagieren, das mit einer zweiten Strömungsrate (f₂) aus dem Reaktor ausströmt, wobei mit einem Geometriefaktor α des Reaktors gilt: f₂ = αf₁.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Geometriefaktor α eine Funktion des kleinsten hydraulischen Durchmessers dh₁ des ersten Kanalsystems und des kleinsten hydraulischen Durchmessers dh₂ des zweiten Kanalsystems ist.
Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Kanalsystem jeweils so ausgelegt ist, dass eine vorbestimmte Abfolge aus turbulenten und laminaren Bereichen gebildet wird und der Geometriefaktor α gegeben ist durch:
Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass d_h2 > d_h1 ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kanalsystem und das zweite Kanalsystem in räumlich getrennten Reaktionseinheiten des Reaktors angeordnet sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kanalsystem und das zweite Kanalsystem in einer einzigen Reaktionseinheit des Reaktorsystems angeordnet sind.
Reaktor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor wenigstens ein plattenartiges Kanalsystemmodul pro Kanalsystem, durch das die Reaktionsfluide strömen, und wenigstens ein plattenartiges Wärmeträgermodule, durch das ein Wärmeträgerfluid strömt und das in thermischem Kontakt mit wenigstens einem der Kanalsystemmodule steht, umfasst, wobei alle Module zu einem kompakten Reaktorkörper, vorzugsweise Mikroreaktorkörper, gestapelt sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner ein drittes Kanalsystem umfasst und das erste und zweite Produkt des ersten bzw. zweiten Kanalsystems Edukte des dritten Kanalsystems sind.
Reaktorsystem mit mehreren Reaktoren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Reaktoren mit wenigstens einem weiteren der Reaktoren strömungsmäßig verbunden ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor ein Mikroreaktor ist.
Reaktorensatz aus einem Basisreaktor und einem Zielreaktor, dadurch gekennzeichnet, dass: – der Basisreaktor ein erstes Kanalsystem umfasst, in dem eine Mehrzahl von Edukten, die in den Basisreaktor einströmen, gemischt werden und miteinander zu einem Produkt reagieren, das mit einer Basis-Strömungsrate (f₁) aus dem Basisreaktor ausströmt, und der Zielreaktor ein zweites Kanalsystem umfasst, in dem die Mehrzahl von Edukten, die in den Zielreaktor einströmen und unter identischen Reaktionsbedingungen wie im ersten Kanalsystem gemischt werden und miteinander zu dem Produkt reagieren, das mit einer Ziel-Strömungsrate (f₂) aus dem Zielreaktor ausströmt; – das erste und das zweite Kanalsystem jeweils so ausgelegt ist, dass eine vorbestimmte Abfolge aus turbulenten und laminaren Zonen gebildet wird; und – mit einem Geometriefaktor α, der eine Beziehung zwischen einer geometrischen Größe des Basisreaktors und einer entsprechenden geometrischen Größe des Zielreaktors darstellt, gilt f₂ = αf₁.
Reaktorensatz nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Geometriefaktor α eine Funktion des kleinsten hydraulischen Durchmessers dh₁ des ersten Kanalsystems und des kleinsten hydraulischen Durchmessers dh₂ des zweiten Kanalsystems ist.
Reaktorensatz nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass α gegeben ist durch:
Reaktorensatz nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass d_h2 > d_h1 ist.
Reaktorensatz nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisreaktor wenigstens teilweise aus einem durchsichtigen Material gebildet ist, so dass wenigstens ein Teil von dessen Kanal von außen einsehbar ist.
Reaktorensatz nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisreaktor und der Zielreaktor jeweils ein Mikroreaktor sind.