EP1474228A1 - Vorrichtung und verfahren zum temperieren von mikroströmen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum temperieren von mikroströmen

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EP1474228A1
EP1474228A1 EP02787414A EP02787414A EP1474228A1 EP 1474228 A1 EP1474228 A1 EP 1474228A1 EP 02787414 A EP02787414 A EP 02787414A EP 02787414 A EP02787414 A EP 02787414A EP 1474228 A1 EP1474228 A1 EP 1474228A1
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EP
European Patent Office
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flow channels
reactor
substances
microcurrents
tempering
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02787414A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Stalling
Ralf Peters
Detlef Stolten
Joachim Pasel
Fred Holl
Holger Reinecke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for tempering microcurrents.
  • microstructure mixers are used for homogeneous and rapid mixing with low energy dissipation rates of the substances.
  • the time for turbulent vortex decay is saved with these microstructure mixers.
  • the substances flow through an array of slot-shaped microchannels assigned to them, so that the current on a macro scale is divided into spatially separated, finer microcurrents.
  • Each microcurrent of a substance A is led into a mixing and reaction space at the outlet of the microstructure mixer in the immediate vicinity of a microcurrent of another substance B.
  • the neighboring microcurrents are mixed with one another by diffusion and / or turbulence.
  • microstructure mixers The construction principle of some microstructure mixers is based on the fact that different layers of plates with inclined microchannels are stacked vertically one above the other (WO 9 530 476).
  • the microchannels can be formed by thin foils that are layered on top of each other (DE 195 40 292).
  • the stacked Layered films of the device disclosed in DE 195 40 292 each run in an arcuate manner and alternately from the mixing chamber to a respective feed chamber for the substances A and B in such a way that all sets of microchannels aligned with one another open into the mixing chamber.
  • the task of the microstructure mixers is to convectively divide the macrocurrents of the substances and to produce fine microcurrents with a characteristic thickness without the starting substances coming into contact with one another within the mixer device.
  • the same geometric dimensioning (same cross-section and same length) for the microchannels assigned to each substance ensures that the microcurrents emerge from all channels assigned to each substance at the same flow velocities.
  • WO 97/17130 describes a static microstructure lamella mixer with a mixing chamber and an upstream guide component for the supply of mixing or reaction fluids (substances).
  • the guide component is composed of a plurality of plate-like elements which are layered one above the other and which are crossed by microchannels running obliquely to the longitudinal axis of the micromixer, the channels of adjacent elements crossing without contact and opening into the mixing chamber.
  • This device is characterized by plate-like elements made of thin foils, which are slit-shaped with individual or a group of closely adjacent slits which run with an alternating slope to the micro-mixer longitudinal axis Microchannels are provided so that when the foils are layered one on top of the other, a number of closed channels are created for guiding the substances to be mixed.
  • All known microstructure mixers have in common that the microcurrents mix at the outlet into the arbitrarily designed mixing chamber as a result of diffusion. A further treatment / reaction (e.g. tempering) of the mixed microcurrents of the substances can only take place at the outlet.
  • the object is achieved according to the invention with the features specified in the characterizing part of claim 1. Furthermore, the problem is solved on the basis of the preamble of claim 16 according to the invention with the features specified in the characterizing part of claim 16.
  • microcurrents used is intended to encompass streams of substances which are initially divided into finer streams (microcurrents) with a thickness corresponding to the flow channels of the device from a large stream (macro stream) by introducing them into a device, for example a microstructure mixer become.
  • FIG. 1 shows a top view of two guide components with an intermediate device according to the invention
  • Fig. 2 Front view of the exit of a guide component
  • Fig. 3 Top view of the structure of the flow channels of the device according to the invention with an upstream guide component
  • FIG 1 shows the arrangement of the device according to the invention with the reactor (1), which is interposed between two guide components (2 and 3).
  • the flow channels (4a / 4b) for the different substances are shown by solid (4a) and (4b) dashed oblique lines.
  • Substance A is introduced into the oblique flow channels (4a) (solid lines).
  • the substance B is slanted into the running flow channels (4b) (dashed line) initiated.
  • the flow channels (4a / 4b) open together and close to the reactor (1).
  • the flow channels (4a / 4b) are brought together in such a way that they are directly adjacent and are arranged, for example, directly one above the other or next to one another.
  • the flow channels (6) of the reactor (1) are represented by straight lines.
  • the flow channels (6) of the reactor open at the outlet (7) from the reactor (1)
  • Figure 2 shows the schematic representation of a cross section through the outlet of the guide component (2) with the flow channels (4a / 4b).
  • the groups of the flow channels (4a / 4b) associated with the respective substances A and B lie one above the other in an alternating sequence.
  • the individual flow channels (4a / 4b) are separated from one another by intermediate webs (9) and intermediate layers (10).
  • Figure 3 shows a schematic plan view of the reactor (1) with upstream guide component (2).
  • the sloping flow channels (4a) of substance A open into the reactor (1).
  • the flow channels (4a) are continued in the reactor (1) in a straight direction.
  • the flow channels (4b) of substance B opening out of the guide component (2) are continued in a zigzag shape in the reactor (1).
  • the substances A and B are first divided into spatially separated microcurrents by a group of flow channels (4a / 4b) of the guide component (2) assigned to them.
  • a group of flow channels (4a / 4b) of the guide component (2) assigned to them it is possible to feed more than two substances into the device.
  • the substances can have a gaseous or liquid consistency.
  • Substances can include, for example, H 2 O, CO, C0 2 , H 2 , 0 2 , liquid or gaseous hydrocarbons, which can be used for the production of a synthesis gas or hydrogen-rich gas, such as methane, methanol, propanol, gasoline, diesel, Alkanes and mixtures thereof can be understood.
  • the microcurrents of the substances are conducted from the guide component (2) into the reactor (1) according to the invention.
  • the flow channels (4a / 4b) of the guide component (2) open exactly into the flow channels (6) of the reactor (1). No mixing of the individual microcurrents takes place in the reactor (1).
  • the reactor (1) can, for. B. by simple stacking of microstructured films having parallel flow channels (6) of the same distance and the same geometry as the flow channels (4a / 4b) of the guide component (2).
  • the orifices of the flow channels (4a / 4b) of the guide component (2) and the reactor (1) must open into one another in a flush fit so that there is no blockage or mixing of the fluid streams.
  • the material required for the manufacture is arbitrary due to the variable manufacturing process and depends on the process requirements.
  • the reactor (1) can in a simple manner, for. B. by stacking microstructured foils which have parallel flow channels (6) of the same distance and the same geometry as the flow channels (4a / 4b) of the guide component (2).
  • Known methods of embossing or etching microstructures can be used to produce the required microstructures.
  • the shape of the flow channels is freely selectable and can have both a rectangular and a round flow cross section.
  • the flow channels (6) of the reactor (1) can have a depth d of 3000 ⁇ m to 100 ⁇ m, wall thicknesses of the intermediate webs
  • Flow channels (6) with a round cross section and a diameter of 100 to 1000 ⁇ m, for example, ders preferably 400 microns, can be realized in that the films to be stacked on both sides z.
  • B. can be structured by machining processes. A coating of the foils is also possible.
  • flow channels (6) with a round cross section offer the particular advantage over flow channels with a square cross section that there is less flaking of the coating material than.
  • the dimensions and the geometry of the flow channels (6) associated with the respective substances in the reactor (1) can be different, so that, for. B.
  • the flow channels (6) for substance A can be designed differently (for example, a different type of film) than for substance B.
  • the flow channels (6) can be designed in a meandering or zigzag shape.
  • (1) can be created with a cooling or heating option that allows the countercurrent and cocurrent flow of a heating or cooling medium. This enables the microchannels to be tempered. Heat-absorbing and heat-emitting media flow in the guide component after division
  • microcurrent in such a way that microcurrents of substances which develop cold or heat in reaction with other substances are conducted into directly adjacent microchannels.
  • exothermic or endothermic reactions can, for example, by reactions between sub- punching of the microcurrent with catalytic substances (eg platinum, palladium, ruthenium, copper / zinc oxide, palladium-based or doped catalysts) which have been applied to the inner surface of the microchannels.
  • catalytic substances eg platinum, palladium, ruthenium, copper / zinc oxide, palladium-based or doped catalysts
  • Possible applications of the device and the method are, for example, reactions in the field of fuel gas generation for fuel cell systems.
  • the preferential CO oxidation the so-called PROX, (reaction equation see below, equation 1) and the methanol steam reforming (reaction equation see below, equations 2-4) are carried out with the device according to the invention and the method.
  • Methanol (- substance A) and the heat transfer medium (- substance B), e.g. B. steam at a temperature between 250 and 300 ° C, are divided by the respective set of flow channels (4a / 4b) of the guide member (2) into spatially separate microcurrents.
  • the microcurrents of the methanol or the steam are conducted from the guide component (2) into the flow channels (6) of the reactor (1) according to the invention.
  • the flow channels (6) of the reactor (1) are with the Cu / ZnO catalyst required for the reaction coated.
  • the layer thickness of the catalyst is 40-80 ⁇ m.
  • the direct proximity of the flow channels (6) with the heat-transferring steam, to the flow channels with the heat-absorbing methanol and the direct current flow of the two substances results in optimal isothermal reaction control.
  • the heat transfer does not take place only at the outlet (7) from the reactor (1), but already at the inlet (5) of the reactor (1).
  • the second example reaction, the PROX is a highly exothermic reaction, which is usually carried out on a platinum catalyst.
  • the microcurrents of the CO or of the water are passed from the guide component (2) into the flow channels (6) of the reactor (1) according to the invention.
  • the flow channels (6) of the reactor (1) are coated with the platinum catalyst required for the reaction.
  • the heat transfer properties can be improved by a factor of 3-4 if the diameters start, given similar fluidic conditions, characterized by the corresponding dimensionless characteristic number (Reynolds number) of diameters in the millimeter range can be reduced by an order of magnitude ( ⁇ m).
  • Reynolds number dimensionless characteristic number
  • flow channels with a diameter of 400 ⁇ m have proven to be particularly suitable.
  • This improvement results in a reduction of the required heat exchanger area by a factor of 3-4.
  • a reduction in the required area entails a corresponding reduction in the mass of the apparatus and thus also of the overall system, which is currently still a critical size in fuel gas generation systems for mobile use.
  • Equations 2-4

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Temperieren von Mikroströmen. Die nach dem Stand der Technik bekannten statischen Mikrostrukturmischer beruhen auf dem Prinzip, dass der Strom der Substanzen im Mikrostrukturmischer in kleine Mikroströme aufgeteilt wird und eine Vermischung der Mikroströme am Austritt aus einem Führungsbauteil in Folge von Diffusion/Turbulent stattfindet. Durch eng benachbarte Strömungskanäle (6) der erfindungsgemässen Vorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren ist es nunmehr möglich, eine schnelle Temperierung der Mikroströme zu erreichen.

Description

B e s c h r e i b u n g
Vorrichtung und Verfahren zum Temperieren von
Mikroströmen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Temperieren von Mikroströmen.
Zur schnellen Vermischung von Reaktionspartnern sind eine Reihe von unterschiedlichen Mischorganen bekannt. Zu einer homogenen und schnellen Durchmischung mit geringen Energiedissipationsraten der Substanzen werden beispielsweise Mikrostrukturmischer eingesetzt. Die Zeit für einen turbulenten Wirbelzerfall wird bei diesen Mikrostrukturmischern eingespart. Hier strömen die Substanzen durch eine ihnen zugeordnete Schar von schlitzförmigen Mikrokanälen, so daß der Strom im Makromaßstab in räumlich getrennte feinere Mikroströme aufgeteilt wird. Jeder Mikrostrom einer Substanz A wird am Austritt des Mikrostrukturmischers in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem Mikrostrom einer anderen Substanz B in einen Misch- und Reaktionsraum geführt. Dort erfolgt eine Vermischung der benachbarten Mikroströme durch Diffusion und/oder Turbulenz miteinander. Das Bauprinzip einiger Mikrostrukturmischer beruht darauf, daß verschiedene Lagen von Platten mit schräg verlaufenden Mikrokanälen vertikal übereinander gestapelt sind (WO 9 530 476) . Dabei können die Mikrokanäle durch dünne Folien gebildet werden, die übereinander geschichtet werden (DE 195 40 292) . Die übereinander ge- schichteten Folien der in DE 195 40 292 offenbarten Vorrichtung verlaufen jeweils bogenförmig gekrümmt und abwechselnd von der Mischkammer zu je einer Zufuhrkammer für die Substanz A bzw. B in der Weise, daß alle Scharen von Mikrokanälen parallel zueinander ausgerichtet in die Mischkammer ausmünden.
Die Aufgabe der Mikrostrukturmischer liegt darin, die Makroströme der Substanzen konvektiv zu zerteilen und feine Mikroströme mit einer charakteristischen Dicke zu erzeugen, ohne daß die Ausgangssubstanzen innerhalb der Mischer-Vorrichtung miteinander in Kontakt treten. Durch gleiche geometrische Dimensionierung (gleicher Querschnitt und gleiche Länge) für die jeweils einer Substanz zugeordneten Mikrokanäle wird sichergestellt, daß aus allen jeweils einer Substanz zugeordneten Kanälen die Mikroströme mit gleichen Strömungsgeschwindigkeiten austreten. In der WO 97/17130 wird ein statischer Mikrostruktur-Lamellenmischer mit einer Mischkammer und einem vorgeschalteten Führungsbauteil für die Zufuhr von Misch- bzw. Reaktionsfluiden (Substanzen) beschrieben. Dabei ist das Führungsbauteil aus mehreren plattenartigen, übereinander geschichteten Elementen zusammengesetzt, die von schräg zur Mikromischer- Längsachse verlaufenden Mikrokanälen durchzogen sind, wobei sich die Kanäle benachbarter Elemente berührungs- los kreuzen und in die Mischkammer einmünden. Diese Vorrichtung ist durch plattenartige Elemente aus dünnen Folien gekennzeichnet, die mit einzelnen bzw. einer Schar eng benachbarter, mit abwechselnder Schräge zur Mikrovermischer-Langsachse verlaufenden schlitzförmigen Mikrokanälen versehen sind, so daß beim Übereinander- schichten der Folien je eine Reihe geschlossener Kanäle für die Führung der zu mischenden Substanzen entstehen. Allen bekannten Mikrostrukturmischern ist gemeinsam, daß sich die Mikroströme am Austritt in die beliebig gestaltete Mischkammer in Folge von Diffusion vermischen. Erst am Austritt kann eine weitere Behandlung/Reaktion (z. B. Temperierung) der vermischten Mikroströme der Substanzen stattfinden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, eine Temperierung von Mikroströmen durchzuführen.
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Weiterhin wird die Aufgabe ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 16 erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeich- nenden Teil des Anspruchs 16 angegebenen Merkmalen.
Der verwendete Begriff „Mikroströme" soll Ströme von Substanzen umfassen, die zunächst aus einem großen Strom (Makrostrom) durch Einleiten in eine Vorrichtung, z. B. Mikrostrukturmischer, in feinere Ströme (Mikro- ströme) mit einer den Strömungskanälen der Vorrichtung entsprechenden Dicke zerteilt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren ist es nunmehr möglich, eine direkte und schnelle Temperierung von Mikroströmen durchzuführen, ohne daß eine Vermischung der Mikroströme erfolgt. Durch die enge Nachbarschaft von Strömungskanälen, die ein Wärme- /Kälte übertragendes Medium führen, zu Strömungskanä- len, die Wärme bzw. Kälte aufnehmen, kann eine schnelle und direkte Temperierung der Mikroströme stattfinden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Zeichnungen zeigen eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens . Es zeigt: Fig. 1: Aufsicht auf zwei Führungsbauteile mit zwi- schengeschalteter erfindungsgemäßer Vorrichtung
Fig. 2: Vorderansicht des Austritts eines Führungsbauteils
Fig. 3: Aufsicht auf die Struktur der Strömungskanäle der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit vorgeschaltetem Führungsbauteil
Figur 1 zeigt die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Reaktor (1) , der zwischen zwei Führungsbauteile (2 und 3) zwischengeschaltet wird. Im ersten Führungsbauteil (2) sind die Strömungskanäle (4a/4b) für die unterschiedlichen Substanzen durch durchgezogene (4a) und (4b) gestrichelte schräg verlaufende Linien dargestellt. Die Substanz A wird in die schräg verlaufenden Strömungskanäle (4a) (durchgezogene Linien) eingeleitet. Die Substanz B wird in die schräg verlaufenden Strömungskanäle (4b) (gestrichelte Linie) eingeleitet. Am Austritt (5) aus dem Führungsbauteil (2) münden die Strömungskanäle (4a/4b) zusammen und schließen paßgenau an den Reaktor (1) . Hier werden die Strömungskanäle (4a/4b) so zusammengeführt, daß sie direkt benachbart sind und beispielsweise direkt übereinander oder nebeneinander angeordnet sind. Die Strömungskanäle (6) des Reaktors (1) werden durch gerade verlaufende Linien dargestellt. Am Austritt (7) aus dem Reaktor (1) münden die Strömungskanäle (6) des Reaktors
(1) wieder in Strömungskanäle (8a/8b) eines zweiten
Führungsbauteils (3) . Diese Strömungskanäle (8a/8b) verlaufen schräg in getrennte Richtungen und werden entsprechend ihrer Zugehörigkeit zu den unterschiedli- chen Substanzen A/B durch durchgezogene (8a) und gestrichelte Linien (8b) dargestellt.
Figur 2 zeigt die schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Austritt des Führungsbauteils (2) mit den Strömungskanälen (4a/4b) . Die Gruppen der den jeweiligen Substanzen A bzw. B zugehörigen Strömungskanäle (4a/4b) liegen in alternierender Folge übereinander. Die einzelnen Strömungskanäle (4a/4b) sind voneinander durch Zwischenstege (9) und Zwischenschichten (10) getrennt.
Figur 3 zeigt eine schematische Aufsicht auf den Reaktor (1) mit vorgeschaltetem Führungsbauteil (2) . Die schräg verlaufenden Strδmungskanäle (4a) der Substanz A münden in den Reaktor (1) . Die Strömungskanäle (4a) werden im Reaktor (1) in gerade verlaufender Richtung weitergeführt. Die aus dem Führungsbauteil (2) mündenden Strömungskanäle (4b) des Substanz B werden im Reak- tor (1) zick-zack-förmig weitergeführt.
Im folgenden soll die Erfindung beispielhaft beschrieben werden.
Die Substanzen A und B werden zunächst durch eine ihnen jeweils zugeordnete Schar von Strömungskanälen (4a/4b) des Führungsbauteils (2) in räumlich getrennte Mikroströme aufgeteilt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, mehr als zwei Substanzen in die Vorrichtung zu leiten. So ist es beispielsweise auch möglich 3, 4, oder auch 8 unterschiedliche Substanzen in die entsprechenden Strömungskanäle (4) zu leiten. Die Substanzen können sowohl eine gasförmige oder auch flüssige Konsistenz aufweisen. Unter Substanzen können beispielsweise H20, CO, C02, H2, 02 , flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstof- fe, die für die Erzeugung eines Synthesegases oder Wasserstoffreichen Gases genutzt werden können, wie Methan, Methanol, Propanol, Benzin, Diesel, Alkane und deren Mischungen, verstanden werden. Aus dem Führungsbauteil (2) werden die Mikroströme der Substanzen in den erfindungsgemäßen Reaktor (1) geleitet. Die Strömungskanäle (4a/4b) des Führungsbauteils (2) münden genau in die Strömungskanäle (6) des Reaktors (1) . Im Reaktor (1) findet keine Vermischung der einzelnen Mikroströme statt. Der Reaktor (1) kann z. B. durch einfache Stapelung mikrostrukturierter Folien, die parallel verlaufende Strömungskanäle (6) des gleichen Abstandes und der gleichen Geometrie wie die Strömungskanäle (4a/4b) des Führungsbauteils (2) aufweisen, hergestellt werden. Die Mündungen der Strömungskanäle (4a/4b) des Führungsbauteils (2) und des Reaktors (1) müssen fluchtend paßgenau ineinander münden, damit es nicht zur Verstopfung bzw. Mischung der Fluidströme kommt. Der für die Her- Stellung benötigte Werkstoff ist wegen des variablen Herstellungsverfahrens beliebig und richtet sich nach den Prozeßanforderungen. Geeignet ist beispielsweise Keramik, Metall, Kunststoff. Der Reaktor (1) kann in einfacher Weise z. B. durch Stapelung mikrostrukturier- ter Folien, die parallel verlaufende Strömungskanäle (6) des gleichen Abstandes und der gleichen Geometrie wie die Strömungskanäle (4a/4b) des Führungsbauteils (2) aufweisen, hergestellt werden. Für die Herstellung der benötigten MikroStrukturen können bekannte Verfah- ren der Prägung bzw. Ätzung von MikroStrukturen verwendet werden. Die Form der Strömungskanäle ist frei wählbar und kann sowohl einen rechteckigen als auch einen runden Strömungsquerschnitt aufweisen. Die Strömungskanäle (6) des Reaktors (1) können eine Tiefe d von 3000 μm bis 100 μm aufweisen, Wanddicken der Zwischenstege
(9) von 100 bis 1000 μm, eine Dicke der Zwischenschicht
(10) von 200 bis 1000 μm und einer Breite, die mindestens das 0,1 bis 10-fache der Tiefe d beträgt. Strömungskanäle (6) mit einem runden Querschnitt und einem Durchmesser von beispielsweise 100 bis 1000 μm, beson- ders bevorzugt 400 μm, können dadurch realisiert werden, daß die zu stapelnden Folien entsprechend beidsei- tig z. B. durch spanabhebende Verfahren strukturiert werden können. Eine Beschichtung der Folien ist eben- falls möglich. Hier bieten Strömungskanäle (6) mit einem runden Querschnitt den besonderen Vorteil gegenüber Strömungskanälen mit eckigem Querschnitt, daß es zu einem geringeren Abplatzen des Beschichtungsmateri- als kommt. Die Abmessungen und die Geometrie der den jeweiligen Substanzen zugehörigen Strömungskanäle (6) im Reaktor (1) können unterschiedlich sein, so daß z. B. die Strömungskanäle (6) für Substanz A anders gestaltet sein können (beispielsweise eine andere Foliensorte) als für die Substanz B. Zur Oberflächenver- größerung können die Strömungskanäle (6) meanderförmig oder zick-zack-förmig ausgestaltet werden. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein Reaktor
(1) mit Kühl- bzw. Heizmöglichkeit geschaffen werden, der die Gegen- und Gleichstromführung eines Heiz- bzw. Kühlmediums erlaubt. So ist eine Temperierung der Mik- rokanäle möglich. Wärmeaufnehmende und wärmeabgebende Medien strömen nach der Aufteilung im Führungsbauteil
(2) in direkt benachbarte Strömungskanäle (6), so daß sich sehr gute Wärme- bzw. Kälteübertragungseigenschaf- ten ergeben. Es ist weiterhin möglich einen Mikrostrom so zu temperieren, in dem Mikroströme von Substanzen, die in Reaktion mit anderen Substanzen Kälte oder Wärme entwickeln, in direkt benachbarte Mikrokanäle geleitet werden. Diese exothermen oder endothermen Reaktionen können beispielsweise durch Reaktionen zwischen Sub- stanzen des Mikrostroms mit katalytischen Substanzen (z. B. Platin, Paladium, Ruthenium, Kupfer/Zinkoxid, Paladium basierte oder dotierte Katalysatoren) , die auf die innere Oberfläche der Mikrokanäle aufgebracht wur- den, herbeigeführt werden.
Durch die kompakte Bauweise des Reaktors (1) kann eine verbesserte Dynamik in Folge des geringeren Hold ups und der geringen thermischen Masse erreicht werden. Es ist möglich, auch am Austritt (7) an den Reaktor (1) ein Führungsbauteil (3) anzuschließen. So kann ein Modul geschaffen werden, welches aus den Elementen Führungsbauteil (2) , zur Stromaufteilung in den Mikromaß- stab, Reaktor (1) mit Strömungskanälen (6) und Füh- rungsbauteil (3) zur erneuten Stromvereinigung in den Makromaßstab zusammengesetzt ist. Das Führungsbauteil (3) am Reaktoraustritt ist optional und richtet sich nach dem Maßstab der weiterführenden Apparate. Mit Hilfe des modularen Konzepts ergibt sich, daß eine belie- bige Anzahl aus Führungsbauteilen und Reaktoren in Reihe geschaltet werden können, wobei dem konstruktiven Spielraum, wie z. B. StromaufWeitung längs der Strömungsrichtung und sonstigen reaktions- bzw. strömungstechnischen Überlegungen kaum Grenzen gesetzt werden und immer wieder erneut die Möglichkeit besteht, diese Maßnahmen in gängigen Strömungsquerschnitten oder in MikroStrukturen zu implementieren. Ausführungsbeispiele :
Mögliche Anwendungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind beispielsweise Reaktionen auf dem Gebiet der Brenngaserzeugung für Brennstoffzellensysteme . So können z.B. die präferentielle C0- Oxidation, die sog. PROX, (Reaktionsgleichung s.u., Gleichung 1) und die Methanol- Dampfreformierung (Reaktionsgleichung s.u., Gleichungen 2-4) mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren durchgeführt werden.
Bei der Methanol- Dampfreformierung muß, um eine möglichst optimale isotherme Reaktionsführung auf der Produktgasseite zu erzielen, ein Großteil der Wärme am Eintritt des Reaktors zur Verfügung gestellt werden, da die stark endotherme Reformierungsreaktion am Eintritt sehr schnell abläuft. Es ist daher vorteilhaft, am Eintritt eine möglichst hohe Triebkraft für den Wärme- transport und damit einen großen Temperaturgradient zwischen den Medien zu realisieren. Methanol (- Substanz A) und das wärmeübertragende Medium (- Substanz B) , z. B. Dampf einer Temperatur zwischen 250 und 300°C, werden durch die ihnen jeweils zugeordnete Schar von Strömungskanälen (4a/4b) des Führungsbauteils (2) in räumlich getrennte Mikroströme aufgeteilt. Aus dem Führungsbauteil (2) werden die Mikroströme des Methanols bzw. des Dampfes in die Strömungskanäle (6) des erfindungsgemäßen Reaktors (1) geleitet. Die Strömungskanäle (6) des Reaktors (1) sind mit dem für die Reaktion benötigten Katalysator Cu/ZnO beschichtet. Die Schichtdicke des Katalysators liegt bei 40-80 μm. Durch die direkte Nachbarschaft der Strömungskanäle (6) mit dem wärmeübertragenden Dampf, zu den Strömungskanälen mit dem wärmeaufnehmenden Methanol sowie durch die Gleichstromführung der beiden Substanzen wird eine optimale isotherme Reaktionsführung erzielt. Die Wärmeübertragung erfolgt nicht erst am Austritt (7) aus dem Reaktor (1) , sondern bereits am Eintritt (5) des Reaktors (1) . Die zweite Beispielreaktion, die PROX, ist eine stark exotherme Reaktion, die in der Regel an einem Platin- Katalysator durchgeführt wird. Bei dieser schnellen Oxidationsreaktion resultiert am Eintritt, bei fehlender Temperierung, aus den relativ hohen CO- Konzen- trationen eine starke Temperaturerhöhung. Eine abschätzende Berechnung auf Basis durchgeführter Verfahrensauslegungen (CO- Gehalt am Eintritt des Reaktors : 0,6-1 Vol%) ergab bei den entsprechenden Molenströmen für 50 kW elektrischer Leistung der Brennstoffzelle eine adiabate Temperaturerhöhung von ca. 100 °C. Vor dem Hintergrund das die präferentielle CO-Oxidation in einer Wasserstoffreichen Atmosphäre durchgeführt werden muß und das verwendete Platin auch die Wasserstoffoxi- dation katalysiert, sind möglichst tiefe Temperaturen anzustreben. So wird zum einen die Reaktionsgeschwindigkeit der Wasserstoffoxidation gering gehalten und um zum anderen die Selektivität des Katalysators hinsichtlich der CO- Oxidation auf ein möglichst hohes Niveau stabilisiert, da die Selektivität mit zunehmender Tem- peratur stark abnimmt. Nach Angaben von Kahlich et al . ("Kinetics of the selective CO- Oxidation in H2- Rieh Gases on Pt/Al203", J. Catalysis, 171, 93-105, 1997;) ist bei ca. 200 °C eine starke Abnahme der Selektivität des Katalysators zu beobachten. Ohne Temperierung wären bei üblichen Eintrittstemperaturen von 100- 150°C und einer adiabaten Temperaturerhöhung von 100 °C die 200°C bereits überschritten und damit als Folge eine Abnahme der Selektivität des Katalysators. Diese führt wiederum zu einer verstärkten Wasserstoffoxidation und damit zu einem direkten Brennstoff- und damit Wirkungsgradverlust. Bei abnehmender Selektivität und damit verstärkter Wasserstoffoxidation beschleunigt sich diese aufgrund ihrer ebenfalls sehr starken Exothermie selbst, so daß sich die Vermeidung einer Temperaturspitze am Eintritt in den Reaktor sehr vorteilhaft auswirkt. Die Hauptkomponente CO des PROX-Reaktionsgemisches (= Substanz A) und das kälteübertragende Medium (- Substanz B) , z. B. Wasser, werden durch die ihnen jeweils zugeordnete Schar von Strömungskanälen (4a/4b) des Füh- rungsbauteils (2) in räumlich getrennte Mikroströme aufgeteilt. Aus dem Führungsbauteil (2) werden die Mikroströme des CO bzw. des Wassers in die Strömungskanäle (6) des erfindungsgemäßen Reaktors (1) geleitet. Die Strömungskanäle (6) des Reaktors (1) sind mit dem für die Reaktion benötigten Katalysator Platin beschichtet. Durch das Kühlmedium Wasser kann direkt beim Eintritt (5) in den Reaktor (1) in den Strömungskanälen (6) , in denen die präferentielle CO-Oxidation abläuft, eine Temperatur zwischen 100°C und 150°C erreicht werden, so daß eine Wasserstoffoxidation verhindert wird. Hinsichtlich der wärmetechnischen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens kann man feststellen, daß die Wärmeübertragungseigenschaften bei ähnlichen strömungstechnischen Verhältnissen, charakte- risiert über die entsprechende dimensionslose Kennzahl (Reynolds- Zahl), um einen Faktor 3-4 verbessert werden können, wenn die Durchmesser ausgehend von Durchmessern im Millimeterbereich um eine Größenordnung (μm) reduziert werden. Als besonders geeignet haben sich bei- spielsweise Strömungskanäle mit einem Durchmesser von 400 μm erwiesen. Diese Verbesserung bewirkt eine Reduktion der benötigten Wärmetauscherfläche um etwa einen Faktor von 3-4. Eine Reduktion der benötigten Fläche zieht eine entsprechende Verringerung der Masse des Ap- parates und damit auch des Gesamtsystems, eine zur Zeit noch kritische Größe bei Brenngaserzeugungssystemen für die mobile Anwendung, nach sich.
Gleichung 1
CO+-O2→CO2 2 2 2 (1)
Gleichungen 2-4:
CH3OH + H2O » CO2 + 3H2 (2 ) *
CH3OH <--- CO + 2H2 (3 )
CO + H2 <» CO2 + H2 (4 ) * Nur die Gleichung (2) entspricht der eigentlichen Reformierungsreaktion. Die beiden folgenden Gleichungen sind parallel auftretende Reaktionen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zum Temperieren von Mikroströmen, umfassend Mittel, die Substanzen in räumlich getrennte Mikroströme aufteilen, dadurch gekennzeichnet, daß hinter ein Führungsbauteil (2) ein Reaktor (1) angeschlossen wird dessen Strömungskanälen (6) für die unterschiedlichen Substanzen eng benachbart sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (6) der unterschiedlichen Substanzen in alternierender Folge über- oder nebeneinander angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (6) der unterschiedlichen Substanzen voneinander nur durch die Zwischenstege (9) und Zwischenschichten (10) der Strömungskanäle (6) getrennt werden.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstege (9) eine Dicke von 200 bis 1000 μm aufweisen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (6) eine Tiefe von 100 bis 3000 μm aufweisen, eine Wanddicke von 200 bis 1000 μm aufweisen und eine Breite von 100 bis 1000 μm aufweisen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (6) temperierbar sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (6) mit katalytisch aktiven Substanzen versehen sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (6) des Reaktors (1) eine oberflächenvergrößernde Struktur aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (6) zick-zack-förmig oder meanderförmig verlaufen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (6) einen runden Quer- schnitt aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (6) einen eckigen Querschnitt aufweisen.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (4) des Führungsbauteils
(2) fluchtend in die Strömungskanäle (6) des Reaktors (1) münden.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Reaktoren (1) und Führungsbauteile (2/3) modulartig in Reihe geschaltet werden.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (1) aus leitfähigem Material be- steht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (1) aus Glas, Keramik oder Metall besteht .
16. Verfahren zur Temperierung von Mikroströmen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 eingesetzt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in die Strömungskanäle (6) des Reaktors (1) so- wohl Kälte bzw. Wärme abgebende als auch aufnehmende Substanzen eingeleitet werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Strömungskanäle (6) mit einem Katalysator beschichtet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanzen durch ein Führungsbauteil (2) in die Strömungskanäle (6) des Reaktors (1) geleitet werden.
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