WO2011134630A1 - Wärmetauscher zum schnellen erhitzen und abkühlen von fluiden - Google Patents

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WO2011134630A1
WO2011134630A1 PCT/EP2011/002045 EP2011002045W WO2011134630A1 WO 2011134630 A1 WO2011134630 A1 WO 2011134630A1 EP 2011002045 W EP2011002045 W EP 2011002045W WO 2011134630 A1 WO2011134630 A1 WO 2011134630A1
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heating
fluid
heat exchanger
cooling
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PCT/EP2011/002045
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Klaus Schubert
Peter Pfeifer
Manfred Kraut
Roland Dittmeyer
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Karlsruher Institut für Technologie
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/048Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of ribs integral with the element or local variations in thickness of the element, e.g. grooves, microchannels
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2260/00Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
    • F28F2260/02Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger system, preferably a microstructured heat exchanger system and a method for rapid heating and cooling of fluids, preferably liquids according to the first and tenth patent claim.
  • heat exchanger systems of the type mentioned above, fluid mixtures are rapidly heated to a specific temperature, kept at this temperature for a certain period of time, and then rapidly cooled again in the same system.
  • the fluid or the fluid mixture passes through a plurality of heat exchangers or heat exchanger areas in one or more fluid passages in the heat exchanger system serially, preferably continuously by means of a continuous fluid flow.
  • Such heat exchanger systems serve, for example, the sterilization of fluids, the controlled performance of chemical reactions or catalytic decomposition reactions.
  • a well-known version of a heat exchanger system comprises a plurality of separate heat exchangers and reaction chambers arranged one behind the other, which are each provided for a partial step (heating, reaction, cooling).
  • EP 1 162 888 B1 describes, by way of example, a method for killing harmful microorganisms in liquids by briefly heating to above 140 ° C. and subsequent cooling when using two serially connected microstructured crossflow heat exchangers. For optional maintenance of an isothermal hold time between heating and cooling, the use of a third intermediate heat exchanger is suggested.
  • the latter embodiment can be limited to a heat exchanger system of the type mentioned transferred. While two heaters are fundamentally similar in their temperature range and can also be arranged functionally next to one another in a microstructure apparatus, the integration of a heating and a cooling device in a common microstructure body inevitably leads to increased heat losses due to the short heat transfer paths without further heat-insulating measures. The efficiency is reduced accordingly with an increase in heat losses.
  • the object of the invention is to propose a further improved heat exchanger system and method for heating and cooling a fluid with an increased efficiency.
  • a heat exchanger and a method for rapid heating and cooling of a fluid in which the fluid is passed through at least one microchannel and heated and cooled therein.
  • the fluid in the microchannels is maintained at a temperature level between heating and cooling for a certain time (dwell time).
  • the temperature level is ideally defined by a target temperature, but in practice defined by a temperature interval between a lower and an upper dwell time.
  • the temperature span extends preferably ⁇ 5%, more preferably ⁇ 2% of the target temperature in ° C, preferably around this target temperature.
  • the fluid passes through a heating section for heating, a cooling section for cooling, and a residence time section therebetween.
  • the residence time zone comprises at least one area in which the fluid is converted from a heating into a cooling, preferably the area in which the fluid assumes the aforementioned temperature level or temperature interval.
  • the fluid passes through the heat exchanger as a fluid stream, preferably as a continuous fluid stream, more preferably - as designed - as a stationary fluid stream.
  • the method for rapidly heating and cooling a fluid in at least one microchannel comprises heating the fluid in a heating path (first step). Subsequently, in a second step, a forwarding of the fluid in a residence time with the same temperature or the aforementioned temperature level or temperature interval, followed by an introduction and cooling of the fluid in the cooling section (third step).
  • the residence time section preferably only the residence time section, has power supply means, preferably heating means. They not only determine the temperature level in the residence time, but also compensate for the heat losses in the aforementioned process, in particular the heating and cooling.
  • the heating means preferably comprise fluid guides for receiving and / or passing one or more tempering fluids on or around the microchannels in the region of Residence time distance.
  • tempering fluid serve liquid and gaseous fluids, preferably thermal oils, salt and metal melts or gases.
  • the fluid guides inside, in particular in the region of the microchannels of the residence time section, with a catalyst which triggers a chemical catalytic reaction with heat development (exothermic reaction) in the tempering fluid and selectively enables heating of the residence time section or a part thereof.
  • the fluid guides in particular the catalyst-coated fluid guide sections as reaction chamber with extended cross section and / or with an enlarged surface for the heat transfer (eg heating or cooling fins ) to design.
  • the reaction space can also be designed as a reaction mixing chamber with a merging and again bifurcation of a plurality of fluid guides.
  • Another embodiment provides electric heating cartridges or heating elements as heating means, which are used or integrated near the residence time in the heat exchanger.
  • both the tempering fluids as mixing additives or as reactants can be mixed into the fluids in the microchannels as well as any gases or vapors from evaporation or decomposition in the fluid can be diverted from the microchannels into the fluid channels, preferably aspirated.
  • the driving force for the Eimischung or suction is the pressure difference between the fluid in the
  • a preferred embodiment provides a membrane, preferably a selectively gas-permeable membrane (for the selective removal of gases) between microchannels and fluid channels.
  • the heating section comprises, if a process is carried out with a heating with a vapor or gas formation, an evaporator section and optionally an overheating section, the cooling section a Condensation section. If the fluid to be heated enters the heating section in a vapor or gaseous state, the heating-up section only consists of an overheating section.
  • a plurality of parallel-connected microchannels are provided, further preferably in the heat exchanger bundle parallel to each other.
  • the parallel-connected microchannels further preferably have the same geometric dimensions.
  • a further embodiment provides that the microchannels of the heating section and / or the cooling section have at least one intermediate volume into which all or one of the microchannels of the heating section and / or the cooling section terminate and exit again.
  • Several preferably similar intermediate volumes with preferably an equal number of inflowing and outflowing microchannels (microchannel groups) can be arranged parallel to one another and thus form a voluminous group. Mixing of the microchannel groups with each other is in turn realized by a second, the first downstream Voluminalui of mutually parallel intermediate volumes, which are arranged offset with respect to the previous intermediate volumes, i. span from these deviating microchannel groups.
  • the intermediate volume or volumes serve to intermix fluid flow from the microchannels during heating or cooling, particularly to reduce material and thermal inhomogeneities, and thus, e.g. of premature local evaporation.
  • the intermediate volumes may also be provided with inlets or outlets for admixtures of additional fluids and / or selective aspirations, e.g. of gases - as otherwise described in the other context - use.
  • the residence time range can be used and designed as a reaction volume or a plurality of reaction volumes arranged in parallel for a chemical reaction. It is within the scope of further embodiments of the invention to design the power supply means not as a heating means, but as a coolant, wherein the fluid to be treated is first introduced into the cooling section and cooled, then in the residence time a temperature minimum passes, then reheated in the heating to become. As described above, the heating path and the cooling section are thermally connected to each other.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a micro heat exchanger with countercurrent heat exchange element
  • FIG. 2 shows an embodiment of a micro-heat exchanger with cross-flow heat exchanger element
  • FIG. 1 shows an embodiment of a micro heat exchanger with countercurrent heat exchange element and a power segregation by catalytic reaction
  • FIG. 5 shows a single film of a micro heat exchanger with grooved incorporated fluid guides for a heating line
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the process sequence for the production of hydrogen cyanide from formamide.
  • a heat exchanger of the aforementioned type as disclosed in FIGS. 1 and 2 in a respective sectional view, comprises at least one microchannel 1 with a heating section 2, a residence section 3 and a cooling section 4, wherein the heating section and the cooling section are thermally connected to each other and the residence time section has power supply means 5.
  • the microchannels are flowed through by a fluid idstrom, wherein the flow direction 9 is indicated by arrows.
  • the fluid flow is in the supply 10, that is, before entry into the heating section 2, a starting temperature e i n and leaves the cooling coil from having an exit temperature T.
  • Fig.l shows an embodiment in which the heating section 2 and cooling section 4 are flowed through in countercurrent to each other (countercurrent heat exchange element).
  • the extent of the heating and the cooling and thus the countercurrent heat exchange element, but also the residence time 3 in the heat exchanger is represented by dimension arrows and dashed lines.
  • the part of the residence time section facing the aforementioned countercurrent heat exchange element is the power input path 8, which is preferably equipped with larger and / or more strongly dimensioned power supply means 5 compared to the remaining area of the residence time section.
  • These reinforced power supply means serve in addition to the temperature of the power input point and the thermal buffering between heating / cooling and the remaining residence time and also to compensate for heat losses in the heat exchanger, in particular caused by the temperature difference between the starting temperature e in and the outlet temperature T out . If appropriate, endothermic or exothermic reactions taking place in the fluid flow or inlets or outlets of partial flows in the fluid flow must be taken into account in the heat exchanger, in particular in the dwelling time zone.
  • the heating sections 2 and cooling sections 4 are flowed through in cross-flow to each other (cross-flow heat exchange element).
  • the extent of the cooling sections 4 comprises only a partial area 12 of the heating-up section, which in this exemplary embodiment has additional inlet cooling channels 13 and heat-insulating cavities 11.
  • the inlet cooling channels are used for tion of a coolant and thus the regulation of the inlet temperature e in the fluid flow, while the heat-insulating cavities 11 reduce the action of the coolant in the portion 12.
  • Fig.l to 6 show examples of embodiments of Mikroärmetausehern.
  • the illustrated variants comprise at least one heat exchanger of the aforementioned type, wherein the microchannels 1 are integrated as groove-shaped incorporated fluid guides and the power supply means 5 in sheets 6 (individual sheets) of a film stack. Breakthroughs 7 serve as fluid guide connections between two microchannels. The thermal connection between the heating and cooling path takes place via the remaining film section between the microchannels.
  • the two superimposed and one-sided structured films in FIGS. 1 to 4 with the heating section 2 and the cooling section 4 can be replaced by a film structured on both sides, the heating section 2 being incorporated on one side of the film and the cooling section 4 being incorporated on the other side ,
  • the residence time section comprises a tion insertion 8, which preferably (but not shown) has a higher density of cartridge heaters or more powerful cartridge heaters to compensate for losses in particular from the areas of the heating sections 2 and 4 cooling lines.
  • the heating cartridges are used in at least one film, preferably in separate films in holes 14, alternatively in recesses or in ril- lenförmigen cavities. A slight interference fit with optional thermal paste between the inner wall of the holes and the cartridge heaters used promotes heat input in an advantageous manner.
  • FIG. 4 exemplarily represents a design with a power input through chemical reactions, preferably catalytic reactions with heat development.
  • the power supply means are arranged in the region of the residence time section 3, more preferably in the power input section 8. They include fluid guides 16, in which a reactive gas, such as preferably CH 4 or H 2, is introduced into the heat exchanger and from there is sprayed into a gas channel 18, preferably flat, through injection openings 17.
  • a reactive gas such as preferably CH 4 or H 2
  • the gas channel is traversed by an oxygen-containing gas, preferably air, in particular in the region of the power input path 8 to a reaction in the example for the exothermic reaction of oxygen 0 2 with hydrogen H 2 or hydrocarbon CH 4 comes.
  • the gas channel is preferably coated with a catalyst for reaction control and / or concentration, more preferably in the region of the power input section 8 or the residence time section 3.
  • the gas flow 19 heated by the reaction preferably transfers heat in countercurrent directly to the fluid flow in the channels 1, Preferably, as shown in the example, first on the residence time section 3 and then also on the heating 2.
  • An effective heat transfer is achieved by a thin membrane 20 between the gas flow 19 and fluid flow (flow direction 9).
  • the cooling section 4 is preferably thermally insulated from the gas flow and preferably has an increased heat conductivity selectively acting on the heating section. The heat from the cooling section is preferred on the Heating the fluid flows used in the heating sections and then does not escape into the gas flow.
  • An alternative embodiment provides a non-fluid-tight or selectively permeable membrane, which allows mass transfer between the fluid and the gas and can be used to generate and control reactions in the fluid flow.
  • the reactions on the gas side are preferably a selective oxidation, for example the partial oxidation of hydrocarbons to synthesis gas, the selective oxidation of CO in the presence of hydrogen, the production of hydrogen peroxide from hydrogen and oxygen in the Oxygen depletion, production of peroxide compounds (propene oxide, epoxybutene) or oxidative dehydrogenation of hydrocarbons such as propene.
  • a selective oxidation for example the partial oxidation of hydrocarbons to synthesis gas, the selective oxidation of CO in the presence of hydrogen, the production of hydrogen peroxide from hydrogen and oxygen in the Oxygen depletion, production of peroxide compounds (propene oxide, epoxybutene) or oxidative dehydrogenation of hydrocarbons such as propene.
  • a selective separation of individual reaction products such as hydrogen over the membrane 20; the resulting free reaction space is the reaction additionally available.
  • Selective removal of gases also allows adjustment of higher reaction pressures, exploiting the shift in thermodynamic equilibrium by removing the hydrogen; This results
  • the heating section 2 are preferably hydrogenations in the gas phase, such as nitrobenzene or toluene, or in ionic liquids, if their temperature stability allows a coupling with the oxidation reaction.
  • Endothermic reactions on said fluid side which do not require a membrane, are preferably surface-catalyzed decomposition reactions (methanol, propane, etc.) or reforming processes.
  • the coupling of a hydrogen-oxygen reaction to hydrogen peroxide on the gas side could also be connected via a non-selective membrane 20 with an epoxidation, wherein the product hydrogen peroxide would be useful as Epoxidmaschinesreagenz.
  • Heat exchangers in which the fluid is vaporized and preferably also recondensed preferably have correspondingly adapted evaporator sections and possibly cooling sections.
  • 5 shows by way of example in phantom top view of a sheet 6 with groove-shaped incorporated microchannels 1 in the region of the heating section 2 as well as the delay zone 3 with power input path 8.
  • the Auftropicstre ⁇ bridge comprises Besides one diesstechniksaufconcerank 23 as schematically shown an evaporation path 21 for the phase transition from liquid to vapor / gaseous and / or an overheating section 22 for further overheating of the steam or gas.
  • the essential design of these subregions, in particular the evaporator section takes into account the volume increase in the fluid flow when the microchannels flow through.
  • the liquid heating section and the superheat section in which idealized no changes in the physical state of the fluid take place, each have a constant cross section with a large specific surface area for rapid heat transfer.
  • the region in which a phase transition takes place with an increase in volume preferably the evaporator section, is characterized by a continuous increase in cross section of the microchannels in the flow direction (see FIG.
  • means for pressure equalization between the microchannels between the microchannels comprise either a fluidic connection such as passages between the
  • the intermediate volumes each bundle and connect a number of microchannels.
  • these can be connected in parallel to one another in each case for a bundle, wherein, in the context of a further embodiment, additional volumes cascaded and offset enable a fluidic connection of the bundles to one another.
  • a cooling section which is also to be used for a recondensation or a condensation, can in principle be made variable in its flow cross section as a function of the fluid composition in the flow direction. In this case, all the measures mentioned incl.
  • the cooling section 4 consists of three areas.
  • the residence time line 3 first opens into the gas cooling section 26, which is designed for the cooling of the gas or the vapor to the condensation temperature (boiling temperature). Ideally, but not necessarily in the real state, no condensation takes place here.
  • the microchannels open into the condensation section 25, which is designed for a complete condensation, ie a transfer of gaseous or vaporous constituents into liquid constituents and is designed to be tapered in its flow cross section, preferably adapted to a volume reduction.
  • the condensation section 25 downstream of the condensation section follows from further cooling of the present as a liquid fluid on T.
  • a volume change in a phase transition and / or a change in cross section of the microchannels can be used as an alternative or additional measure also for a change in the flow rate in the microchannels 1 in the flow direction 9 and thus the locally to be effected heat transfer between cooling and heating.
  • Fig. 6 schematically shows a continuous chemical process in a heat exchanger (preferably countercurrent circuit) of the aforementioned type again, in the example, the continuous production of isocyanate 28 is shown as the starting liquid liquid carbonate 27 (RN-CO-CH 3 ) as the input fluid. Carbonate is starting from ⁇ ⁇ _.
  • the residence time section serves as a reaction volume, depending on the desired temperature and reaction control as separate microchannels or as a common intermediate volume for microchannel bundles.

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Abstract

Wärmetauscher zum schnellen Erhitzen und Abkühlen eines Fluids in mindestens einem Mikrokanal (1) mit einer Aufheizstrecke (2), einer Verweilzeitstrecke (3) und einer Abkühlstrecke (4). Die Aufgabe liegt darin, ein verbessertes WärmetauseherSystem mit einem erhöhten Wirkungsgrad vorzuschlagen. Die Aufgabe wird mit einem Wärmetauscher gelöst, wobei die Aufheizstrecke und die Abkühlstrecke thermisch miteinander verbunden sind und nur die Verweilzeitstrecke Leistungszufuhrmittel (5) aufweist.

Description

Wärmetauscher zum schnellen Erhitzen und Abkühlen von Fluiden
Die Erfindung betrifft ein Wärmetauschersystem, vorzugsweise ein mikrostrukturiertes Wärmetauschersystem sowie ein Verfahren zum schnellen Erhitzen und Abkühlen von Fluiden, vorzugsweise Flüssigkeiten gemäß des ersten und zehnten Patentanspruchs.
In Wärmetauschersystemen der eingangs genannten Art werden Fluide o- der Fluidgemische schnell auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, einen bestimmten Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten und anschließend im gleichen System schnell wieder abgekühlt. Das Fluid oder das Fluidgemisch durchläuft in einer oder mehreren Fluidpassagen mehrere Wärmetauscher oder Wärmetauscherbereiche im WärmetauseherSystem seriell, vorzugsweise kontinuierlich mittels eines kontinuierlichen Fluidstrom. Derartige Wärmetauschersysteme dienen beispielsweise der Sterilisation von Fluiden, der kontrollierten Durchführung von chemischen Reaktionen oder katalytischen Zersetzungsreaktionen.
Eine allgemein bekannte Version eines WärmetauseherSystems umfasst mehrere hintereinander angeordnete separate Wärmtauscher und Reaktionskammern, die jeweils für einen Teilschritt (Erhitzung, Reaktion, Abkühlung) vorgesehen sind.
In EP 1 162 888 Bl wird beispielhaft ein Verfahren zur Abtötung schädlicher Mikroorganismen in Flüssigkeiten durch kurzzeitiges Erhitzen auf über 140°C und anschließende Abkühlung bei Verwendung von zwei seriell geschalteten mikrostrukturierten Kreuzstromwärmetauschern beschrieben. Für eine optionale Einhaltung einer isothermen Haltezeit zwischen dem Erhitzen und Abkühlen wird die Verwendung eines dritten zwischengeschalteten Wärmetauschers vorgeschlagen.
Seriell hintereinander verschaltete Mikrowärmetauscher erfordern jedoch zusätzliche Verbindungskomponenten wie Fluidanschlüsse und/oder Verbindungsleitungen. Diese bilden nicht nur Totvolumina, sondern stellen auch Systemstörgrößen und Fehlerquellen dar. Folglich wird beispielhaft in der DE 101 32 370 B4 eine Vorrichtung zum Verdampfen flüssiger Medien vorgeschlagen, bei der zwei Heizvorrichtungen als Wärmetauscher mit einem dazwischen angeordneten Zwischenvolumen in einem Mikrostrukturapparat integriert sind.
Die letztgenannte Ausführung lässt sich jedoch nur begrenzt auf ein WärmetauscherSystem der eingangs genannten Art übertragen. Während zwei Heizvorrichtungen grundsätzlich in ihrem Temperaturbereich ähnlich liegen und sich problemlos in einen Mikrostrukturapparat auch funktionell nebeneinander anordnen lassen, führt die Integration einer Heiz- und einer Kühlvorrichtung in einem gemeinsamen Mikrostruk- turkörper aufgrund der kurzen Wärmeübertragungswege ohne weitere thermoisolierende Maßnahmen zwangsläufig zu erhöhten Wärmeverlusten. Der Wirkungsgrad reduziert sich mit einem Ansteigen der Wärmeverluste entsprechend.
Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein weiter verbessertes WärmetauseherSystem und Verfahren zum Aufheizen und Abkühlen eines Fluids mit einem erhöhten Wirkungsgrad vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch ein Wärmetauschersystem und einem Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 10 gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Wärmetauscher und ein Verfahren zum schnellen Erhitzen und Abkühlen eines Fluids vorgeschlagen, bei dem das Fluid durch mindestens einen Mikrokanal geleitet und in diesem aufgeheizt und abgekühlt wird. Optional wird das Fluid in den Mikro- kanälen zwischen der Aufheizung und Abkühlung für eine bestimmte Zeit (Verweilzeit) auf einem Temperaturniveau gehalten. Das Temperaturniveau wird idealisiert durch eine Zieltemperatur , praktisch aber durch ein Temperaturintervall zwischen einer unteren und einer oberen Verweilzeittemperatur definiert. Die Temperaturspanne erstreckt sich vorzugsweise ±5% weiter bevorzugt ±2% der Zieltemperatur in °C vorzugsweise um diese Zieltemperatur.
In jedem der Mikrokanäle durchläuft das Fluid zur Aufheizung eine Aufheizstrecke, zur Abkühlung eine Abkühlstrecke sowie dazwischen eine Verweilzeitstrecke. Die Verweilzeitstrecke umfasst mindestens einen Bereich, in dem das Fluid von einer Aufheizung in eine Abkühlung überführt wird, vorzugsweise den Bereich, in dem das Fluid das vorgenannte Temperaturniveau oder Temperaturintervall einnimmt.
Das Fluid durchläuft den Wärmetauscher als Fluidstrom, bevorzugt als kontinuierlichen Fluidstrom, weiter bevorzugt - wie auch ausgelegt - als stationären Fluidstrom.
Das Verfahren zum schnellen Erhitzen und Abkühlen eines Fluids in mindestens einem Mikrokanal umfasst eine Erhitzung des Fluids in einer Aufheizstrecke (erster Schritt) . Anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt eine Weiterleitung des Fluids in eine Verweilzeitstrecke mit gleichbleibender Temperatur oder dem vorgenannten Temperaturniveau bzw. Temperaturintervall , gefolgt von einer Einleitung und Abkühlung des Fluids in die Abkühlstrecke (dritter Schritt) .
Wesentlich ist eine thermisch leitfähige Verbindung zwischen Aufheizstrecke und Abkühlstrecke, die eine Übertragung von Wärmeenergie von dem abzukühlenden Fluid in der Abkühlstrecke auf das aufzuheizende Fluid in der Aufheizstrecke ermöglicht. Das Fluid gibt im dritten Schritt Wärme auf direktem Wege an das Fluid im ersten Schritt ab.
Die Verweilzeitstrecke, vorzugsweise nur die Verweilzeitstrecke weist Leistungszufuhrmittel , vorzugsweise Heizmittel auf. Sie bestimmen nicht nur das Temperaturniveau in der Verweilzeitstrecke, sondern gleichen auch die Wärmeverluste im vorgenannten Verfahren, insbesondere der Erhitzung und Abkühlung aus. Die Heizmittel umfassen bevorzugt Fluidführungen für die Aufnahme und/oder Durchleitung eines oder mehrerer Temperierfluide an oder um die Mikrokanäle im Bereich der Verweilzeitstrecke . Als Temperierfluide dienen flüssige und gasförmige Fluide, vorzugsweise Thermöle, Salz- und Metallschmelzen oder Gase. Alternativ wird vorgeschlagen, die Fluidführungen innen insbesondere im Bereich der Mikrokanäle der Verweilzeitstrecke mit einem Katalysator auszustatten, der im Temperierfluid eine chemische kata- lytische Reaktion mit Wärmeentwicklung (exotherme Reaktion) auslöst und punktuell eine Erwärmung der Verweilzeitstrecke oder eines Teil derselben ermöglicht. In diesem Fall ist es für eine homogenere Temperierung und/oder Temperaturverteilung vorteilhaft, die Fluid- führungen, insbesondere die mit dem Katalysator beschichteten Fluid- führungsabschnitte als Reaktionsraum mit erweitertem Querschnitt und/oder mit einer vergrößerten Oberfläche für die Wärmeübertragung (z.B. Heiz- oder Kühlrippen) zu gestalten. Der Reaktionsraum ist optional auch als Reaktionsmischkammer mit einer Zusammenführung und wieder Aufgabelung mehrerer Fluidführungen gestaltbar. Eine weitere Ausführungsform sieht elektrische Heizpatronen oder Heizelemente als Heizmittel vor, die nahe der Verweilzeitstrecke im Wärmetauscher eingesetzt oder integriert sind.
Eine mögliche Ausführungsform sieht eine fluidische Verbindung zwischen den Mikrokanälen in der Verweilzeitstrecke und den Fluidführungen vor. Damit lassen sich sowohl die Temperierfluide als Mischungszusätze oder als Reaktionspartner in die Fluide in den Mikrokanälen einmischen wie auch mögliche Gase oder Dämpfe aus Verdampfung oder Zersetzung im Fluid aus den Mikrokanälen in die Fluidkanäle ableiten, vorzugsweise absaugen. Die treibende Kraft für die Eimischung oder Absaugung ist die Druckdifferenz zwischen dem Fluid in den
Mikrokanälen und dem Temperierfluiden in den Fluidführungen. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht eine Membran, vorzugsweise eine selektiv gasdurchlässige Membran (zur selektiven Ableitung von Gasen) zwischen Mikrokanälen und Fluidkanälen vor.
Die Aufheizstrecke umfasst, sofern ein Verfahren mit einer Aufheizung mit einer Dampf- oder Gasbildung durchgeführt wird, eine Verdampferstrecke und optional eine Überhitzungsstrecke, die Abkühlstrecke eine Kondensationsstrecke. Tritt das aufzuheizende Fluid in einem dampf- oder gasförmigen Zustand in die Aufheizstrecke ein, besteht die Aufheizstrecke nur aus einer Überhitzungsstrecke .
Vorzugsweise sind mehrere parallel geschaltete Mikrokanäle vorgesehen, weiter bevorzugt im Wärmetauscher bündelweise parallel zueinander verlaufend. Die parallel geschalteten Mikrokanäle weisen weiter bevorzugt gleiche geometrische Abmessungen auf.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Mikrokanäle der Aufheizstrecke und/oder der Abkühlstrecke mindestens ein Zwischenvolumen aufweisen, in das jeweils alle oder einer der Mikrokanäle der Aufheizstrecke und/oder der Abkühlstrecke einmünden und wieder ausmünden. Mehrere bevorzugt gleichartige Zwischenvolumina mit bevorzugt einer gleichen Anzahl von ein- und ausmündenden Mikrokanälen (Mikro- kanalgruppen) können parallel zueinander angeordnet werden und bilden damit eine Voluminagruppe. Eine Durchmischung der Mikrokanalgruppen untereinander ist wiederum durch eine zweite, der ersten nachgeschalteten Voluminagruppe von zueinander parallel angeordneten Zwischenvolumina realisierbar, wobei diese in Bezug auf die vorangegangenen Zwischenvolumina versetzt angeordnet sind, d.h. von diesen abweichende Mikrokanalgruppen überspannen.
Das Zwischenvolumen oder die Zwischenvolumina dienen der Zwischenvermischung des Fluidstroms aus den Mikrokanälen während der Aufheizung oder Abkühlung, insbesondere zur Reduzierung von stofflichen und thermischen Inhomogenitäten und damit z.B. von vorzeitiger lokaler Verdampfung. Die Zwischenvolumina lassen sich ferner auch mit Zu- oder Ableitungen für Einmischungen von zusätzlichen Fluiden und/oder selektiven Absaugungen z.B. von Gasen - wie im anderen Zusammenhang analog vorbeschrieben - nutzen.
Ebenso ist die Verweilzeitstrecke als ein Reaktionsvolumen oder mehrere parallel angeordnete Reaktionsvolumina für eine chemische Reaktion nutz- und gestaltbar. Es liegt im Rahmen weiterer Ausführungsformen der Erfindung, die Leistungszufuhrmittel nicht als Heizmittel, sondern als Kühlmittel zu gestalten, wobei das zu behandelnde Fluid zunächst in die Abkühlstrecke eingeleitet und abgekühlt wird, anschließend in der Verweilzeitstrecke ein Temperaturminimum durchläuft, um anschließend in der Aufheizstrecke wieder aufgewärmt zu werden. Wie zuvor beschrieben, sind die Aufheizstrecke und die Abkühlstrecke thermisch miteinander verbunden .
Die Erfindung sowie Details zu der Erfindung werden anhand weiterer Ausführungsformen mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig.l eine Ausführungsform eines Mikrowärmetauschers mit Gegen- stromwärmetauschelement,
Fig.2 eine Ausführungsform eines Mikrowärmtausehers mit Kreuzstromwärmetauscherelement,
Fig.3 eine Detailansicht im Bereich der Verweilzeitstrecke mit elektrische Heizpatronen,
Fig. eine Ausführungsform eines Mikrowärmetauschers mit Gegen- stromwärmetauschelement sowie einem Leistungseitrag durch katalyti- sche Reaktion,
Fig.5 eine Einzelfolie eines Mikrowärmetauschers mit rillenförmig eingearbeiteten Fluidführungen für eine Aufheizstrecke sowie
Fig.6 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs für die Herstellung von Blausäure aus Formamid.
Ein Wärmetauscher der vorgenannten Art umfasst, wie in Fig.l und 2 in jeweiliger Schnittdarstellung offenbart, mindestens einen Mikrokanal 1 mit einer Aufheizstrecke 2, einer Verweilzeitstrecke 3 und einer Abkühlstrecke 4, wobei die Aufheizstrecke und die Abkühlstrecke thermisch miteinander verbunden sind und die Verweilzeitstrecke Leistungszufuhrmittel 5 aufweist. Die Mikrokanäle werden von einem Flu- idstrom durchströmt, wobei die Strömungsrichtung 9 durch Pfeile angedeutet ist. Der Fluidstrom hat im Zuführbereich 10, d.h. vor Eintritt in die Aufheizstrecke 2 eine Ausgangstemperatur ein und verlässt die Abkühlstrecke mit einer Austrittstemperatur Taus.
Fig.l zeigt eine Ausführung, bei dem die Aufheizstrecke 2 und Abkühlstrecke 4 im Gegenstrom zueinander durchströmt werden (Gegenstrom- wärmetauschelement) . Die Erstreckung der Aufheizstrecke und der Abkühlstrecke und damit des Gegenstromwärmetauschelements , aber auch der Verweilzeitstrecke 3 im Wärmetauscher ist durch Abmessungspfeile und gestrichelte Linien dargestellt. Der dem vorgenannten Gegenstrom- wärmetauschelement zugewandte Teil der Verweilzeitstrecke ist die Leistungseintragstrecke 8, die vorzugsweise mit im Vergleich zum restlichen Bereich der Verweilzeitstrecke größeren und/oder stärker dimensionierten Leistungszufuhrmitteln 5 ausgestattet ist. Diese verstärkten Leistungszufuhrmittel dienen neben der Temperierung der Leistungseintragsstelle auch der thermischen Pufferung zwischen Auf- heiz-/Abkühlstrecke und der restlichen Verweilzeitstrecke sowie auch zum Ausgleich von Wärmeverlusten im Wärmetauscher, insbesondere hervorgerufen durch den Temperaturunterschied zwischen der Ausgangstemperatur ein und der Austrittstemperatur Taus. Dabei sind ggf. im Wärmetauscher, insbesondere in der Verweilzeitzone ablaufende endotherme oder exotherme Reaktionen im Fluidstrom oder Ein- oder Ableitungen von Teilströmen im Fluidstrom zu berücksichtigen.
Fig.2 zeigt eine Ausführung, bei der die Aufheizstrecken 2 und Abkühlstrecken 4 im Kreuzstrom zueinander durchströmt werden (Kreuz- stromwärmetauschelement) . Die Erstreckung der Abkühlstrecken 4 um- fasst dabei nur einen Teilbereich 12 der Aufheizstrecke, der in diesem Ausführungsbeispiel zusätzliche Einlaufkühlkanäle 13 und Wärme- dämmkavitäten 11 aufweist. Die Einlaufkühlkanäle dienen der Durchlei- tung eines Kühlmittels und damit der Regulierung der Eintrittstemperatur ein des Fluidstroms, während die Wärmedämmkavitäten 11 die Einwirkung des Kühlmittels in den Teilbereich 12 reduzieren.
Fig.l bis 6 zeigen beispielhaft Ausführungen von Mikrowärmetausehern. Die dargestellten Varianten umfassen mindestens einen Wärmetauscher der vorgenannten Art, wobei die Mikrokanäle 1 als rillenförmig eingearbeitete Fluidführungen sowie die Leistungszufuhrmittel 5 in Folien 6 (Einzelfolien) eines Folienstapels integriert sind. Durchbrüche 7 dienen dabei als Fluidführungsverbindungen zwischen zwei Mikrokanä- len. Die thermische Verbindung zwischen Aufheiz- und Abkühlstrecke erfolgt über den verbleibenden Folienabschnitt zwischen den Mikroka- nälen.
Die in Fig.l bis 4 jeweils dargestellten beiden übereinander angeordneten und einseitig strukturierten Folien mit der Aufheizstrecke 2 und der Abkühlstrecke 4 lassen sich durch eine beidseitig strukturierte Folie ersetzen, wobei auf einer Folienseite die Aufheizstrecke 2 und auf der anderen Seite die Abkühlstrecke 4 eingearbeitet ist.
Grundsätzlich lassen sich mit Hilfe der Einlaufkühlkanäle 13 und Wär- medämmkavitäten 11 nicht nur Τθιη, sondern auch Taus im Fluidstrom grundsätzlich bei allen Ausführungen einstellen. Die Wärmedämmkavität ist zudem durch andere Wärmedämmmittel ersetzbar. Besonders vorteilhaft für geringe Wärmeverluste und damit einen hohen Wirkungsgrad ist eine Gestaltung aller Folien 6, die nicht zur Übertragung von Wärme z.B. zwischen Aufheizstrecke 2 und Abkühlstrecke 4 oder zwischen Verweilzeitstrecke 3 und Leistungszufuhrmittel 5 genutzt werden, aus einem thermischen Isolator wie z.B. einem porösen Material, Kunststoff oder einem nichtmetallischen Werkstoff (z.B. Glas, Keramik) .
Fig.3 zeigt eine herausgeschnittene Detailansicht einer Verweilzeitstrecke 3 eines Wärmetauschers wie zuvor beschrieben alternativ mit elektrischen Heizpatronen 15 als Leistungszufuhrmittel 5. Wie in den vorangegangenen Figuren umfasst die Verweilzeitstrecke eine Leis- tungseintrags recke 8, die vorzugsweise (jedoch nicht dargestellt) eine höhere Dichte an Heizpatronen oder leistungsstärkere Heizpatronen aufweist, um Verluste insbesondere aus den Bereichen der Aufheizstrecken 2 und Abkühlstrecken 4 mit auszugleichen. Die Heizpatronen sind in mindestens einer Folie, vorzugsweise in separaten Folien in Bohrungen 14 eingesetzt, alternativ auch in Aussparungen oder in ril- lenförmigen Kavitäten. Ein leichter Presssitz mit optionaler Wärmeleitpaste zwischen Innenwandung der Bohrungen und den eingesetzten Heizpatronen fördert den Wärmeeintrag in vorteilhafter Weise.
Fig.4 repräsentiert beispielhaft eine Bauform mit einem Leistungseintrag durch chemische Reaktionen, bevorzugt katalytische Reaktionen mit Wärmeentwicklung. Wie bei den vorgenannten Ausführungen sind die Leistungszufuhrmittel im Bereich der Verweilzeitstrecke 3, weiter bevorzugt in der Leistungseintragsstecke 8 angeordnet. Sie umfassen Fluidführungen 16, in denen ein reaktives Gas wie vorzugsweise CH4 oder H2 in den Wärmetauscher eingeführt und von dort durch Ein- düsungsÖffnungen 17 vorzugsweise flächig in einen Gaskanal 18 einge- düst wird. Der Gaskanal wird mit einem sauerstoffhaltigen Gas, vorzugsweise Luft durchströmt, wobei es insbesondere im Bereich der Leistungseintragsstrecke 8 zu einer Reaktion im Beispiel zur exothermen Reaktion von Sauerstoff 02 mit Wasserstoff H2 oder Kohlenwasserstoff CH4 kommt. Der Gaskanal ist dabei zur Reaktionssteuerung und/oder -konzentrierung vorzugsweise mit einem Katalysator beschichtet, weiter bevorzugt im Bereich der Leistungseintragsstrecke 8 oder der Verweilzeitstrecke 3. Die durch die Reaktion erhitzte Gasströmung 19 überträgt Wärme vorzugsweise im Gegenstrom direkt auf die Fluidströmung in den ikrokanälen 1, bevorzugt, wie im Beispiel gezeigt, zunächst auf die Verweilzeitstrecke 3 und anschließend auch auf die Aufheizstrecke 2. Eine effektive Wärmeübertragung wird durch eine dünne Membran 20 zwischen Gasströmung 19 und Fluidströmung (Strömungsrichtung 9) erzielt. Die Abkühlstrecke 4 ist dagegen bevorzugt thermisch isoliert von der Gasströmung und weist bevorzugt eine selektiv auf die Aufheizstrecke wirkende erhöhte Wärmeleitf higkeit auf. Die Wärme aus der Abkühlstrecke wird dabei bevorzugt auf die Heizung der Fluidströmungen in den Aufheizstrecken genutzt und entweicht dann nicht in die Gasströmung. Ist die Membran fluiddicht gestaltet, erfolgt über diese ausschließlich eine Wärmeübertragung. Eine alternative Ausführung sieht eine nicht fluiddichte oder selektiv durchlässige Membran, vor die einen Stoffübergang zwischen Fluid und Gas zulässt und zur Generierung und Steuerung von Reaktionen im Flu- idstrom nutzbar ist.
Bei den Reaktionen auf der Gasseite (Gasströmung 19) handelt es sich bevorzugt um eine selektive Oxidationen, z.B. um die partielle Oxida- tion von Kohlenwasserstoffen zu Synthesegas, die selektive Oxidation von CO in Gegenwart von Wasserstoff, die Erzeugung von Wasserstoffperoxid aus Wasserstoff und Sauerstoff im Unterschuss von Sauerstoff, die Erzeugung von Peroxid-Verbindungen (Propenoxid, Epoxybuten) oder die oxidative Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen wie Propen. Während dieser Reaktionen erfolgt optional eine selektive Abtrennung von einzelnen Reaktionsprodukten, wie z.B. Wasserstoff über die Membran 20; der dabei frei werdende Reaktionsraum steht der Reaktion zusätzlich zur Verfügung. Eine selektive Entfernung von Gasen ermöglicht zudem ein Einstellen höherer Reaktionsdrücke, wobei die Verschiebung des thermodynamisehen Gleichgewichts durch die Entfernung des Wasserstoffs ausgenutzt wird; es ergeben sich ein höherer Umsatz und eine höhere Effizienz. Reaktionen auf der Fluidseite (mit flüssigen Anteilen insb. in der Aufheizstrecke 2) sind bevorzugt Hydrierungen in der Gasphase, wie z.B. von Nitrobenzol oder Toluol, oder auch in ionischen Flüssigkeiten, wenn deren Temperaturstabilität eine Kopplung mit der Oxidationsreaktion zulässt. Endotherme Reaktionen auf der genannten Fluidseite, die keiner Membran bedürfen, sind vorzugsweise oberfächenkatalysierte Zersetzungsreaktionen (Methanol, Propan etc.) oder Reformierungsprozesse . Die Kopplung einer Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion zu Wasserstoffperoxid auf der Gasseite könnte auch über eine nicht selektive Membran 20 mit einer Epoxidierung verbunden sein, wobei das Produkt Wasserstoffperoxid als Epoxidierungsreagenz nutzbar wäre. Wärmetauscher, in denen das Fluid verdampft und vorzugsweise auch rekondensiert wird, weisen vorzugsweise entsprechend angepasste Verdampferstrecken und ggf. Abkühlstrecken auf. Fig.5 zeigt beispielhaft schemenhaft die Aufsicht auf eine Folie 6 mit rillenförmig eingearbeiteten Mikrokanälen 1 im Bereich der Aufheizstrecke 2 sowie der Verweilzeitstrecke 3 mit Leistungseintragsstrecke 8. Die Aufheizstre¬ cke umfasst dabei neben einer Flüssigkeitsaufheizstrecke 23 wie schematisch dargestellt eine Verdampferstrecke 21 für den Phasenübergang von flüssig auf dampf-/gasförmig und/oder eine Überhitzungsstrecke 22 für die weitere Überhitzung des Dampfes oder Gases. Die wesentliche Gestaltung dieser Teilbereiche, insbesondere der Verdampferstrecke berücksichtigt die Volumenzunahme im Fluidstrom bei Durchströmung der Mikrokanäle. Folglich weisen die Flüssigkeitsaufheizstrecke und die Überhitzungsstrecke, in denen idealisiert keine Änderungen des Aggregatzustandes des Fluides stattfinden, jeweils einen konstanten Querschnitt mit großer spezifischer Oberfläche für eine schnelle Wärmeübertragung auf. Der Bereich, in dem ein Phasenübergang mit einer Volumenzunahme stattfindet, vozugsweise die Verdampferstrecke, zeichnet sich dagegen durch eine kontinuierliche Querschnittsvergrößerung der Mikrokanäle in Strömungsrichtung aus (vgl. Fig.5) . Für die Synchronisation der Verdampfung in allen Mikrokanälen wird zudem vorgeschlagen, zwischen den Mikrokanälen bevorzugt Mittel für einen Druckausgleich zwischen den Mikrokanälen vorzusehen. Diese Mittel umfassen entweder eine fluidische Verbindung wie Durchlässe zwischen den
Mikrokanälen oder eine Gestaltung der Verdampferstrecke oder ein Teil derselben als ein oder mehrere Zwischenvolumina 29. Die Zwischenvolumina bündeln und verbinden jeweils eine Anzahl von Mikrokanälen. Im Falle von mehreren Zwischenvolumina können diese parallel zueinander jeweils für ein Bündel geschaltet sein, wobei im Rahmen einer weiteren Ausführung kaskadenförmig versetzte weitere Volumina eine fluidische Verbindung der Bündel untereinander ermöglichen. In die Zwischenvolumina münden jeweils vorzugsweise eine Anzahl von, bei nur einem Zwischenvolumen vorzugsweise alle Mikrokanälen aus der Flüssigkeitsaufheizstrecke ein und in die Überhitzungsstrecke aus. Analog zu der in Fig.5 dargestellten Aufheizstrecke ist grundsätzlich auch eine Abkühlstrecke, die auch für eine Rekondensation oder eine Kondensation genutzt werden soll, in ihrem Durchflussquerschnitt in Abhängigkeit von der Fluidzusammensetzung in Strömungsrichtung variabel gestaltbar. Dabei sind alle genannten Maßnahmen inkl. der genannten Mittel für einen Druckausgleich insbesondere für den Bereich um eine Kondensationsstrecke in analoger Weise anwendbar. Wie im Ablauf- Schema eines Verfahrens gem. Fig.6 dargestellt, besteht die Abkühlstrecke 4 dabei aus drei Bereichen. Die Verweilzeitstrecke 3 mündet zunächst in die Gasabkühlstrecke 26, die für die Abkühlung des Gases oder des Dampfes auf die Kondensationstemperatur (Siedetemperatur) konzipiert ist. Idealerweise, jedoch nicht zwingend im Realzustand findet hier noch keine Kondensation statt. Aus der Gasabkühlstrecke münden die Mikrokanäle in die Kondensationsstrecke 25, die für eine vollständige Kondensation, d.h. eine Überführung von gas- oder dampfförmigen Bestandteilen in flüssige Bestandteile ausgelegt ist und in ihrem Strömungsquerschnitt vorzugsweise auf eine Volumenverminderung angepasst verjüngt gestaltet ist. Nachgeschaltet zu der Kondensationsstrecke folgt in der Flüssigkeitsabkühlstrecke 24 eine weitere Abkühlung des als Flüssigkeit vorliegenden Fluids auf Taus.
Eine Volumenänderung bei einem Phasenübergang und/oder eine Quer- schnittsänderung der Mikrokanäle ist als alternative oder zusätzliche Maßnahme auch für eine Änderung der Durchströmungsgeschwindigkeit in den Mikrokanälen 1 in Strömungsrichtung 9 und damit der lokal zu bewirkenden Wärmeübertragung zwischen Abkühl- und Aufheizstrecke nutzbar .
Fig.6 gibt schematisch ein kontinuierliches chemisches Verfahren in einem Wärmetauscher (vorzugsweise Gegenstromschaltung) der vorgenannten Art wieder, im Beispiel wird die kontinuierliche Herstellung von Isocyanat 28 als Ausgangsfluid aus flüssigem Carbonat 27 (R-N-CO-CH3) als Eingangsfluid dargestellt. Carbonat wird ausgehend von Τθ_.η von 10 bis 50°C, vorzugsweise 15 bis 25°C, weiter bevorzugt 20 bis 22°C in der Aufheizstrecke 2 aufgeheizt, verdampft und auf 250 bis 350°C, vorzugsweise 260 bis 340°C, weiter bevorzugt 270 bis 330°C überhitzt in die VerweilZeitzone 3 eingeleitet, reagiert dort an einem festen Katalysator, z.B. MgO, zu einem gasförmigen Gemisch aus Isocyanat und Methanol, welches in der anschließenden Abkühlstrecke unter Abgabe von Wärme an die Aufheizstrecke kondensiert und auf Taus im Bereich zwischen 15 und 60°C, bevorzugt 20 bis 55°C und weiter bevorzugt 35 bis 45°C abgekühlt wird. Die Verweilzeitstrecke dient dabei als Reaktionsvolumen, je nach gewünschter Temperatur- und Reaktionskontrolle als separate Mikrokanäle oder als gemeinsames Zwischenvolumen für Mi- krokanalbündel .
Bezugszeichexiliste
1 Mikrokanal
2 Aufheizstrecke
3 Verweilzeitstrecke
4 Abkühlstrecke
5 Leistungszufuhrmittel
6 Folie
7 Durchbruch
8 Leistungseintragstrecke
9 Strömungsrichtung
10 Zuführbereich
11 Wärmedämmkavität
12 Teilbereich
13 Einlaufkühlkanal
14 Bohrungen
15 Heizpatronen
16 Fluidführungen
17 Eindüsungsöffnung
18 Gaskanal
19 Gasströmung
20 Membran
21 Verdampferstrecke
22 Überhitzungsstrecke
23 Flüssigkeitsaufheizstrecke
24 Flüssigkeitsabkühlstrecke
25 Kondensationsstrecke
26 Gasabkühlstrecke
27 Carbonat
28 Isocyanat
29 Zwischenvolumen

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher zum schnellen Erhitzen und Abkühlen eines Fluids in mindestens einem Mikrokanal (1) mit einer Aufheizstrecke (2), einer Verweilzeitstrecke (3) und einer Abkühlstrecke (4), wobei die Aufheizstrecke und die Abkühlstrecke thermisch miteinander verbunden sind und die Verweilzeitstrecke Leistungszufuhrmittel (5) aufweist .
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Aufheizstrecke eine Verdampferstrecke (21) und/oder eine Überhitzungsstrecke (22)
und/oder die Abkühlstrecke eine Kondensationsstrecke (25) umfassen.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mikrokanäle von Aufheizstrecke und/oder die Abkühlstrecke mindestens ein Zwischenvolumen (29) aufweisen, in das jeweils alle Mikrokanäle (1) der Aufheizstrecke und/oder der Abkühlstrecke einmünden und ausmünden .
4. Wärmetauscher nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Aufheizstrecke und die Abkühlstrecke durch ein Gegenstromwärme- tauschelement gebildet werden.
5. Wärmetauscher nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Verweilzeitstrecke (3) ein Reaktionsvolumen umfasst.
6. Wärmetauscher nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Leistungszufuhrmittel (5) Heizmittel sind.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, wobei die Heizmittel Fluid- führungen für mindestens ein Temperierfluid und/oder einen Reaktionsraum für die Durchführung einer exothermen katalytischen Reaktion umfassen.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, wobei eine fluidische Verbindung zwischen Verweilzeitstrecke und Fluidführung besteht.
9. Mikrowärmetauscher, umfassend mindestens einen Wärmetauscher nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend einen Folienstapel mit Folien (6) mit rillenförmig eingearbeiteten Mikrokanälen (1) und Durchbrüchen (7) als Fluidführungsverbindungen.
Verfahren zum schnellen Erhitzen und Abkühlen eines Fluids in mindestens einem Mikrokanal, wobei das Fluid in einem ersten Schritt in einer Aufheizstrecke erhitzt, in einem anschließenden zweiten Schritt einer Verweilzeitstrecke mit gleichbleibender Temperatur zugeführt und in einem dritten Schritt in einer Abkühlstrecke abgekühlt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fluid im dritten Schritt Wärme an das Fluid im ersten Schritt abgibt und Wärmeverluste im Verfahren durch eine Aufheizung der Verweilzeitstrecke ausgeglichen werden.
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