WO2011134630A1

WO2011134630A1 - Wärmetauscher zum schnellen erhitzen und abkühlen von fluiden

Info

Publication number: WO2011134630A1
Application number: PCT/EP2011/002045
Authority: WO
Inventors: Klaus Schubert; Peter Pfeifer; Manfred Kraut; Roland Dittmeyer
Original assignee: Karlsruher Institut für Technologie
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2011-11-03
Also published as: DE102010018869A1; EP2564143A1; DE102010018869A8

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 _ei_n und verlässt die Abkühlstrecke mit einer Austrittstemperatur T_aus.

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 T_aus. 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 Τ_θι_η, sondern auch T_aus 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 T_aus.

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 Τ_θ_._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 T_aus 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.