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EP1776183A1 - Vorrichtung und verfahren zur kontinuierlichen durchführung chemischer prozesse - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur kontinuierlichen durchführung chemischer prozesse

Info

Publication number
EP1776183A1
EP1776183A1 EP05773757A EP05773757A EP1776183A1 EP 1776183 A1 EP1776183 A1 EP 1776183A1 EP 05773757 A EP05773757 A EP 05773757A EP 05773757 A EP05773757 A EP 05773757A EP 1776183 A1 EP1776183 A1 EP 1776183A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
cross
components
reaction
modules
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP05773757A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Ehrfeld
Thomas Schwank
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.)
Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Original Assignee
Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH filed Critical Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Publication of EP1776183A1 publication Critical patent/EP1776183A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00788—Three-dimensional assemblies, i.e. the reactor comprising a form other than a stack of plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00801—Means to assemble
    • B01J2219/0081—Plurality of modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00835—Comprising catalytically active material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00873—Heat exchange
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00889—Mixing

Definitions

  • the invention relates to a device for the continuous implementation of chemical processes and a corresponding method, with which a narrow residence time distribution for the Reak ⁇ tion medium is achieved and at the same time a defined temperature profile can be set in the reaction chamber.
  • Chemical reactions can be carried out particularly advantageously with the aid of microreaction technology, in which components are used for the basic operation of the process engineering and the reactions whose smallest characteristic dimensions are typically in the range of a few micrometers to a few millimeters.
  • the smallest characteristic dimensions of the fluid guide are preferably below 1000 .mu.m, more preferably below 500 microns.
  • An economically more advantageous solution for production is simply to increase the number of microstructures relevant to the process.
  • a large number of microstructure elements to be operated in parallel are built up or incorporated into a sufficiently large base body or substrate, and this base body is installed in a correspondingly larger housing (equaling-up principle).
  • This approach is followed, for example, in a high mass flow mixer in which tens of thousands of microstructures are machined into a square plate about 10 cm in side and 0.3 mm thick, all in parallel with the fluid streams to be mixed operated (DE 202 18 972 Ul). This makes it possible to achieve volume flows of a few 1000 L / h at low pressure losses of a few bar with aqueous media.
  • micro heat exchangers which consist of stacked, provided with many microchannels and welded together thin plates.
  • the basic geometry of such heat exchangers is approximately cubic, with a Edge length of, for example, 3 cm heat transfer performance in the range of 100 kW can be achieved (K. Schubert, W. Beer, J. Brandner, M. Fichtner, C. Franz, G. Linder 2nd International Conference on Microreaction Technology, 9.-12 March 1998, New La, USA, Tropical Conference Preprints, ISBN 0-8169-9945-7, pp. 88-95).
  • some 'components are like the above-mentioned high-performance micro heat exchanger itself already not ideal because of their long and very narrow channels for use in micro-reaction systems for high throughputs.
  • the laminar flow which practically exists over the entire channel length, leads to a relatively broad residence time distribution which, moreover, is broadened by volume flow inhomogeneities between the individual channels.
  • Such significant differences in the volume flow between the individual channels of a parallel bundle are due to the natural manufacturing tolerances in the channel dimensions, which in turn have a given pressure loss in the fourth power on the respective volume flow, practically unavoidable.
  • bundles of long, narrow channels are highly sensitive to contamination, since even small particles in the reaction medium can clog these channels.
  • reaction systems which can be operated continuously with high efficiency on an industrial scale, the components available so far are therefore only suitable to a limited extent.
  • a simple connection herewith to a reaction system consisting of mixers, reaction chambers and heat exchangers would neither allow to specify a defined course of the reaction temperature in the chemical conversion process nor a defined one Set reaction time.
  • the advantages of the intensification of heat and mass transfer processes, which are characteristic of microreaction technology, can ultimately not be fully exploited.
  • the disadvantage here is mainly the fact that in such an interconnection fluidly non-matched system components different volume elements of the process medium remain different lengths in the reaction chamber.
  • the object of the present invention is to find a device and a corresponding method with which chemical reactions on an industrial scale using microreaction system components can be carried out so that a narrow residence time distribution can be achieved at a defined temperature profile in the reaction space.
  • the object is achieved by a device according to claim 1 and the claims back thereon and a corresponding method.
  • the device according to the invention for carrying out chemical reactions in a continuous process comprises an arrangement of components of the microreaction technique for reactions and basic operations of process engineering, as reaction spaces and / or for process analysis, which are designed for high mass flows.
  • Components according to the invention are designed for a volume flow of preferably more than 25 l / h or a mass flow of preferably more than 25 kg / h, more preferably of more than 200 l / h or 200 kg / h.
  • the flowed through by the process medium or the reaction mixture components consist of a plurality mikrotechnischer preferably similar and transverse to the main flow direction preferably equidistantly arranged functional elements, which are installed in rohrförrnige housing and are preferably flowed through in parallel, wherein the housing each with approximately the same flow cross-sectional shapes and in particular in the area Fluidic interfaces also have approximately the same flow cross-sections and are directly connected. There are therefore no connecting tubes between the individual housings, apart from such tubular spacers with likewise approximately the same flow cross-sectional shapes, which are specifically installed to increase the residence time between microreaction modules.
  • the cross-sectional shapes of the housing can be circular, oval rectangular or polygonal executed with rounded, wherein play an important role in determining the shape, especially production-related aspects with regard to the microstructured functional elements.
  • Within the components of the flow cross section outside of the microstructured functional elements varies continuously, with taper wall angles to the flow axis preferably less than 40 °, with extensions preferably less than 20 °, more preferably be kept smaller than 7 °.
  • the flowing reaction mixture when passing through such a component, is divided into a plurality (between 10 1 and 10 10 ) over a relatively short distance 6 ) split smaller partial flows, which unite again immediately after passing through the microstructured functional elements to a total current. Since the velocity profiles of the partial flows compensate quickly, the flow profile of a piston flow (plug flow) is established in the total flow, which in turn leads to a narrow residence time distribution. It is precisely this setting of a piston flow within the connecting sections between the microstructured functional elements that constitutes an essential conceptual component of the device according to the invention.
  • the residence time distribution within the substreams also depends on their velocity profiles. If the flow paths through the microstructured functional elements are very short, only trapezoidal start-up flows are formed which, due to the small dimensions of the partial flows within the microstructured functional elements, also have only short diffusion paths. The associated residence time distribution is therefore much narrower than in the case of a formed laminar flow, which is known to have a parabolic velocity profile with correspondingly different velocities of the volume elements at the edge or in the middle of the flow. For this reason, as well as to reduce the risk of clogging, such microstructured functional elements are preferred, within which the flow paths are at most as long, particularly preferably at most half as long as the hydraulic diameter of the flow cross section in the housing in the region of the microstructure.
  • a tubular reaction system consisting of individual sections is formed with microstructured functional elements following one another in the flow direction, these functional elements forming components (modules) of the reaction system together with the respective housing.
  • the first component of the system which is preferably designed as a mixer for the preparation of the reaction mixture
  • the other components are designed as units which are preferably straight, that is, from the reaction mixture. without changing the main flow direction at the outlet opposite the inlet, to be flowed through.
  • These may be components for carrying out basic operations of process engineering, for example for exchanging heat, adding further substances or separating, or reaction spaces containing, for example, heterogeneous catalysts.
  • Other components can be used for process analysis.
  • the reaction space for the chemical reaction in the reaction system according to the invention is formed by the entire volume flowed through or parts of this volume, wherein the length of the residence time is determined by the size of the volume and the volume or mass flow of Reak ⁇ tion system. Depending on the required residence time, this can be predetermined by a corresponding adjustment of this flow or by a change in the volume, wherein it is particularly cost-effective to provide individual tube sections of suitable length for setting this volume or the residence time between the microstructured functional elements Insert components as dwell lines. Since there is a piston flow in these for a certain distance, which may be a large fraction up to a few multiples of the hydraulic diameter of the main flow cross section depending on the flow conditions, a narrow residence time distribution is maintained within these pipe sections.
  • the piston flow For longer dwell distances, it depends on the flow conditions (Reynolds number) to maintain or readjust the piston flow, ie for suppressing a laminar flow profile or a turbulent flow with strong backmixing expedient to install in the pipe sections perpendicular to the main flow direction aligned plates with provided a plurality of openings or channels and are inexpensive to manufacture.
  • the desired profile of a piston flow is realized by combining numerous small partial flows.
  • the distance between successive hole / channel plates is preferably at least eight times the hole or channel spacing on the respective upstream plate, but at most three times, preferably the simple hydraulic diameter of the Main flow cross-section between the plates.
  • the arrangement may also differ from the preferred arrangement perpendicular to the main flow direction.
  • the plates may also be corrugated, folded or otherwise multi-dimensionally structured.
  • the smallest dimension of the openings is preferably at most one tenth of the total cross section of the main flow.
  • the number of openings is between 10 1 and 10 6 , preferably between 100 and 1000.
  • the openings leave a total of at least 10% and preferably at most 50% of the cross section of the main flow free.
  • the freely traversed length between these functional elements should nevertheless amount to at least approximately six times the greatest lateral spacing of adjacent outflow openings of the respectively upstream microstructured functional element in order to obtain from Overlay the sub-beams again to produce a sufficiently smooth Kolbeströmungsprofil.
  • the components with microstructured functional elements installed in tubular housings and the pipe sections serving as retention zones are preferably designed as modules with defined lengths according to a predetermined grid dimension. This makes it possible to exchange modules with differentêts ⁇ elements, but the same pitch against each other and to change the order of the modules or the configuration of the reaction system with minimal effort.
  • the user can optionally flexibly set up completely different reaction systems after the end of use, without incurring additional investment costs.
  • a typical pitch for the length of the module is a quarter of the inner diameter of circular cylindrical cross section and the width of square cross section. For modules designed for a flow rate of 1,000 L / h for aqueous reaction media, for example, a pitch of 25 mm is selected.
  • connection of the modules can easily be done via flanges.
  • a particularly cost-effective and flexible solution also consists in the possibility of carrying out the modules only in the form of pipe sections and compressing them after the insertion of sealing elements by means of a clamping system which can extend over the entire length of the tubular reaction system.
  • hydraulic presses can be used, preferably those with pressures below 250 bar.
  • metallic seals can also be used.
  • exchangeable modules are used which, for the fluidic connection with one another, preferably have a maximum of up to three different interfaces and particularly preferably only one uniform interface.
  • the cross-sections through which the reaction medium flows are approximately the same on the inflow and outflow sides of the housings, and the individual tube sections can be smoothly connected to one another without steps or abrupt changes in the cross-sectional shape.
  • the shape of the flow cross-section of the other modules and the interfaces can not be taken over the entire length.
  • This can, for example, relate to photochemical processes if the incident light is already absorbed by the reaction medium over a very short distance.
  • it is necessary to design the reaction space as a thin layer bounded by walls or windows with a correspondingly large surface area.
  • the same applies to fixed-bed catalysts with high flow resistance per unit area flowed through, in which the cross-sectional area must be increased to avoid inadmissible pressure losses.
  • An increase in the cross-sectional area may also be expedient for dwell lines if relatively long residence times or corresponding residence volumes are necessary.
  • transition regions are embodied, for example, in the form of a slender cone. This ensures that there is no separation of the flow from the inner wall of the housing and prevents the formation of dead-water zones, which inevitably form during abrupt changes in the flow cross-section and detrimentally broadening the residence time distribution.
  • the necessary length of such transition regions can be significantly shortened, for example, by the incorporation of plates oriented perpendicularly to the flow and provided with small openings, without the residence time distribution being unduly broadened.
  • the device according to the invention has the advantage of a piston flow with a low residence time distribution within the flow paths between the microstructured functional units.
  • a corresponding mixer for admixing further substances can advantageously be designed such that a plurality of tubes provided with lateral openings or comparable structural elements are arranged as supply lines perpendicularly (transversely) to the flow direction.
  • the leads are arranged in one plane or in several superimposed planes.
  • the substances in question are introduced from the outside into the tubes and fed via the lateral openings of the main stream. As it flows through the mixing zone formed by the tubes, the main flow is split into many parallel, narrow lamellar partial flows, into which the partial streams of the further substances flow laterally, so that rapid and uniform mixing is ensured. It is readily possible to introduce different substances into adjacent tubes.
  • the arrangement can consist of straight tubes aligned in parallel or also of tube layers arranged one above the other, the tubes being offset from one another or being rotated by a certain angle with respect to the tube axes.
  • parallel straight tubes it is of course also possible to use other arrangements, for example geometries in the form of a spiral or a helix.
  • leads with other cross-sectional shapes instead of tubes with a circular cross-section.
  • tubes aligned perpendicular to the flow are installed in the housing through which the reaction mixture flows, which are flowed through by a heat transfer medium or electrically heated.
  • tubes are expediently arranged offset in several directions in the direction of the main flow.
  • Housing cross-sectional area of about 100 cm 2 are advantageously used tubes with an outer diameter in the range of one millimeter, which are arranged at a distance of less than one millimeter.
  • plate-shaped bodies are installed in the housing through which the reaction mixture flows, which are electrically heated or flowed through as a hollow body by a heat transfer medium.
  • Such microplate heat exchangers typically have sub-millimeter plate gaps, and the plates can be easily disassembled and cleaned.
  • heat transfer capacities of a few 10 kW are achieved here as well, given corresponding boundary conditions.
  • micro-heat exchangers described here can be used in a simple manner for catalytic reactions by applying catalytically active layers to the tubes or plates of the micro-heat exchangers.
  • a significant advantage of such catalyst modules is that the temperature of the catalytically active surface can be accurately adjusted. At the same time, it is ensured that the temperature of the reaction mixture can be precisely adjusted by the high heat transfer performance of such arrangements, which has a positive effect on the yield and selectivity of the reaction.
  • catalytically active powder or catalyst pellets are enclosed in the interstices between the tubes or plates of the micro heat exchanger according to the invention and through perforated plates or sieves above and below the tubes or plates and of perforated plates or sieves, heat exchanger tubes or Plates and catalyst material formed assembly is installed in a module housing and flows through the reaction mixture. Preferably, these are installed perpendicular to the main flow direction in the housing of a module or a component.
  • Such an arrangement has the advantage that catalysts can be used without problems as commercially available delivery form as a fixed bed and at sufficiently high flow rates as a fluidized bed.
  • the perforated plates or sieves may, for example, also be corrugated or cone-shaped. It is likewise possible to use appropriately shaped stable sintered bodies of catalytically active material instead of beds of loose powders or pellets.
  • the properties of the catalyst modules described herein can be advantageously combined by introducing catalytically active powders or catalyst pellets into the interstices between the tubes or plates of the micro heat exchangers and trapping them through perforated plates or sieves above and below the tubes or plates.
  • the arrangement of perforated plates or sieves, heat exchanger tubes or plates and catalyst material is installed in a module housing and the reaction mixture flows through it.
  • the flowing process medium is guided in a tubular arrangement so that it is split when flowing through the microtechnical functional elements in a plurality of small streams and these streams are then merged into a total stream, the processes of splitting and merging multiple, preferably at least three times, more preferably at least four to five times be repeated. According to this procedure is characterized by the sequence of parallel small
  • micro-functional functional elements generate a large number of small partial flows and repeatedly repeats them to an overall be merged stream, at a given throughput cost-effective adjustment especially longer residence times is possible.
  • the volumes between the respective components provided with microtechnical functional elements and the total volume of the reaction space are correspondingly increased by dwell lengths in the form of tubular sections, optionally with increased cross-section and in conjunction with a suitably designed transition region, between these components with microstructured functional elements be introduced.
  • the decisive factor for selectivity, conversion and yield is a defined temperature profile in the temporal and spatial sequence of the chemical reaction process.
  • a suitable sequence of components e.g. a sequence of heat exchangers and dwell lines or modules with micro heat exchangers
  • this temperature profile in the flowing reaction mixture along the flow direction can be set in the desired manner. If, for example, the heat produced during the reaction is very high in the case of an exothermic process at the beginning of the reaction, it is initially possible to insert only short pipe sections as dwell lines between individual heat exchanger components or to use the volumes of these components as reaction volumes.
  • the length of the pipe sections serving as retention zones for the residence time can correspondingly be increased and thus an approximately constant temperature profile in the flowing reaction mixture.
  • the devices of the invention and the corresponding methods can be used not only for single-stage, but also for multi-stage reactions.
  • one or more further substances are admixed to the flowing reaction mixture with the aid of a flow-through micromixer and then reacted.
  • Also existing in the flowing reaction mixture substances can be implemented by means of a passage through components provided with catalysts (catalyst modules). After a first reaction in further upstream regions of the reaction system, a subsequent reaction with previously formed reaction products can thus be initiated become.
  • the introduced into the modules catalyst or other functional materials can then be changed or regenerated by cooling or heating in their properties.
  • electromagnetic radiation eg of light or microwaves
  • the components used can be flowed through by the reaction mixture.
  • the modules of the reaction system can therefore be equipped with appropriate sensors with which, for example, the temperature of the reaction medium is measured locally and adjusted to the desired value by changing the temperature and / or the throughput of the heat exchanger medium in the heat exchanger module in the required manner.
  • process analytics for which modules for continuous optical analysis are preferably used, with which, for example, the optical absorption of a specific constituent of the process medium in a specific spectral range is measured. In other cases, the analysis takes place via the removal of samples for which special sampling valves are attached to corresponding modules.
  • Figure 1 Schematic representation of a constructed from modules reaction system for carrying out continuous reactions with high mass flows
  • Figure 2 Schematic representation of the development of the flow profiles when flowing through a module with a plurality of parallel connected mikrotechnischerêtsele ⁇ elements
  • FIG. 3 Insertion of dwell lines with and without perforated plates to increase the reaction volume or the residence time and to set the reaction temperature
  • FIG. 5 Micromixer for feeding further substances into the reaction mixture stream
  • FIG. 6 catalyst modules
  • Figure 7 transition areas for the alignment of the cross-sectional shape of narrow and wide functional areas to the standard cross-sectional shape of adjacent housing
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a reaction system constructed from modular components (modules) 1 for carrying out continuous reactions with high mass flows.
  • modules modules
  • a plurality of parallel connected mikrotechnischerjans ⁇ elements 2 for the implementation of reactions and basic operations of process engineering is installed.
  • the housings 3 of the modules are of tubular design and each have the same flow cross-sectional shapes with respect to the inner wall of the housings.
  • the housings are interconnected by flanges 4 with gaskets (not shown) therebetween.
  • the constituents A and B of the reaction mixture C are first fed via supply lines 5 to a fluid distributor system 6 and introduced into a multiplicity of parallel microtechnical mixing elements 7, with which a multiplicity of uniformly composed substreams c of the reaction mixture are produced Combine total stream C of the reaction mixture.
  • the reaction can take place partially or completely already directly in or after the microtechnical mixing elements or can be introduced into downstream microtechnicalvents ⁇ elements 2a, 2b or 2c.
  • these downstream functional elements can also serve the purpose of causing physical changes in state, for example a change in the temperature in heat exchangers, or be used for subsequent reactions in multi-stage processes.
  • the respective changes of the reaction mixture stream or of the corresponding partial streams are indicated by the letters D and E or d and e, while F represents the product stream discharged from the reaction system.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the development of the flow profiles in the reaction mixture as it flows through a module 1 with a multiplicity of microtransport functional elements 2 connected in parallel.
  • a micro heat exchanger 8 with a bundle of tubes 9 oriented perpendicular to the flow direction is used, for reasons the overview increases the distances between the tubes and the number of tubes, which can be a few hundred, is greatly reduced.
  • the velocity profile V 1 of the reaction mixture flowing towards the tube bundle initially corresponds to that of a piston flow, which has previously formed, as also described below, from the confluence of a multiplicity of small partial flows. As it enters the tube bundle, the velocity between the tubes increases, and when exiting, results in a profile V2 with a variety of high velocity regions.
  • the narrow, lying between the tubes dead water zones act is based on the width of the residence time distribution only to a small extent, since between the areas with high speed due to the small transverse dimensions, a rapid mass transfer by diffusion takes place, which is also mostly supported by a convective mass transfer by secondary flows.
  • a rapid mass transfer by diffusion takes place, which is also mostly supported by a convective mass transfer by secondary flows.
  • the profile V2 goes quickly into the profiles V3 and V4 and then in the profile V5 of a piston flow.
  • Haft ⁇ condition that is, the speed drops on the housing wall in a narrow Grenz ⁇ layer to zero.
  • FIG. 3 makes it clear how the residence time can be inexpensively extended for a given throughput and the temperature in the flowing reaction mixture can be set.
  • pipe sections are inserted as Ver ⁇ legerumblen 10 whose length or volume is given according to the desired residence time. Even with long dwell distances or with the gradual transition to larger diameter, an approximately piston-shaped airfoil can be maintained by inserting plates 11 with a large number of small openings, as already explained above.
  • the temperature profile in the reaction mixture can be adjusted.
  • the provided with microtechnical functional elements 2 modules 1 are each heat exchangers. Due to the high amount of heat of reaction released at the beginning of the reaction, the temperature initially rises correspondingly steeply from a value TQ to the temperature T j , which is lowered again to the temperature T 2 when it passes through the heat exchanger module. Thereafter, there is again an increase to T ⁇ , which is somewhat slower due to slightly lower amount of heat released per unit of track. In the subsequent dwell lines 10, their length is further increased in order to take account of the ever decreasing amount of heat and to keep the temperature within a certain oscillation range. At the end of the running distance, it may then be expedient to lower the temperature in a corresponding heat exchanger strongly to T3 in order to stop the reaction or to prevent undesired secondary reactions.
  • FIG. 4 shows a special, particularly installation-friendly embodiment of the reaction system in which the length of the individual modules 1 corresponds to an integer multiple of a given grid length R.
  • the reaction space is sealed to the outside via sealing rings 12 between the modules.
  • the modules 1 are pressed together via a clamping system, which consists essentially of an upper clamping plate 13 and a lower clamping plate 14 and threaded rods 15.
  • Also incorporated in FIG. 4 are mixer modules 16 in which further connections for feeding in additional substances into the reaction system are provided for carrying out multistage reactions.
  • FIG. 5 shows a special micromixer which can be passed through by the original reaction mixture, more substances in the form of small partial streams g being fed to the reaction mixture stream E for carrying out multistage reactions.
  • the mixer module 16 consists of the housing 3 as well as microtechnical functional elements 2, which are designed as provided with lateral openings 18 tubes 17 which are arranged perpendicular to the main flow direction of the reaction mixture stream E.
  • FIG. 6 shows various embodiments of catalyst modules derived from heat exchanger assemblies.
  • staggered tubes 21 are coated with porous material 22 in whose pores the catalytically active substance is introduced by known methods, for example by an impregnation process.
  • catalyst material 24 is introduced between the plate-shaped hollow bodies 23, which are flowed through by a heat transfer medium or else heated electrically. The typical distances between two hollow bodies are about 1 mm.
  • Above and below the formed from the hollow bodies 23 and catalyst material 24 are provided with openings cover plates 25 are mounted.
  • the catalyst material may be reactivated or, for example, an absorber material may be introduced instead of catalyst material.
  • FIG. 7 shows arrangements with components and modules in which the flow cross sections in the respective functional sections (indicated only schematically), which are provided with microtechnical functional elements, deviate from the cross-sectional shapes of the adjacent components, dwell routes or modules.
  • transition areas are required by which the cross-sectional shape of the functional area is gradually adjusted to the cross-sectional shapes of the immediately adjacent modules, as shown schematically in Figure 7. If the cross-section of a functional region 26 is smaller than the standard cross-section of the housing, the transition takes place in a convergent supply channel 27, which may have a relatively short length, since there is usually no separation of the flow from the channel wall and thus not to dead water zones which would lead to a broadening of the residence time distribution.
  • the divergent discharge channel 28, however, is designed to be substantially longer in order to keep the essential for the detachment angle between the Wendetangente the channel wall and the main flow direction sufficiently small.
  • perforated plates 11 By inserting perforated plates 11, a separation can be suppressed and the transition of the housing cross-sections with a shorter divergent discharge channel 29 can be realized.
  • the cross-section of a functional area 30 is greater than the standard cross-section of the housings, then the transition takes place in a divergent supply duct 31 and a convergent discharge duct 32.
  • the divergent supply duct 31 should have a slender shape.
  • the transition can also be realized with a shorter divergent supply channel 33.
  • For functional areas which, for example, have a plate-like shape, that is wider in one direction and narrower in the other direction than the standard cross-section of the housings, corresponding criteria apply to the design of the transition areas.
  • G additionally fed component for multi-stage reactions g additionally fed partial streams for multi-stage reactions

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Prozesse sowie ein entsprechendes Verfahren, mit denen eine enge Verweilzeitverteilung für das Reaktionsmedium erzielt wird und gleichzeitig ein definierter Temperaturverlauf im Reaktionsraum eingestellt werden kann.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Prozesse
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Prozesse sowie ein entsprechendes Verfahren, mit denen eine enge Verweilzeitverteilung für das Reak¬ tionsmedium erzielt wird und gleichzeitig ein definierter Temperaturverlauf im Reaktionsraum eingestellt werden kann.
Chemische Reaktionen lassen sich besonders vorteilhaft mit Hilfe der Mikroreaktionstechnik durchführen, bei der für die Grundoperation der Verfahrenstechnik und die Reaktionen Bauele¬ mente eingesetzt werden, deren kleinste charakteristische Abmessungen typischerweise im Bereich von einigen Mikrometern bis zu wenigen Millimetern liegen. Die kleinsten charakteristischen Abmessungen der Fluidführung liegen dabei bevorzugt unter 1000 μm, besonders bevorzugt unter 500 μm.
Aufgrund der gegenüber den Standardbauteilen der chemischen Verfahrenstechnik kleinen Abmessungen kann man Mischvorgänge extrem beschleunigen und den Wärmetransport in Wärmetauschern drastisch erhöhen, wie beispielsweise in dem Artikel von W. Ehrfeld, V. Hessel und V. Haverkamp: Microreactors, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Edition, Wiley-VCH, 1999, erläutert wird. Im Zusammenspiel mit der üblicherweise kontinuierlichen Betriebsweise mikroreaktionstechnischer Apparate ist es hierdurch möglich, chemische Prozesse auf einer Zeitskala im Millisekunden- bis Sekundenbereich sehr präzise zu kontrollieren. Durch die kleinen Abmessungen wird aber auch der Durchsatz begrenzt, so dass zur Produktion technisch relevanter Mengen gegebenenfalls eine größere Zahl von Mikroreaktionssystemen, die jeweils die entsprechenden verfahrenstechnischen Grundelemente enthalten, parallel geschaltet werden muss (Numbering-up-Prinzip).
Eine wirtschaftlich vorteilhaftere Lösung für die Produktion besteht darin, einfach nur die Zahl der verfahrenstechnisch relevanten Mikrostrukturen zu erhöhen. Dabei wird auf einem ausreichend großen Grundkörper bzw. Substrat eine hohe Zahl von parallel zu betreibenden Mikrostruktur- elementen aufgebaut oder darin eingearbeitet und dieser Grundkörper in ein entsprechend größeres Gehäuse eingebaut (Equaling-up-Prinzip). Dieser Ansatz wird beispielsweise bei einem für hohe Massenströme ausgelegten Mischer verfolgt, bei dem einige zehntausend Mikrostrukturen in eine quadratische Platte mit einer Seitenlänge von etwa 10 cm und einer Dicke von 0,3 mm eingear- beitet sind, die alle Parallel mit den zu mischenden Fluidströmen betrieben werden (DE 202 18 972 Ul). Damit lassen sich mit wässrigen Medien Volumenströme von einigen 1000 L/h bei niedrigen Druckverlusten von wenigen bar erzielen. Bekannt sind auch Mikro- Wärmetauscher, die aus gestapelten, mit vielen Mikrokanälen versehenen und miteinander verschweißten dünnen Platten bestehen. Die Grundgeometrie solcher Wärmetauscher ist annähernd würfelförmig, wobei bei einer Kantenlänge von beispielsweise 3 cm Wärmeübertragungsleistungen im Bereich von 100 kW erzielt werden können (K. Schubert, W. Bier, J. Brandner, M. Fichtner, C. Franz, G. Linder in 2nd International Conference on Microreaction Technology, 9.-12. März 1998, New Orleans, USA, Tropical Conference Preprints, ISBN 0-8169-9945-7, S. 88-95)
Bisher gibt es solche mikroreaktionstechnischen Bauelemente, die für den Betrieb mit hohen Durchflussraten ausgelegt sind, allerdings nur als Einzelkomponenten, die untereinander keine geeigneten fluidischen Schnittstellen aufweisen. So werden die Einzelkomponenten üblicherweise über Flanschverbindungen, häufig sogar mit dazwischen liegenden Verbindungsrohren miteinender verbunden, welche Stöße, abrupte Querschnittsveränderungen oder Umlenkungen enthalten. Ebenso finden sich derartige Formelemente häufig auch in den Strömungsführungen der Ein- und Auslasskanäle der Einzelkomponenten. Diese Formelemente fuhren, wie auch längere laminar (Re « 2300) oder unkontrolliert turbulent (Re » 2300) durchströmte Rohrstücke, zu einer unerwünschten Verbreiterung des Verweilzeitspektrums innerhalb eines Mikroreaktionssystems, d.h. verschiedene Volumenelemente des durch das System fließenden Prozessmediums haben unterschiedliche Aufenthaltszeiten in den einzelnen Volumenelementen des Mikroreaktionssystems, was natürlich den Vorteilen einer guten Prozesskontrolle innerhalb der Mikrostrukturen zuwider läuft. Neben der Verbreiterung des Verweilzeitspektrums erweist sich oft auch die große Verweilzeit in den Verbindungsvolumina zwischen den Mikrostrukturen, innerhalb derer keine Kontrolle der Prozessparameter möglich ist, als nachteilig. Darüber hinaus sind manche' Bauelemente wie der oben genannte Hochleistungs-Mikrowärmetauscher wegen ihrer langen und sehr engen Kanäle bereits selbst nicht optimal für den Einsatz in Mikroreaktionssystemen für hohe Durchsätze geeignet. Zum einen führt hier die praktisch über die gesamte Kanallänge bestehende laminare Strömung zu einer relativ breiten Verweilzeitverteilung, die zudem durch Volumenstrominhomogenitäten zwischen den einzelnen Kanälen verbreitert werden. Solche signifikanten Unterschiede im Volumenstrom zwischen den einzelnen Kanälen eines parallelen Bündels sind aufgrund der natürlichen Fertigungstoleranzen bei den Kanalabmessungen, die sich bei vorgegebenem Druckverlust wiederum in der vierten Potenz auf den jeweiligen Volumenstrom auswirken, praktisch nicht zu vermeiden. Zum anderen sind derartige Bündel langer, enger Kanäle in hohem Maß empfindlich gegenüber Verschmutzungen, da bereits kleine Partikel im Reaktionsmedium diese Kanäle verstopfen können.
Für den Aufbau von Reaktionssystemen, die mit hoher Effizienz im technischen Maßstab kontinu¬ ierlich betrieben werden können, sind also die bisher verfügbaren Bauelemente nur bedingt geeig¬ net. Eine einfache Verschaltung hiermit zu einem aus Mischern, Reaktionsräumen und Wärmetauschern bestehenden Reaktionssystem würde es weder erlauben, einen definierten Verlauf der Reaktionstemperatur im chemischen Umsetzungsprozess vorzugeben noch eine definierte Reaktionszeit einzustellen. Die für die Mikroreaktionstechnik charakteristischen Vorteile der Intensivierung von Wärme- und Stofftransportvorgängen können damit letztlich nicht voll zum Tragen kommen. Nachteilig ist hierbei vor allem der Sachverhalt, dass in einer solchen Verschaltung fluidisch nicht aneinander angepasster Systemkomponenten unterschiedliche Volumenelemente des Prozessmediums unterschiedlich lange im Reaktionsraum verbleiben. Dies hat in der Regel zur Folge, dass für Volumenelemente, die nur vergleichsweise kurz im Reaktionsraum verbleiben, noch keine vollständige chemische Umsetzung erfolgt ist, während in anderen Volumenelementen, die z.B. in Totwasserzonen sehr lange im Reaktionsraum verbleiben, unerwünschte Folgereaktionen auftreten können. Optimale Werte für den Umsatz, die Selektivität und die Ausbeute der Reaktion lassen sich so kaum erreichen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren zu finden, mit denen chemische Umsetzungen im technischen Maßstab unter Nutzung mikroreaktionstechnischer Systemkomponenten so durchgeführt werden können, dass eine enge Verweilzeitverteilung bei einem definierten Temperaturverlauf im Reaktionsraum erreicht werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach dem Anspruch 1 und den darauf rückbezogenen Ansprüchen und ein entsprechendes Verfahren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen in einem kontinu¬ ierlichen Prozess umfasst eine Anordnung von Komponenten der Mikroreaktionstechnik für Reak- tionen und Grundoperationen der Verfahrenstechnik, als Reaktionsräume und/oder zur Prozessanalytik, die für hohe Massenströme ausgelegt sind. Komponenten im Sinne der Erfindung sind für einen Volumenstrom von bevorzugt mehr als 25 l/h bzw. einen Massenstrom von bevorzugt mehr als 25 kg/h, besonders bevorzugt von mehr als 200 l/h bzw. 200 kg/h ausgelegt.
Die vom Verfahrensmedium bzw. dem Reaktionsgemisch durchströmten Komponenten bestehen aus einer Vielzahl mikrotechnischer vorzugsweise gleichartiger und quer zur Hauptströmungsrichtung vorzugsweise äquidistant angeordneter Funktionselemente, die in rohrförrnige Gehäuse eingebaut sind und vorzugsweise parallel durchflössen werden, wobei die Gehäuse untereinander jeweils annähernd gleiche Strömungsquerschnittsformen und insbesondere im Bereich ihrer fluidischen Schnittstellen auch annähernd gleiche Strömungsquerschnitte aufweisen und direkt miteinander verbunden sind. Zwischen den einzelnen Gehäusen gibt es damit keine Verbindungsrohre, außer solchen rohrförmigen Zwischenstücken mit ebenfalls annähernd gleichen Strömungsquerschnittsformen, die gezielt zur Erhöhung der Verweilzeit zwischen mikroreaktionstechnischen Modulen eingebaut sind. Die Querschnittsformen der Gehäuse können dabei kreisförmig, oval rechteckig oder vieleckig mit Abrundungen ausgeführt sein, wobei bei der Festlegung der Form vor allem fertigungstechnische Gesichtspunkte bezüglich der mikrostrukturierten Funktionselemente eine wichtige Rolle spielen. Innerhalb der Komponenten variiert der Strömungsquerschnitt außerhalb der mikrostrukturierten Funktionselemente stetig, wobei bei Verjüngungen Wandwinkel zur Strömungsachse bevorzugt kleiner 40°, bei Aurweitungen bevorzugt kleiner 20°, besonders bevorzugt kleiner 7° gehalten werden.
Durch die Vielzahl der in einem Abschnitt bzw. in einer Komponente oder Modul jeweils parallel geschalteten mikrostrukturierten Funktionselemente (Equaling-up-Prinzip) wird das strömende Reaktionsgemisch beim Durchgang durch eine solche Komponente auf einer relativ kurzen Strecke in eine Vielzahl (zwischen 101 und 106) kleiner Teilströme aufgespalten, die sich unmittelbar nach Durchlaufen der mikrostrukturierten Funktionselemente wieder zu einem Gesamtstrom vereinigen. Da sich die Geschwindigkeitsprofile der Teilströme dabei schnell ausgleichen, stellt sich im Gesamtstrom das Strömungsprofil einer Kolbenströmung (plug flow) ein, das wiederum zu einer engen Verweilzeitverteilung führt. Eben diese Einstellung einer Kolbenströmung innerhalb der Verbindungsstrecken zwischen den mikrostrukturierten Funktionselementen stellt einen wesentlichen konzeptionellen Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
Die Verweilzeitverteilung innerhalb der Teilströme hängt ebenfalls von deren Geschwindigkeitsprofilen ab. Sind die Strömungswege durch die mikrostrukturierten Funktionselemente sehr kurz, kommt es aber nur zur Ausbildung trapezförmiger Anlaufströmungen, die aufgrund der kleinen Abmessungen der Teilströme innerhalb der mikrostrukturierten Funktionselemente auch nur kurze Diffusionswege besitzen. Die zugehörige Verweilzeitverteilung ist deshalb wesentlich enger als im Fall einer ausgebildeten Laminarströmung, die bekanntlich ein parabelförmiges Geschwindigkeitsprofil mit entsprechend unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Volumenelemente am Rand bzw. in der Mitte der Strömung aufweist. Aus diesem Grund wie auch zur Verminderung der Verstopfungsgefahr werden solche mikrostrukturierten Funktionselemente bevorzugt, innerhalb derer die Strömungswege höchstens so lang, besonders bevorzugt maximal halb so lang wie der hydraulische Durchmesser des Strömungsquerschnitts im Gehäuse im Bereich der Mikrostruktur sind.
Da überdies die vom Reaktionsmedium durchströmten Querschnittsformen der Gehäuse annähernd gleich sind und die einzelnen Rohrabschnitte ohne Absätze oder abrupte Änderung der Querschnittsform glatt aneinander anschließen, wird eine Ablösung der Strömung von der Innenwand des Gehäuses vermieden. Damit werden Totwasserzonen mit langen Aufenthaltszeiten für Teile des Reaktionsgemischs, welche die Verweilzeitverteilung verbreitern würden, weitgehend ausgeschlossen. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird also im gesamten Reaktionssystem eine Strömungsverteilung erreicht, die zu weitgehend gleichen Aufenthaltszeiten für alle VoIu- menelemente des Reaktionsgemischs im durchströmten Volumen fuhrt, d.h. insgesamt eine vorteil¬ hafte enge Verweilzeitverteilung für das Reaktionsgemisch gewährleistet.
Auf diese Weise wird ein aus einzelnen Abschnitten bestehendes, rohrförmiges Reaktionssystem mit in Strömungsrichtung aufeinander folgenden, mikrostrukturierten Funktionselementen gebildet, wobei diese Funktionselemente zusammen mit dem jeweiligen Gehäuse Komponenten (Module) des Reaktionssystems bilden. Sieht man von der ersten Komponente des Systems ab, die vorzugsweise als Mischer zur Herstellung des Reaktionsgemischs ausgeführt ist, sind die weiteren Komponenten als Einheiten ausgeführt, die vom Reaktionsgemisch vorzugsweise gerade, d.h. ohne Änderung der Hauptströmungsrichtung am Auslass gegenüber dem Einlass, durchströmt werden. Dabei kann es sich um Komponenten zur Durchführung von Grundoperationen der Verfahrenstechnik, beispielsweise zum Wärmetausch, Zumischen weiterer Substanzen oder Trennen, handeln oder um Reaktionsräume, die beispielsweise heterogene Katalysatoren enthalten. Weitere Komponenten können der Prozessanalytik dienen.
Der Reaktionsraum für die chemische Umsetzung im erfindungsgemäßen Reaktionssystem wird durch das gesamte durchströmte Volumen oder Teile dieses Volumens gebildet, wobei die Länge der Verweilzeit durch die Größe des Volumens und den Volumen- bzw. Massenstrom des Reak¬ tionssystems vorgegeben wird. Je nach geforderter Verweilzeit kann diese durch eine entspre¬ chende Einstellung dieses Stroms oder durch eine Änderung des Volumens vorgegeben werden, wobei es besonders kostengünstig ist, einzelne Rohrabschnitte mit geeigneter Länge zur Einstel- hing dieses Volumens bzw. der Verweilzeit zwischen den mit mikrostrukturierten Funktionselementen versehenen Komponenten als Verweilerstrecken einzufügen. Da in diesen für eine gewisse Laufstrecke, die abhängig von den Strömungsbedingungen einen großen Bruchteil bis zu einigen Vielfachen des hydraulischen Durchmessers des Hauptströmungsquerschnitts lang sein kann, eine Kolbenströmung vorliegt, bleibt innerhalb dieser Rohrabschnitte eine enge Verweilzeitverteilung erhalten.
Bei längeren Verweilerstrecken ist es abhängig von den Strömungsbedingungen (Reynolds-Zahl) zur Aufrechterhaltung bzw. Wiedereinstellung der Kolbenströmung, d.h. zur Unterdrückung eines laminaren Strömungsprofils oder aber einer turbulenten Strömung mit starker Rückvermischung zweckmäßig, in die Rohrabschnitte senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtete Platten einzubauen, die mit einer Vielzahl von Öffnungen oder Kanälen versehen und kostengünstig herzustellen sind. Auch hier wird, wie bereits ausgeführt, das gewünschte Profil einer Kolbenströmung durch Vereinigung zahlreicher kleiner Teilströme realisiert. Auch in diesem Fall beträgt der Abstand zwischen aufeinander folgenden Loch-/Kanalplatten vorzugsweise wenigstens das achtfache des Loch- bzw. Kanalabstands auf der jeweils stromaufwärts gelegenen Platte, höchstens jedoch den dreifachen, bevorzugt den einfachen hydraulischen Durchmesser des Hauptströmungsquerschnitts zwischen den Platten. Die Anordnung kann dabei auch von der bevorzugten Anordnung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung abweichen. Die Platten können ferner auch gewellt, gefaltet oder in anderer Weise mehrdimensional strukturiert sein. Die kleinste Abmessung der Öffnungen ist bevorzugt höchstens ein Zehntel so groß wie der Gesamtquerschnitt des Hauptstromes. Die Anzahl der Öffnungen liegt dabei zwischen 101 und 106, bevorzugt zwischen 100 und 1000. Die Öffnungen lassen insgesamt bevorzugt mindestens 10% und bevorzugt höchstens 50% des Querschnitts der Hauptströmung frei.
Ist aus Gründen der Prozessführung hingegen ein möglichst geringes Verweilvolumen zwischen aufeinander folgenden mikrostrukturierten Funktionselementen erforderlich oder vorteilhaft, so sollte die frei durchströmte Länge zwischen diesen Funktionselementen dennoch wenigstens etwa das Sechsfache des größten lateralen Abstands benachbarter Ausströmöffnungen des jeweils stromaufwärts gelegenen mikrostrukturierten Funktionselements betragen, um aus der Überlagerung der Teilstrahlen wieder ein hinreichend glattes Kolbeströmungsprofil zu erzeugen.
Um mit einer überschaubaren Zahl von Bauelementen den unterschiedlichen Anforderungen ver- schiedenster chemischer Reaktionen zu genügen, sind die Komponenten mit in rohrförmige Gehäuse eingebauten mikrostrukturierten Funktionselementen und die als Verweilerstrecken dienenden Rohrabschnitte vorzugsweise als Module mit definierten Längen gemäß einem vorgege¬ benen Rastermaß ausgeführt. Dadurch ist es möglich, Module mit unterschiedlichen Funktions¬ elementen, aber gleichem Rastermaß gegeneinander auszutauschen und mit minimalem Aufwand die Reihenfolge der Module bzw. die Konfiguration des Reaktionssystems zu verändern. Mit einem Bausatz von Modulen kann der Anwender gegebenenfalls nach Beendigung der Nutzung flexibel völlig andere Reaktionssysteme aufbauen, ohne dass sich zusätzliche Investitionskosten ergeben. Ein typisches Rastermaß für die Baulänge der Module ist ein Viertel des Innendurchmessers bei kreiszylindrischem Querschnitt bzw. der Breite bei quadratischem Querschnitt. Bei Modulen, die für einen Volumenstrom von 1.000 L/h für wässrige Reaktionsmedien ausgelegt sind, wird beispielsweise ein Rastermaß von 25 mm gewählt.
Die Verbindung der Module kann dabei einfach über Flansche erfolgen. Eine besonders kosten¬ günstige und flexible Lösung besteht aber auch in der Möglichkeit, die Module nur in Form von Rohrabschnitten auszuführen und diese nach dem Einfügen von Dichtungselementen mit Hilfe eines Spannsystems, das sich über die gesamte Länge des rohrförmigen Reaktionssystems erstrecken kann, zusammenzupressen. Hierfür können auch hydraulische Pressen verwendet werden, bevorzugt solche mit Drücken unterhalb von 250 bar. Bei ausreichendem Pressdruck können auch metallische Dichtungen eingesetzt werden. Es werden jeweils austauschbare Module eingesetzt, die für die fluidische Verbindung untereinander bevorzugt maximal bis zu drei unterschiedliche Schnittstellen und besonders bevorzugt nur eine einheitliche Schnittstelle aufweisen. Unterschiedliche Schnittstellen oder Querschnitte werden z.B. dann eingesetzt, wenn z.B. durch das Zumischen von weiteren Fluiden oder durch Gasentwicklung der Gesamtvolumenstrom innerhalb eines Moduls deutlich vergrößert wird. Bei konstantem Querschnitt steigt durch einen größeren Volumenstrom naturgemäß die Strömungsgeschwindigkeit, was unerwünscht sein kann und durch einen größeren Querschnitt ausgeglichen werden kann.
Ein wesentliches Kennzeichen jeder einheitlichen Schnittstelle ist es, dass die im Bereich der Schnittstellen aufeinander treffenden Strömungsquerschnitte annähernd gleich, bevorzugt genau gleich sind. Dies ergibt sich auch aus der genannten Forderung, dass die Module ohne Absätze oder abrupte Änderung der Querschnittsform miteinander verbunden sind.
Vorzugsweise sind die vom Reaktionsmedium durchströmten Querschnitte auf der Zuström- und der Abströmseite der Gehäuse annähernd gleich und die einzelnen Rohrabschnitte ohne Absätze oder abrupte Änderung der Querschnittsform glatt aneinander anschließbar.
In einigen Fällen kann aufgrund verschiedener physikalischer, chemischer, strömungstechnischer oder sonstiger Mechanismen bei speziellen Modulen die Form des Strömungsquerschnittes der übrigen Module und der Schnittstellen nicht über die gesamte Länge übernommen werden. Dies kann beispielsweise photochemische Prozesse betreffen, wenn das eingestrahlte Licht bereits auf einer sehr kurzen Strecke vom Reaktionsmedium absorbiert wird. In diesem Fall ist es notwendig, den Reaktionsraum als dünne, von Wänden bzw. Fenstern begrenzte Schicht mit entsprechend großer Flächenausdehnung zu gestalten. Entsprechendes gilt auch für Festbettkatalysatoren mit hohem Strömungswiderstand pro durchströmter Flächeneinheit, bei denen die Querschnittsfläche zur Vermeidung unzulässiger Druckverluste vergrößert werden muss. Eine Vergrößerung der Querschnittsfläche kann auch bei Verweilerstrecken zweckmäßig sein, wenn relativ lange Verweilzeiten bzw. entsprechend Verweilvolumina notwendig sind.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist deshalb vorgesehen, solche Geometrien durch geeignet geformte Übergangsbereiche allmählich an die Querschnittsformen der unmittelbar benachbarten Komponenten bzw. Module anzupassen. Bei einem kreisförmigen Quer- schnitt des Festbettkatalysators sind solche Übergangsbereiche beispielsweise in Form eines schlanken Konus ausgeführt. Dadurch ist gewährleistet, dass es nicht zu einer Ablösung der Strö¬ mung von der Innenwand des Gehäuses kommt und die Ausbildung von Totwasserzonen verhin¬ dert wird, die sich zwangsläufig bei abrupten Änderungen des Strömungsquerschnitts ausbilden und die Verweilzeitverteilung in nachteiliger Weise verbreitern würden. Die notwendige Länge solcher Übergangsbereiche kann z.B. durch den Einbau von senkrecht zur Strömung ausgerichteten und mit kleinen Öffnungen versehenen Platten wesentlich verkürzt werden, ohne dass die Verweilzeitverteilung unzulässig verbreitert wird.
Im Folgenden werden einzelne Komponenten oder Module der erfmdungsgemäßen Vorrichtungen näher beschrieben. Gemeinsam ist diesen Bauteilen, dass diese im Reaktionssystem so durchströmt werden, dass eine Vielzahl kleiner Teilströme in den mit Mikrostrukturen versehenen Bereichen erzeugt werden, wobei sich diese Teilströme anschließend wieder zu einem Hauptstrom vereinigen, der ohne Strömungsablösung an der Gehäusewand geführt wird. Damit hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil einer Kolbenströmung mit geringer Verweilzeitverteilung innerhalb der Strömungswege zwischen den mikrostrukturierten Funktionseinheiten.
Ein entsprechender Mischer für die Zumischung weiterer Substanzen kann vorteilhaft so ausgeführt werden, dass mehrere, mit seitlichen Öffnungen versehene Röhrchen oder vergleichbare Strukturelemente als Zuleitungen senkrecht (quer) zur Strömungsrichtung angeordnet sind. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Zuleitungen in einer Ebene oder in mehreren übereinander liegenden Ebenen angeordnet. Die betreffenden Substanzen werden von außen in die Röhrchen eingeleitet und über die seitlichen Öffnungen dem Hauptstrom zugeführt. Beim Durchströmen der von den Röhrchen gebildeten Mischungszone wird der Hauptstrom in viele parallel verlaufende, schmale lamellenförmige Teilströme aufgespalten, in die seitlich die Teilströme der weiteren Substanzen einströmen, so dass eine schnelle und gleichmäßige Vermischung gewährleistet ist. Dabei ist es ohne weiteres möglich, in benachbarte Röhrchen unterschiedliche Substanzen einzuleiten. Die Anordnung kann aus geraden, parallel ausgerichteten Röhrchen bestehen oder auch aus übereinander angeordneten Röhrchenebenen, wobei die Röhr¬ chen gegeneinander versetzt oder bezüglich der Röhrchenachsen um einen bestimmten Winkel verdreht sind. Neben parallelen geraden Röhrchen können selbstverständlich auch andere Anord¬ nungen, beispielsweise Geometrien in Form einer Spirale oder einer Helix, verwendet werden. Ebenso kann es vorteilhaft sein, anstelle von Röhrchen mit kreisförmigem Querschnitt auch Zuleitungen mit anderen Querschnittsformen einzusetzen.
Als Wärmetauscher bzw. Wärmeüberträger für die erfmdungsgemäßen Vorrichtungen sind gemäß den oben genannten Randbedingungen Anordnungen geeignet, bei denen in das vom Reaktions¬ gemisch durchströmte Gehäuse senkrecht zur Strömung ausgerichtete Röhrchen eingebaut sind, die von einem Wärmeträgermedium durchströmt oder elektrisch beheizt werden. Zur Erhöhung des Wärmeübergangs werden solche Röhrchen in Richtung des Hauptstroms zweckmäßigerweise gegeneinander versetzt in mehreren Ebenen angeordnet. Bei Wärmetauscher-Modulen, die für wässrige Reaktionsmedien und Volumenströme im Bereich von 1000 L/h ausgelegt sind und eine . Gehäusequerschnittsfläche von etwa 100 cm2 besitzen, werden vorteilhaft Röhrchen mit einem Außendurchmesser im Bereich von einem Millimeter eingesetzt, die in einem Abstand von weniger als einem Millimeter angeordnet sind. Solche Hochleistungs-Mikrowärmetauscher erreichen Übertragungsleistungen von einigen 10 kW, weisen geringe Druckverluste auf und sind überdies leicht zu reinigen.
Bei einem anderen Typ eines Hochleistungs-Mikrowärmetauschers werden in das vom Reaktions¬ gemisch durchströmte Gehäuse plattenförmige Körper eingebaut, die elektrisch beheizt oder als Hohlkörper von einem Wärmeträgermedium durchströmt werden. Solche Mikroplattenwärme- tauscher haben typischerweise Plattenabstände im Submillimeterbereich, wobei die Platten einfach demontiert und gereinigt werden können. Wie bei dem oben beschriebenen Mikrorohrbündel- wärmetauscher werden auch hier bei entsprechenden Randbedingungen Wärmeübertragungs¬ leistungen von einigen 10 kW erreicht.
Die hier beschriebenen Mikrowärmetauscher können in einfacher Weise für katalytische Umset¬ zungen genutzt werden, indem katalytisch aktive Schichten auf die Röhrchen oder Platten der Mikrowärmetauscher aufgebracht werden. Ein wesentlicher Vorteil solcher Katalysatormodule besteht darin, dass die Temperatur der katalytisch wirksamen Oberfläche genau eingestellt werden kann. Gleichzeitig ist gewährleistet, dass auch die Temperatur des Reaktionsgemisches durch die hohe Wärmeübertragungsleistung solcher Anordnungen genau eingestellt werden kann, was sich positiv auf Ausbeute und Selektivität der Reaktion auswirkt.
Bei einem weiteren Katalysatormodul werden katalytisch aktive Pulver oder Katalysator-Pellets in die Zwischenräume zwischen den Röhrchen oder Platten der erfindungsgemäßen Mikrowärmetauscher und durch Lochplatten oder Siebe oberhalb und unterhalb der Röhrchen oder Platten eingeschlossen werden und die von Lochplatten bzw. Sieben, Wärmetauscher-Röhrchen bzw. -Platten und Katalysatormaterial gebildete Anordnung in ein Modulgehäuse eingebaut ist und vom Reaktionsgemisch durchströmt. Vorzugsweise sind diese senkrecht zur Hauptströmungsrichtung in das Gehäuse eines Moduls bzw. einer Komponente, eingebaut. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass ohne Probleme Katalysatoren kommerziell üblicher Lieferform als Festbett und bei ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeiten auch als Fließbett eingesetzt werden können. .Zur Erzielung einer ausreichend großen, vom Reaktionsgemisch durchströmten Fläche bzw. zur Reduzierung des Strömungswiderstandes können die Lochplatten oder Siebe beispielsweise auch gewellt oder kegelförmig gestaltet sein. Ebenso ist es möglich, anstelle von Schüttungen aus losen Pulvern oder Pellets entsprechend geformte stabile Sinterkörper aus katalytisch aktivem Material einzusetzen. Die Eigenschaften der hier beschriebenen Katalysatormodule lassen sich in vorteilhafter Weise kombinieren, indem katalytisch aktive Pulver oder Katalysator-Pellets in die Zwischenräume zwischen den Röhrchen oder Platten der Mikrowärmetauscher eingebracht und durch Lochplatten oder Siebe oberhalb und unterhalb der Röhrchen oder Platten eingeschlossen werden. Die von Lochplatten bzw. Sieben, Wärmetauscher-Röhrchen bzw. -Platten und Katalysatormaterial gebil¬ dete Anordnung ist in ein Modulgehäuse eingebaut und wird vom Reaktionsgemisch durchströmt.
Überdies ist es möglich, in solche Anordnungen anstelle von Katalysatormaterialien auch Schüt¬ tungen aus anderen Funktionsmaterialien einzubringen, mit denen spezielle Substanzen, beispiels¬ weise durch Absorption oder Adsorption, aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden können.
Die Möglichkeiten zum gezielten Kühlen oder Aufheizen solcher Funktionsmaterialien können vorteilhaft in der Weise genutzt werden, dass durch Kühlen die Absorptions- bzw. Adsorptions¬ effekte verstärkt werden können, während durch Aufheizen die festgehaltenen Substanzen wieder freigesetzt und die Absorptions- bzw. Adsorptionsmaterialien wieder regeneriert werden können. Eine entsprechende Regeneration bzw. Aktivierung kann selbstverständlich auch mit Katalysator- materialien erfolgen, wobei gegebenenfalls das Reaktionsgemisch für diesen Zweck durch ein geeignetes Regenerationsmedium ersetzt werden kann.
Im Folgenden werden erfindungsgemäße Verfahren, die unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtungen durchgeführt werden, sowie die zugrunde liegenden Überlegungen näher erläutert.
Dem Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen in einem kontinuierlichen Prozess unter Verwendung einer Anordnung von für hohe Massenströme ausgelegten Elementen der Mikroreak- tionstechnik für Reaktionen und Grundoperationen der Verfahrenstechnik liegt also folgender
Gedanke zugrunde: Das strömende Verfahrensmedium wird in einer rohrförmigen Anordnung so geführt, dass es beim Durchströmen der mikrotechnischen Funktionselemente in eine Vielzahl von kleinen Teilströmen aufgespalten wird und diese Teilströme anschließend zu einem Gesamtstrom zusammengeführt werden, wobei die Vorgänge des Aufspaltens und Zusammenführens mehrfach, vorzugsweise mindestens dreimal, besonders bevorzugt mindestens vier- bis fünfmal wiederholt werden. Gemäß diesem Verfahrensablauf wird durch die Abfolge von parallelen kleinen
Teilströmen mit kurzen Diffusionslängen und die Ausbildung kolbenförmiger Strömungsprofϊle bei der Vereinigung der Teilströme insgesamt eine Strömungsverteilung im Reaktionssystem erzielt, bei der die einzelnen Volumenelemente des Reaktionsgemischs annähernd gleich lange im
Reaktionssystem verbleiben, also eine enge Verweilzeitverteilung erreicht wird.
In einer Weiterbildung des Verfahrens, bei dem mit mikrotechnischen Funktionselementen eine Vielzahl von kleinen Teilströmen erzeugt wird und diese mehrfach wiederholt zu einem Gesamt- strom zusammengeführt werden, ist bei vorgegebenem Durchsatz eine kostengünstige Einstellung vor allem längerer Verweilzeiten möglich. Zu diesem Zweck werden die Volumina zwischen den betreffenden, mit mikrotechnischen Funktionselementen versehenen Komponenten bzw. das Gesamtvolumen des Reaktionsraums entsprechend erhöht, indem Verweilerstrecken in Form von Rohrabschnitten, gegebenenfalls mit vergrößertem Querschnitt und in Verbindung mit einem geeignet gestalteten Übergangsbereich, zwischen diese Komponenten mit mikrostrukturierten Funktionselementen eingebracht werden.
Entscheidend für Selektivität, Umsatz und Ausbeute ist bei vielen Reaktionen ein definierter Tem¬ peraturverlauf im zeitlichen und räumlichen Ablauf des chemischen Umsetzungsprozesses. Durch eine geeignete Folge von Komponenten, wie z.B. einer Abfolge von Wärmetauschern und Verweilerstrecken bzw. Modulen mit MikroWärmetauschern kann dieser Temperaturverlauf im strömenden Reaktionsgemisch entlang der Strömungsrichtung in gewünschter Weise eingestellt werden. Ist beispielsweise die bei der Reaktion entstehende Wärme bei einem exothermen Prozess am Beginn der Reaktion sehr hoch, so kann man hier zunächst nur kurze Rohrabschnitte als Verweilerstrecken zwischen einzelne Wärmetauscher-Komponenten einfügen bzw. die Volumina dieser Komponenten als Reaktionsvolumina nutzen. Weiter stromabwärts, wenn bereits ein entsprechender Teil des Reaktionsgemisches umgesetzt ist und die lokale Entstehung von Reaktionswärme entsprechend geringer wird, kann man die für die Verweilzeit erforderliche Länge der als Verweilerstrecken dienenden Rohrabschnitte entsprechend vergrößern und so zu einem annähernd konstanten Temperaturverlauf im strömenden Reaktionsgemisch kommen.
Dieser Sachverhalt gilt entsprechend auch für endotherme Reaktionen, bei denen im Reaktionsge¬ misch Wärme verbraucht wird und eine Wärmezufuhr zur Einstellung der Reaktionstemperatur erforderlich ist. Die hier beschriebene Möglichkeit zur Einstellung des Temperaturverlaufs entlang der Hauptströmungsrichtung ist natürlich nicht nur zur Erzielung einer konstanten Temperatur geeignet, sondern es können auch andere Temperaturverläufe,- beispielsweise mit einer Erhöhung oder Absenkung der Temperatur am Anfang oder Ende der Reaktion realisiert werden.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und die entsprechenden Verfahren können nicht nur für einstufige, sondern auch für mehrstufige Reaktionen eingesetzt werden. In diesem Fall werden beispielsweise dem strömenden Reaktionsgemisch eine oder mehrere weitere Substanzen mit Hilfe eines durchströmbaren Mikromischers zugemischt und anschließend umgesetzt.
Auch bereits im strömenden Reaktionsgemisch vorhandene Substanzen können mittels einer Durchleitung durch mit Katalysatoren versehene Komponenten (Katalysator-Module) umgesetzt werden. Nach einer ersten Reaktion in weiter stromaufwärts liegenden Bereichen des Reaktions¬ systems kann so eine Folgereaktion mit bereits vorher gebildeten Reaktionsprodukten eingeleitet werden. Die in die Module eingebrachten Katalysator- oder anderen Funktionsmaterialien können dann durch Kühlen oder Aufheizen in ihren Eigenschaften verändert oder regeneriert werden.
Weiterhin ist es möglich, eine Folgereaktion durch eine zusätzliche Energiezufuhr in das strömende Reaktionsgemisch bzw. in den bereits gebildeten Reaktionsprodukten einzuleiten.
Dies kann beispielsweise durch eine Temperaturerhöhung in einer mit Heizelementen versehenen Komponente erfolgen oder mit Komponenten, welche beispielsweise die Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung (z. B. von Licht oder Mikrowellen), die Einwirkung von Ultraschall, das Durchleiten von elektrischem Strom oder die Anregung eines Plasmas bewirken. Wesentlich ist dabei, dass die eingesetzten Komponenten vom Reaktionsgemisch durchströmt werden können.
Von besonderer Bedeutung für die effiziente Durchfuhrung kontinuierlicher Reaktionsprozesse ist die Überwachung, Steuerung und Regelung des Prozesses. Die Module des Reaktionssystems können deshalb mit entsprechenden Sensoren ausgerüstet werden, mit denen beispielsweise lokal die Temperatur des Reaktionsmediums gemessen und auf den Sollwert eingeregelt wird, indem die Temperatur und/oder der Durchsatz des Wärmetauschermediums im Wärmetauscher-Modul in der erforderlichen Weise verändert werden. Wichtig ist weiter die Prozessanalytik, für die bevorzugt Module für eine kontinuierliche optische Analyse eingesetzt werden, mit denen beispielsweise die optische Absorption eines speziellen Bestandteils des Prozessmediums in einem bestimmten Spektralbereich gemessen wird. In anderen Fällen erfolgt die Analyse über die Entnahme von Pro¬ ben, für die spezielle Probenahmeventile an entsprechenden Modulen angebracht sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Nach¬ folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1: Schematische Darstellung eines aus Modulen aufgebauten Reaktionssystems für die Durchführung kontinuierlicher Reaktionen mit hohen Massenströmen
Figur 2: Schematische Darstellung der Entwicklung der Strömungsprofile beim Durchströmen eines Moduls mit einer Vielzahl parallel geschalteter mikrotechnischer Funktionsele¬ mente
Figur 3: Einfügung von Verweilerstrecken mit und ohne Lochplatten zur Erhöhung des Reak¬ tionsvolumens bzw. der Verweilzeit und zur Einstellung der Reaktionstemperatur
Figur 4: Modularer Aufbau mit Spannsystem Figur 5: Mikromischer zur Einspeisung weiterer Substanzen in den Reaktionsgemischstrom
Figur 6: Katalysatormodule
Figur 7: Übergangsbereiche zur Angleichung der Querschnittsform von schmalen und breiten Funktionsbereichen an die Normquerschnittsform benachbarter Gehäuse
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines aus modularen Komponenten (Modulen) 1 auf¬ gebauten Reaktionssystems für die Durchführung kontinuierlicher Reaktionen mit hohen Massen¬ strömen. In die Module • 1 ist eine Vielzahl parallel geschalteter mikrotechnischer Funktions¬ elemente 2 für die Durchführung von Reaktionen und Grundoperationen der Verfahrenstechnik eingebaut. Die Gehäuse 3 der Module sind rohrförmig gestaltet und weisen jeweils gleiche Strö- mungsquerschnittsformen, bezogen auf die Innenwand der Gehäuse, auf. Die Gehäuse sind über Flansche 4 mit dazwischen liegenden Dichtungen (nicht dargestellt) miteinander verbunden. Die Bestandteile A und B des Reaktionsgemischs C werden über Zuleitungen 5 zunächst einem Fluid- verteilersystem 6 zugeführt und von diesem in eine Vielzahl parallel betriebener, mikrotechnischer Mischelemente 7 eingeleitet, mit denen eine Vielzahl einheitlich zusammengesetzter Teilströme c des Reaktionsgemisches erzeugt wird, die sich zu einem Gesamtstrom C des Reaktionsgemisches vereinigen. Die Reaktion kann teilweise oder vollständig bereits unmittelbar in oder nach den mikrotechnischen Mischelementen erfolgen oder in nachgeschaltete mikrotechnische Funktions¬ elemente 2a, 2b oder 2c eingeleitet werden. Diese nachgeschalteten Funktionselemente können aber auch dem Zweck dienen, physikalische Zustandsänderungen, beispielsweise eine Änderung der Temperatur in Wärmetauschern, zu bewirken oder für Folgereaktionen bei mehrstufigen Pro¬ zessen genutzt werden. Die jeweiligen Veränderungen des Reaktionsgemischstroms bzw. der ent¬ sprechenden Teilströme sind durch die Buchstaben D und E bzw. d und e gekennzeichnet, während F den aus dem Reaktionssystem abgeführten Produktstrom darstellt.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Entwicklung der Strömungsprofile im Reaktions- gemisch beim Durchströmen eines Moduls 1 mit einer Vielzahl parallel geschalteter mikrotech¬ nischer Funktionselemente 2. Als Beispiel wird ein Mikrowärmetauscher 8 mit einem Bündel senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichteter Röhrchen 9 herangezogen, wobei aus Gründen der Übersicht die Abstände zwischen den Röhrchen vergrößert und die Zahl der Röhrchen, die bei einigen hundert liegen kann, stark reduziert ist. Das Geschwindigkeitsprofil Vl des auf das Rohr- bündel zuströmenden Reaktionsgemischs entspricht zunächst dem einer Kolbenströmung, die sich bereits vorher, wie auch nachfolgend beschrieben, aus dem Zusammenlauf einer Vielzahl kleiner Teilströme gebildet hat. Beim Eintritt in das Röhrchenbündel steigt die Geschwindigkeit zwischen den Röhrchen an und beim Austritt ergibt sich ein Profil V2 mit einer Vielzahl von Bereichen hoher Geschwindigkeit. Die schmalen, zwischen den Röhrchen liegenden Totwasserzonen wirken sich auf die Breite der Verweilzeitverteilung nur in geringem Maß aus, da zwischen den Bereichen mit hoher Geschwindigkeit aufgrund der kleinen Querabmessungen ein schneller Stoffaustausch durch Diffusion erfolgt, der überdies meist noch über einen konvektiven Stofftransport durch Sekundärströmungen unterstützt wird. Durch viskosen und gegebenenfalls auch durch Turbulenz bewirkten Geschwindigkeitsausgleich geht das Profil V2 schnell in die Profile V3 und V4 über und dann in das Profil V5 einer Kolbenströmung. Für diese gilt natürlich die so genannte Haft¬ bedingung, das heißt, die Geschwindigkeit fällt an der Gehäusewand in einer schmalen Grenz¬ schicht auf Null ab.
Figur 3 macht deutlich, wie die Verweilzeit bei vorgegebenem Durchsatz kostengünstig verlängert und die Temperatur im strömenden Reaktionsgemisch eingestellt werden kann. Zwischen den mit mikrotechnischen Funktionselementen 2 versehenen Modulen 1 sind Rohrabschnitte als Ver¬ weilerstrecken 10 eingefügt, deren Länge bzw. Volumen entsprechend der gewünschten Verweil¬ zeit vorgegeben wird. Auch bei langen Verweilerstrecken oder beim allmählichen Übergang zu größerem Durchmesser kann ein annähernd kolbenförmiges Strömungsprofil durch das Einfügen von Platten 11 mit einer großen Zahl von kleinen Öffnungen aufrecht erhalten werden, wie bereits oben erläutert wurde.
Über die Länge der Reaktionsstrecke s kann überdies der Temperaturverlauf im Reaktionsgemisch eingeregelt werden. Die mit mikrotechnischen Funktionselementen 2 versehenen Module 1 sind dabei jeweils Wärmetauscher. Aufgrund der am Beginn der Reaktion freigesetzten hohen Menge an Reaktionswärme steigt zunächst die Temperatur entsprechend steil von einem Wert TQ auf die Temperatur Tj an, die beim Durchlaufen durch das Wärmetauschermodul wieder auf die Tempe¬ ratur T2 abgesenkt wird. Danach kommt es wieder zu einem Anstieg auf T^, der wegen etwas geringeren pro Streckeneinheit freigesetzten Wärmemenge etwas langsamer erfolgt. In den nach¬ folgenden Verweilerstrecken 10 wird deren Länge weiter vergrößert, um der immer geringer wer- denden Wärmemenge Rechnung zu tragen und die Temperatur innerhalb einer gewissen Schwan¬ kungsbreite zu halten. Am Ende der Laufstrecke kann es dann zweckmäßig sein, die Temperatur in einem entsprechenden Wärmetauscher stark auf T3 abzusenken, um die Reaktion abzubrechen oder unerwünschte Folgereaktionen zu verhindern.
Figur 4 zeigt eine spezielle, besonders montagefreundliche Ausführungsform des Reaktions- Systems, bei dem die Länge der einzelnen Module 1 einem ganzzahligen Vielfachen einer vorge¬ gebenen Rasterlänge R entspricht. Der Reaktionsraum ist über Dichtungsringe 12 zwischen den Modulen nach außen abgedichtet. Die Module 1 werden über ein Spannsystem zusammengepresst, das im Wesentlichen aus einer oberen Spannplatte 13 und einer unteren Spannplatte 14 sowie mit Gewinden versehenen Stangen 15 besteht. Eingefügt sind in Figur 4 auch Mischermodule 16, bei denen zur Durchführung mehrstufiger Reaktionen weitere Anschlüsse zur Einspeisung zusätzlicher Substanzen in das Reaktionssystem vorgesehen sind.
Figur 5 zeigt einen speziellen Mikromischer, der vom ursprünglichen Reaktionsgemisch durch- strömt werden kann, wobei zur Durchführung mehrstufiger Reaktionen weitere Substanzen in Form kleiner Teilströme g dem Reaktionsgemischstrom E zugeführt werden. Das Mischermodul 16 besteht aus dem Gehäuse 3 sowie mikrotechnischen Funktionselementen 2, die als mit seitlichen Öffnungen 18 versehene Röhrchen 17 ausgeführt sind, die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Reaktionsgemischstroms E angeordnet sind.
Figur 6 zeigt verschiedene Ausführungsformen von Katalysatormodulen, die aus Wärmetauscher- Anordnungen abgeleitet sind. Beim Modul 19 sind gegeneinander versetzt angeordnete Röhrchen 21 mit porösem Material 22 beschichtet, in dessen Poren die katalytisch aktive Substanz nach bekannten Methoden, beispielsweise durch einen Tränkprozess, eingebracht ist. Beim Modul 20 (Ausschnitt aus einer quer zur Hauptströmungsrichtung ausgedehnten Struktur) ist zwischen den plattenförmig ausgeführten Hohlkörpern 23, die von einem Wärmeträgermedium durchflössen oder auch elektrisch geheizt werden, Katalysatormaterial 24 eingebracht. Die typischen Abstände zwischen zwei Hohlkörpern liegen bei etwa 1 mm. Oberhalb und unterhalb der aus den Hohlkörpern 23 und Katalysatormaterial 24 gebildeten Anordnung sind mit Öffnungen versehene Abdeckplatten 25 angebracht. In einem anderen Betriebmodus kann das Katalysatormaterial wieder aktiviert werden oder es kann anstelle von Katalysatormaterial beispielsweise ein Absorbermaterial eingebracht werden.
Figur 7 zeigt Anordnungen mit Komponenten und Modulen, bei denen die Strömungsquerschnitte in den jeweiligen Funktionsabschnitten (nur schematisch angedeutet), die mit mikrotechnischen Funktionselementen versehen sind, von den Querschnittsformen der benachbarten Komponenten, Verweilerstrecken oder Module abweichen. In diesem Fall sind Übergangsbereiche erforderlich, durch die die Querschnittsform des Funktionsbereichs allmählich an die Querschnittsformen der unmittelbar benachbarten Module angeglichen wird, wie in Figur 7 schematisch gezeigt wird. Ist der Querschnitt eines Funktionsbereichs 26 kleiner als der Normquerschnitt der Gehäuse, erfolgt der Übergang in einem konvergenten Zuführungskanal 27, der eine relativ kurze Länge besitzen kann, da es hier in der Regel zu keiner Ablösung der Strömung von der Kanalwand und damit nicht zu Totwasserzonen kommt, die zu einer Verbreiterung der Verweilzeitverteilung führen würden. Der divergente Abführungskanal 28 ist hingegen wesentlich länger ausgebildet, um den für die Ablösung wesentlichen Winkel zwischen der Wendetangente der Kanalwand und der Hauptströmungsrichtung ausreichend klein zu halten. Durch Einfügen von Lochplatten 11 kann eine Ablösung unterdrückt und der Übergang der Gehäusequerschnitte mit einem kürzeren divergenten Abführungskanal 29 realisiert werden. Ist der Querschnitt eines Funktionsbereichs 30 größer als der Normquerschnitt der Gehäuse, erfolgt entsprechend der Übergang in einem divergenten Zufuhrungskanal 31 und einem konvergenten Abfuhrungskanal 32. Zur Vermeidung einer Ablösung der Strömung von der Kanalwand sollte der divergente Zufuhrungskanal 31 eine schlanke Form besitzen. Durch Einfügen von Lochplatten 11 kann der Übergang auch mit einem kürzeren divergenten Zufuhrungskanal 33 realisiert werden. Für Funktionsbereiche, die beispielsweise eine plattenförmige Gestalt aufweisen, also in einer Richtung breiter und der anderen Richtung schmaler sind als der Normquerschnitt der Gehäuse, gelten entsprechende Kriterien für die Gestaltung der Übergangsbereiche.
A, B Bestandteile des Reaktionsgemischs vor der Reaktion
C Reaktionsgemischstrom c Teilströme des Reaktionsgemischs
D, E Chemisch oder physikalisch veränderte Reaktionsgemischströme d, e Chemisch oder physikalisch veränderte Teilströme des Reaktionsgemischs F Produktstrom f Teilströme des Produkts
G zusätzlich eingespeister Bestandteil für mehrstufige Reaktionen g zusätzlich eingespeiste Teilströme für mehrstufige Reaktionen
H Temperiermedium R Rasterlänge s Reaktionsstrecke
T Temperatur
V Geschwindigkeitsprofϊle x Breite oder Durchmesser des Rohres 1 Modulare Komponenten (Module) des Reaktionssystems
2 Mikrotechnische Funktionselemente (parallel betrieben)
3 Gehäuse der Module
4 Flansch
5 Zuleitungen für die Bestandteile A und B des Reaktionsgemischs 6 Fluidverteilersystem
7 Mikrotechnische Mischelemente (parallel betrieben)
8 Mikrowärmetauscher
9 Röhrchen des Mikrowärmetauscher
10 Verweilerstrecke 11 Lochplatte
12 Dichtungsring 13 Obere Spannplatte
14 Untere Spannplatte
15 Spannstangen
16 Mischermodul
17 Röhrchen des Mischermoduls
18 Öffnungen
19 Katalysatormodul mit katalytisch beschichteten Röhrchen
20 Katalysatormodul mit temperiertem Katalysatormaterial
21 Röhrchen als Katalysatorträgerstruktur
22 Poröse Beschichtung mit katalytisch aktiver Substand
23 Plattenförmige Hohlkörper
24 Katalysatormaterial
25 Abdeckplatte
26 Funktionsbereich mit engem Strömungsquerschnitt
27 Konvergenter Zuführungskanal
28 Divergenter schlanker Abfuhrungskanal
29 Divergenter kurzer Abfuhrungskanal
30 Funktionsbereich mit breitem Strömungsquerschnitt
31 Divergenter schlanker Zufuhrungskanal
32 Konvergenter Abführungskanal
33 Divergenter kurzer Zufuhrungskanal

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen in einem kontinuierlichen Prozess, bestehend aus einer Anordnung von Komponenten der Mikroreaktionstechnik für chemische Reaktionen und Grundoperationen der Verfahrenstechnik, wobei diese Kompo- nenten für hohe Massenströme ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von, vorzugsweise parallel durchfiossenen, mikrostrukturierten Funktionselementen in rohrformige Gehäuse mit vorzugsweise entlang der Strömungsrichtung annähernd konstanter Strömungsquerschnittsform, eingebaut sind, wobei die Gehäuse der Komponenten jeweils annähernd gleiche Strömungsquerschnitte für den Gesamtstrom des Verfahrensmediums aufweisen und direkt miteinander verbunden sind, so dass ein aus einzelnen Abschnitten bestehendes, rohrförmiges Reaktionssystem mit in Strömungsrichtung aufeinander folgenden mikrotechnischen Funktionselementen gebildet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die mit mikrostrukturierten Funktionselementen versehenen Komponenten Rohrabschnitte mit vorgebbarer Länge zur Einstellung des Volumens bzw. der Verweilzeit als Verweilerstrecken eingebaut sind, in welche in gewissen Abständen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtete Platten mit einer Vielzahl von vorzugsweise annähernd regelmäßig angeordneten Öffnungen oder Kanälen eingebaut sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten und Module, deren Strömungsquerschnitt im Funktionsabschnitt von dem der Querschnittsform der benachbarten Komponenten, Verweilerstrecken oder Module abweicht, mit Über¬ gangsbereichen versehen werden, durch die die Querschnittsform des Funktionsbereichs allmählich an die Querschnittsformen der unmittelbar benachbarten Module angeglichen wird.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptströmungsrichtung des Gesamtstroms am Ausgang jedes Moduls im wesentlichen dieselbe ist wie an dessen Eingang.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Strömungswege der Teilströme innerhalb der mikrostrukturierten
Funktionseinheiten kleiner ist als der hydraulische Durchmesser, vorzugsweise kleiner als der halbe hydraulische Durchmesser des Gesamtströmungsquerschnitts in der Anlaufebene der jeweiligen mikrostrukturierten Funktionseinheiten.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass - mit Ausnahme der Verweilmodulen - das An- und Abströmvolumen jedes einzelnen Moduls kleiner ist als das von den jeweiligen mikrostrukturierten Funktionseinheiten ausgefüllte Volumen.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6> dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils parallel durchströmten mikrotechnischen Funktionseinheiten annähernd gleichmäßig über den stromaufwärts gelegenen Gesamtströmungsquerschnitt verteilt angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Strömungsweg zwischen aufeinander folgenden mikrostrukturierten
Funktionseinheiten und/oder Loch-/Kanalplatten wenigstens dem sechsfachen Abstand der Austrittsöffhungen der jeweils stromaufwärts gelegenen mikrostrukturierten Funktionseinheit und maximal dem größten hydraulischen Durchmesser des Hauptströmungsquerschnitts entlang dieses Strömungswegs entspricht.
9. Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen in einem kontinuierlichen Prozess unter Verwendung einer Anordnung von Elementen der Mikroreaktionstechnik für Reak¬ tionen und Grundoperationen der Verfahrenstechnik, die für hohe Massenströme ausgelegt sind nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das strömende Verfahrensmedium in einer rohrförrnigen Anordnung abwechselnd beim Durchströmen der mikrotechnischen Funktionselemente in eine Vielzahl von kleinen
Teilströmen aufgespalten und diese Teilströme anschließend zu einem Gesamtstrom zusammengeführt werden, wobei die Vorgänge des Aufspaltens und Zusammenführens mehrfach wiederholt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im strömenden Reaktions- gemisch während oder nach Ablauf einer ersten Reaktion beim Durchleiten durch ein weiteres Modul durch Energiezufuhr eine oder mehrere Folgereaktionen ausgelöst werden.
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