DE102012010959B4

DE102012010959B4 - Vorrichtung zur Bereitstellungkonstanter Strömungsverhältnisse vonunterschiedlichen Fluidphasen in Mikrokanalelementen

Info

Publication number: DE102012010959B4
Application number: DE102012010959.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Haase; Tobias Bauer; Rüdiger Lange
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: DE102012010959A1

Abstract

Vorrichtung zur Bereitstellung konstanter Strömungsverhältnisse von mindestens zwei unterschiedlichen Fluidphasen in Mikrokanalelementen mit zellularen Strukturen, umfassendmindestens zwei Mikrokanalelemente (1) mit darin ausgebildeten Kanälen (2), die durchgehend eine gleichbleibende Querschnittsfläche aufweisen und mit einem Kanalverbindungselement (5) bypass-frei verbunden sind, wobei eine Grundplatte mit darin senkrecht an beiden Seiten herausragenden durchgängigen Durchführungen (5.1) in jeweils zwei aneinander grenzende Kanälen (2) von zwei miteinander verbundenen Mikrokanalelementen (1) eingeführt sind und die Mikrokanalelemente dadurch miteinander verbunden sind,ein erstes Fluidreservoir (3), mit mindestens einem Einlass (3.1) und Austrittsöffnungen (3.2), die in eine Richtung ausgerichtet und so angeordnet sind, dass jeweils eine der Austrittsöffnungen (3.2) mit jeweils einer Öffnung eines Kanals (2) eines Mikrokanalelements (1) so verbunden ist, dassdurch einen Einlass (3.1) zugeführtes erstes Fluid durch die Austrittsöffnungen (3.2) in jeden Kanal (2) eines Mikrokanalelements (1) zuführbar ist, undein zweites Fluidreservoir (4) in dem Hohlnadeln (4.2) so angeordnet sind, dass jeweils eine der Hohlnadeln (4.2) entlang der mittleren Längsachse eines Kanals (2) eines Mikrokanalelements (1) in Strömungsrichtung S über eine Länge im Bereich von 1 mm bis 100 mm in einen solchen Kanal (2) eingeführt ist und der Quotient Qaus dem Außendurchmesser jeweils einer Hohlnadel (4.2) und dem Innendurchmesser eines Kanals (2) einen Wert im Bereich von 0,1 ≤ Q< 1 aufweist, wobeiein durch mindestens einen Einlass (4.1) zugeführtes zweites Fluid durch die Hohlnadeln (4.2) in jeden Kanal (2) eines Mikrokanalelements (1) zuführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung konstanter Strömungsverhältnisse von mindestens zwei verschiedenen Fluiden in den zellularen Strukturen von Mikrokanalelementen sowie die Verwendung einer solchen Vorrichtung. Dabei handelt es sich insbesondere um Systeme zur effizienteren Durchführung von chemischen Reaktionsprozessen.
Die Entwicklung der letzten Jahre hat gezeigt, dass Systeme mit einem zellularen Aufbau aus Mikrostrukturen eine bedeutende Rolle bei der Intensivierung von Wärme- und Stofftransportprozessen sowie bei Stoffumwandlungsprozessen, wie beispielsweise chemischen Reaktionsprozessen, spielen. Mit solchen Systemen lassen sich beispielsweise absatzweise betriebene Reaktionsprozesse in effizientere kontinuierliche Prozesse überführen. Als potentielle Anwendungsfelder können unkatalysierte sowie homogen und heterogen katalysierte Reaktionsprozesse genannt werden. So können beispielsweise Hydrierungen, Oxidationen, Dehydrierungen, Nitrierungen und Chlorierungen erfolgen.
Zellulare Strukturen, mit geraden längs der Strömungsrichtung angeordneten Kanälen, die aus der Fachliteratur auch als Wabenkörper, Mikrokanalelemente oder Monolith bekannt sind, können unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen und besitzen Kanalstrukturen mit verschiedensten Oberflächen. Beispielhaft sind Beschichtungen aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Siliziumoxid und Kohlenstoff mit eingelagerten katalytisch aktiven Stoffen wie beispielsweise Palladium, Ruthenium, Platin, Kupfer oder Eisen genannt. Ein einzelner Kanal einer solchen Kanalstruktur kann dabei beliebige Querschnittsformen mit freien hydraulischen Querschnittsflächen im Bereich von 0,2 mm² bis 25 mm² aufweisen. Für chemische Reaktionsprozesse, mit Gas/Flüssig- oder Flüssig/Flüssig-Strömungen, ist die definierte Zugabe von Gas und Flüssigkeit in einen Kanal eines Mikrokanalelements sowie die gleichmäßige radiale und axiale Verteilung der Gase und Flüssigkeiten innerhalb der Kanäle eines Mikrokanalelements ausschlaggebend, um hohe Raum-Zeit-Ausbeuten und Stoffumsetzungsraten erzielen zu können. Da es sich sowohl bei Gasen als auch bei Flüssigkeiten um Fluide handelt, werden diese nachfolgend mit dem Begriff „Fluide“ zusammengefasst.
Die sich zwischen zwei nichtmischbaren Fluiden, ausbildenden charakteristischen Phasengrenzflächen führen im Fluidstrom innerhalb eines Kanals im Fall von Flüssigkeit zur Ausbildung von Flüssigkeitskolben und im Fall von Gas zur Ausbildung von Gasblasen. Solche Gasblasen oder Flüssigkeitskolben werden auch als Fluidkolben bezeichnet, so dass diese Bezeichnung fortan sowohl für Gasblasen als auch für Flüssigkeitskolben verwendet wird. Die charakteristischen Kenngrößen solcher Fluidkolben (Länge, Verhältnis Gasanteil zu Flüssigkeitsanteil) werden maßgeblich durch die Art der Einspeisung der Fluide in die Kanäle bestimmt. Entsprechend wird der Stofftransport maßgeblich durch die Charakteristik der Fluidkolben beeinflusst. Weiterhin werden Parameter wie die mittlere Verweilzeit und die Verweilzeitverteilung der Fluidkolben in den Kanälen der Mikrokanalelemente so beeinflusst, dass die Kontaktfläche der Fluidkolben mit der inneren Oberfläche der Kanäle sowie die Kontaktdauer gesteuert werden kann. Insbesondere bei Anwendungen mit heterogener oder homogener Katalyse (katalytisch aktive Substanzen können auch in einer der Fluidphasen gelöst vorliegen) ist die Einstellung einer engen Verweilzeitverteilung mit geringer Streuung der Länge der Fluidkolben und Streuung der Geschwindigkeit der Fluidkolben gewünscht, da es sonst zur unerwünschten Nebenproduktbildung und zu Selektivitätsverlust kommen kann.
Entsprechend einem Anwendungsfall, bei der eine Verlängerung der durchströmbaren Kanäle gewünscht ist, kann die Anordnung mehrerer Mikrokanalelemente längs der Strömungsrichtung erforderlich sein. Für einen solchen Aufbau aus mehreren aufeinandergestapelten Mikrokanalelementen, ist die störungsfreie Überführung der Strömung von einem Mikrokanalelement zu einem nachfolgenden Mikrokanalelement notwendig, um geforderte Leistungskenndaten, wie beispielsweise Umsatz des Ausgangsstoffs oder Selektivität zum Zielprodukt, zu erreichen.
Bei einem weiteren Anwendungsfall ist es gewünscht eine segmentierte Strömung (Spezialfall: Taylor-Strömung) zu erzeugen, wobei das Strömungsregime durch alternierende Fluidkolben eines ersten und eines zweiten Fluids charakterisiert ist. Dabei kann zwischen der Kanalinnenwand und einem dispersen ersten Fluid ein dünner Film eines kontinuierlichen zweiten Fluid gebildet werden. In Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit können somit durch Reibungseffekte an der Kanalwand Zirkulationsströmungen in den Fluidkolben induziert werden.
Kawakami et al. (Ind. Eng. Chem. Res. 1989, 28, 394 - 400) stellen in ihrer Arbeit mit dem Titel: „Performance of a Honeycomb Monolith Bioreactor in a Gas-Liquid-Solid Three-Phase System“, einen dreiphasigen Monolith-Bioreaktor, der von einem 150 mm langen Monolithblock gebildet ist, vor. Die Einspeisung von Gas in die flüssigkeitsdurchströmten Kanäle eines Monolithen erfolgt durch ein Verteilsystem aus Kapillaren in gestapelte Monolithscheiben mit unterschiedlicher Anzahl von einzelnen Kanälen mit unterschiedlichen Kanalquerschnitten. In Abwärtsströmung besteht dabei die Gefahr, dass die homogene Taylorströmung durch die unterschiedlichen Kanalquerschnitte und die unterschiedliche Anzahl von Kanälen der jeweils durchströmten Monolithscheiben gestört wird. Dadurch wird die homogene Verteilung und gezielte Einstellung der Fluidkolben nicht gewährleistet. Auch in Aufwärtsströmung eignet sich die Anordnung nicht zur Erzeugung einer homogenen Taylor-Strömung.
Bekannte Lösungen zur Verteilung von Fluidphasen (gas/flüssig, flüssig/flüssig) in kanalartigen Strukturen besitzen zwei wesentliche Nachteile. Zum einen kann mit bekannten Phasenverteilern keine homogene Verteilung der beiden Fluidphasen über den gesamten Kanalquerschnitt und der gesamten Kanallänge von Mikrokanalelementen erreicht werden. Folglich lassen sich nicht die maximal möglichen Raum-Zeit-Ausbeuten erreichen. Zum anderen ist es nicht möglich, die Oberfläche der Phasengrenzfläche (z. B. definiert über die Länge der jeweiligen Fluidkolben) optimal an die Bedürfnisse einer chemischen Reaktion anzupassen. Demzufolge sind die Raum-Zeit-Ausbeute, der Umsatz und die erzielbare Selektivität limitiert.
Darüber hinaus erfordert eine Anordnung mehrerer hintereinander angeordneter Mikrokanalelemente eine Überführung der Gas/Flüssig- oder Flüssig/Flüssig-Strömungen von Kanal zu Kanal längs der Strömungsrichtung. Entsprechende Verbindungselemente die diese Aufgabe erfüllen, ohne dass die Strömung beeinflusst wird, sind derzeit nicht bekannt.
So sind von Kawakami u.a. in „Performance of a Honeycomb Monolith Bioreactor in a Gas-Liquid-Solid Three Phase System"; Ind. Eng. Chem. Res.; 1989; 28; S. 394-400; ISSN:0888-5885 Möglichkeiten für einen Massentransfer beschrieben.
EP 2 123 358 A1 betrifft einen Mikrochip und eine Kanalstruktur dafür.
Ein Verfahren zur Bildung gleichförmiger mikrosphärischer Partikel geht aus US 3 933 679 A hervor.
In DE 102 06 083 B4 sind ein Verfahren zum Erzeugen monodisperser Nanotropfen sowie ein mikrofluidischer Reaktor offenbart.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Granulen sind in CH 563 807 A beschrieben.
WO 01/70 400 A1 betrifft multiblock Mikroarrays oder Makroarrays.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur deren Verwendung für die Hochdurchsatz-Probenverarbeitung, -Analyse und -Sammlung gehen aus DE 199 52 764 A1 hervor.
Von J. Frauhammer u.a. sind in „Ein neuartiges Reaktorkonzept für endotherme Hochtemperaturreaktionen"; Chemie-Ingenieur-Technik; 70; (1998); 11; S. 1393-19397 ein auf einem keramischen Monolithen basierendes Reaktorprinzip erläutert.
Eine Diskussion der hydrodynamischen Charakterisierung industriell genutzter Gas-Flüssigkeits-Mikrokanal-Vorrichtungen ist von V. Haverkamp u.a. in „Hydrodynamics and Mixer-Induced Bubble Formatione in Micro Bubble Columns with Single and Multiple-Channesl"; Chem. Eng. Technol.; 29 (2009); S. 1015-1026; DOI: 10.1002/ceat.2006000 180 geführt worden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Bedingungen und Möglichkeiten zu schaffen, um konstante Strömungs- und Verteilungsverhältnisse von mindestens zwei unterschiedlichen Fluidphasen in Mikrokanalelementen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung lassen sich dabei den untergeordneten Ansprüchen entnehmen. Verwendungen sind in Anspruch 6 angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung zunächst allgemein, dann anhand entsprechender Ausführungsbeispiele beschrieben. Einzelne erfindungsgemäße Merkmale, wie sie in den Ausführungsbeispielen beschrieben werden, können dabei unabhängig von anderen einzelnen Merkmalen der Ausführungsbeispiele realisiert werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens zwei Fluidreservoire und mindestens ein Mikrokanalelement mit darin ausgebildeten Kanälen, die durchgehend eine gleichbleibende Querschnittsfläche aufweisen, auf.
An einem ersten Fluidreservoir sind mindestens ein Einlass und mehrere Austrittsöffnungen für ein erstes Fluid (Gas oder Flüssigkeit) vorhanden, wobei die Austrittsöffnungen in eine Richtung ausgerichtet und so angeordnet sind, dass jeweils eine der Austrittsöffnungen mit mindestens jeweils einer Öffnung eines Kanals eines Mikrokanalelements, eine Verbindung bildet. Dabei können die Austrittsöffnungen bevorzugt identische freie Querschnittflächen aufweisen. Jeweils eine der Austrittöffnungen ist mit jeweils einem der Kanäle eines Mikrokanalelements so verbunden, dass durch die Austrittsöffnungen ein durch einen ersten Einlass zugeführtes erstes Fluid, gleichmäßig kontinuierlich oder gepulst, in jeden Kanal des Mikrokanalelements zuführbar ist.
Ein zweites Fluidreservoir weist mindestens einen Einlass und mehrere Hohlnadeln auf, wobei die Hohlnadeln in eine Richtung ausgerichtet sind und/oder parallel angeordnet sein können, so dass zumindest jeweils eine Hohlnadel entlang der mittleren Längsachse eines Kanals eines Mikrokanalelements in Strömungsrichtung des ersten Fluides über eine Länge im Bereich von 1 mm bis 100 mm in einen solchen Kanal eingeführt ist und/oder der Quotient Q₁, der aus dem Außendurchmesser jeweils einer Hohlnadel und dem Innendurchmesser eines Kanals gebildet ist, einen Wert im Bereich von 0,1 ≤ Q₁< 1, bevorzugt 0,9 ≤ Q₁< 1, aufweist.
Dabei wird dem zweiten Fluidreservoir, durch mindestens einen zweiten Einlass, ein zweites Fluid (Gas oder Flüssigkeit) zugeführt, dass durch die Hohlnadeln, gleichmäßig kontinuierlich oder gepulst, in jeden vom ersten Fluid durchströmten Kanal eines Mikrokanalelements zuführbar ist.
Eine Verbindung zwischen mindestens einer Hohlnadel und dem zweiten Reservoir kann so gestaltet sein, dass mindestens eine Hohlnadel verschieb- und/oder austauschbar ist. Eine Hohlnadel kann mit einem zweiten Fluidreservoir auch stoffschlüssig verbunden und fixiert sein. In einer besonderen Ausführungsform kann ein zweites Fluidreservoir mindestens zwei, entlang ihrer mittleren Längsachse angeordnete, aufeinanderfolgende Hohlnadeln aufweisen, die ineinander verschiebbar sind. Durch entsprechende Bewegungsmechanismen der verschiebbaren Nadeln können Phasengrenzflächen der Fluidkolben im Betrieb, dass heißt währenddessen die Kanäle mit Fluid durchströmt werden, verändert werden. Die Verschiebung von zwei entlang ihrer mittleren Längsachse aufeinanderfolgend, jeweils auf einer Grundplatte angeordneten Hohlnadeln kann zum Beispiel durch ein hydraulisches System erfolgen. Dabei kann eine durch eine Hydraulik oder Mechanik bewegliche Grundplatte mit darin in Strömungsrichtung ausgerichteten Hohlnadeln entlang der mittleren Längsachse, von in einer starr angeordneten Grundplatte angeordneten in Strömungsrichtung ausgerichteten Hohlnadeln, so in Strömungsrichtung alternierend bewegt werden, dass Hohlnadeln der beweglichen Grundplatte in die Hohlnadeln der starren Grundplatte eingeschoben werden können.
Die besagten Mikrokanalelemente können eine Kanaldichte von 10 Kanälen bis 1500 Kanälen je cm² aufweisen, durch die Fluid strömen kann, wobei die inneren freien Querschnitte der Kanäle verschiedene Formen mit inneren freien Querschnittsflächen im Bereich von 0,2 mm² bis 25 mm² aufweisen können.
Ist eine Verlängerung der von Fluid durchströmbaren Kanäle erforderlich, so können Mikrokanalelemente in Reihe in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet werden. Solche aufeinanderfolgenden Mikrokanalelemente sollten identische Querschnittsformen und -flächen ihrer Kanäle aufweisen. Erfindungsgemäß sind Mikrokanalelemente mit einem Kanalverbindungselement bypassfrei verbunden. Ein solches Kanalverbindungselement ist als eine Grundplatte mit darin senkrecht an beiden Seiten herausragenden durchgängigen Durchführungen ausgebildet, wobei die Kanalverbindungselemente in jeweils zwei aneinander grenzende, in Strömungsrichtung gegenüberliegende Kanäle der Mikrokanalelemente eingeführt werden, so dass die Mikrokanalelemente miteinander verbunden sind. Dabei kann die Verbindung formschlüssig, beispielsweise durch Presspassung oder stoffschlüssig, beispielsweise durch Löten oder Kleben erfolgen. Die für eine Reaktion nutzbare Kanalgesamtlänge kann somit im Bereich von 0,01 m bis 80 m, bevorzugt 0,1 m bis 80 m, liegen.
Die Innenwände der Kanäle der Mikrokanalelemente können mit mindestens einem Katalysator beschichtet sein und/oder mindestens ein Katalysator kann als Pulver- oder Formkörperschüttung innerhalb der Kanäle eines Mikrokanalelements immobilisiert sein. Ein Katalysator kann aber auch als Fluid oder in suspendierter Form durch die Kanäle eines Mikrokanalelements strömen. Weiterhin kann mindestens ein Katalysator in dem Material, aus dem ein Mikrokanalelement gebildet ist, immobilisiert sein. Ein Mikrokanalelement kann auch aus mindestens einem katalytisch aktiven Material gebildet sein. Auch die Fluidreservoire, die Hohlnadeln und/oder die Durchführungen der Kanalverbindungselemente können katalytisch aktiv ausgeführt sein. Ein Katalysator kann aber auch als Fluid und/oder als Suspension durch die Kanäle eines Mikrokanalelements strömen.
Als Katalysatoren sollen Substanzen bezeichnet werden, die die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Senkung der Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion erhöhen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Demnach sollen auch Enzyme als Katalysatoren verstanden werden, die ein oder mehrere biochemische Reaktionen katalysieren. Ebenso sollen als Katalysatoren jegliche Art von Mikroorganismen verstanden werden, die aufgrund ihres Stoffwechsels/Metabolismus zur Produktion einer bestimmten Substanz technisch eingesetzt werden können.
Bei den Kanalverbindungselementen kann der Wert aus dem Quotient zwischen dem Außendurchmesser der Durchführungen und dem Innendurchmesser des jeweiligen Kanals, bei einer stoffschlüssigen Verbindung < 1 liegen und kann bei einer formschlüssigen Verbindung > 1 liegen. Bei ausreichender Materialbeschaffenheit kann auch eine Presspassung der Durchführungen in die Kanäle der Mikrokanalelemente gewählt werden. Durch eine ausreichend gute Verbindung können Fehlströmungen innerhalb eines jeweiligen Kanals verringert werden. Die Wandstärke der Durchführungen sollte dabei möglichst klein sein, um dadurch resultierende zusätzliche Druckverluste zu minimieren. Die Kanalverbindungselemente können auch gezielt zur Induktion von Pulsationen in den Kanälen genutzt werden. So kann beispielsweise der Quotient Q₂, der aus dem Innendurchmesser einer Durchführung und dem Kanalinnendurchmesser gebildet ist, einen Wert im Bereich von 0,1 ≤ Q₂< 1, bevorzugt 0,1 ≤ Q₂< 0,9 aufweisen, wodurch Beschleunigungseffekte hervorgerufen werden, die zu einer Intensivierung von Stoff- und Wärmeaustauschprozessen führen können.
Solche ersten und zweiten Fluidreservoire, die Hohlnadeln, die Kanalverbindungselemente und die Durchführungen können beispielsweise mit Template-Techniken aus verschieden Materialen, wie beispielsweise aus Metall oder aus Keramik gefertigt werden und können außerdem entsprechend inerte oder reaktive Innenwandbeschichtungen aufweisen. Für solche Innenwandbeschichtungen in den Kanälen, Hohlnadeln und/oder Durchführungen können Schichten aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Kohlenstoff in Verbindung mit eingelagerten katalytisch aktiven Stoffen wie Ruthenium, Palladium, Platin, Kupfer oder Eisen verwendet werden.
Das/die Mikrokanalelement(e) kann/können in verschiedene Raumrichtungen, insbesondere horizontal und vertikal, ausgerichtet werden. In Reihe angeordnete, aufeinanderfolgende Mikrokanalelemente sollten durchgängige Kanäle mit gleichbleibenden Querschnittsflächen aufweisen.
Gasförmige Fluide können den Fluidreservoiren mit Massendurchflussreglern oder Verdichtern zugeführt werden, während für die Zufuhr von flüssigen Fluiden beispielsweise Kolben-, Kreiselpumpen oder dualangesteuerte Doppelkolbenpumpen eingesetzt werden können. Weiterhin kann die Zuführung von flüssigen Fluiden mit pulsationsfreien Pumpen oder mit Pumpen mit gezielt steuerbarer Pulsation erfolgen. Alternativ zu den genannten kontinuierlichen Zuführungen können auch pulsationsartige Zuführungen verwendet werden, die durch die Kopplung von durchflussgeregelten Bauelementen, wie piezoangesteuerten Ventilen oder klassischen mechanischen oder elektrischen Magnetventilen, mit einem unter Überdruck stehendem Fluidreservoir oder durch periodisch arbeitende Fluidfördersysteme wie Einkolbenpumpen bereitgestellt werden.
Bei der Zufuhr von gasförmigen Fluiden in ein Fluidreservoir, können zur Verminderung eines Puffervolumens außerhalb des jeweiligen Fluidreservoirs beziehungsweise.vor dem jeweiligen Fluidreservoir, zusätzliche druckverlusterzeugende Elemente vorhanden sein. In diesem Fall kann durch ein druckverlusterzeugendes Element die Wechselwirkung beim Einströmen eines gasförmigen Fluids in ein Fluidreservoir verringert oder verhindert werden. Druckverlustelemente können Filterelemente, Blenden oder durchströmte Bereiche mit reduziertem Strömungsquerschnitt sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung können mehrere Hohlnadeln in einen Kanal eines Mikrokanalelements eingeführt werden, so dass mehrere Fluide gleichzeitig oder unabhängig voneinander, gepulst und/oder kontinuierlich zugeführt werden können.
Bei einem Verfahren zur Bereitstellung konstanter Strömungsverhältnisse von mindestens zwei Fluidphasen in Mikrokanalelementen mit zellularen Strukturen kann ein erstes Fluid durch mindestens einen Einlass kontinuierlich oder definiert gepulst, in ein erstes Fluidreservoir zugeführt werden.
Von dort wird das erste Fluid gleichmäßig durch die Austrittsöffnungen, kontinuierlich oder gepulst, in jeden Kanal eines Mikrokanalelements in Strömungsrichtung zugeführt, wobei bevorzugt durch die Austrittsöffnungen jeweils der gleiche Volumenstrom des ersten Fluids abgegeben wird. Es sollte durch jede Austrittsöffnung eine identische Strömungsgeschwindigkeit des ersten Fluids eingehalten werden.
Ein zweites Fluid wird durch mindestens einen zweiten Einlass in ein zweites Fluidreservoir kontinuierlich oder definiert gepulst zugeführt. Von dort wird das zweite Fluid gleichmäßig durch die Hohlnadeln, kontinuierlich oder gepulst, direkt in Strömungsrichtung des ersten Fluids, in jeden vom ersten Fluid bereits durchströmten Kanal eines Mikrokanalelements zugeführt, wobei durch jede Hohlnadel, bevorzugt jeweils der gleiche Volumenstrom des zweiten Fluids abgegeben wird. Für das durch jede Hohlnadel geführte zweite Fluid sollte jeweils eine identische Strömungsgeschwindigkeit in jeder Hohlnadel eingehalten werden.
Ein erstes Fluid muss von dem zweiten Fluid verschieden sein, in dem sich die Fluide zum Beispiel in ihrer Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung, stofflichen Zusammensetzung, Benetzbarkeit und/oder der Polarität voneinander unterscheiden.
Die gepulste Zuführung eines ersten Fluids sollte in einen, von einem zweiten Fluid kontinuierlich durchströmten Kanal eines Mikrokanalelements erfolgen.
Dabei kann das gepulste erste Fluid entweder durch die Austrittsöffnungen des ersten Fluidreservoirs zugeführt werden, wenn der kontinuierliche Fluidstrom des zweiten Fluids durch die Hohlnadeln erfolgt oder durch die Hohlnadeln zugeführt werden, wenn der kontinuierliche Fluidstrom des zweiten Fluids durch die Austrittsöffnungen des ersten Fluidreservoirs erfolgt. Es können aber auch das erste und das zweite Fluid gepulst in einen Kanal eines Mikrokanalelements zugeführt werden.
Die kontinuierliche und/oder die gepulste Abführung des ersten und zweiten Fluids sollte so eingestellt werden, dass sich innerhalb eines Kanals eines Mikrokanalelements definierte und kontrollierte Phasengrenzflächen, Oberflächen die miteinander in Kontakt stehen, zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid bilden. Dabei sollte die Pulsation des ersten Fluids bzw. die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Fluids so gewählt werden, dass Fluidkolben mit definierter Länge und geringer Längenschwankung ausgebildet werden.
Durch die Einstellung der Pulsationsrate und der Dauer einer einzelnen Pulsation eines ersten Fluids, können in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Fluids, die Länge und die Verweilzeitverteilung der Fluidkolben des zweiten Fluids beeinflusst werden.
Dabei werden innerhalb der Kanäle der Mikrokanalelemente Fluidkolben mit definierter Länge, definierter Strömungsgeschwindigkeit, definierter Fluidverteilung und definierter Verweilzeitverteilung ausgebildet. Die Strömungsgeschwindigkeit, die Phasenverteilung und die Verweilzeitverteilung der Fluidkolben, des ersten und/oder zweiten Fluids, werden dabei über jeweils die gesamte durchströmbare Kanallänge eines Mikrokanalelements oder von in Reihe angeordneten, aufeinanderfolgenden Mikrokanalelementen konstant gehalten (abgesehen von Änderungen, die durch den Verbrauch im Stoffumwandlungsprozess hervorgerufen werden).
Darüber hinaus können die Parameter: Länge, Strömungsgeschwindigkeit, Fluidverteilung, Phasenverteilung, Verweilzeitverteilung und die Strömungsrichtung von Fluidkolben, unabhängig von der räumlichen Ausrichtung eines Mikrokanalelements und/oder in Reihe angeordneter, aufeinanderfolgender Mikrokanalelemente ohne chemische Reaktion konstant gehalten werden. Dabei sollten die eingestellten Parameter, auch bei einer Veränderung der räumlichen Ausrichtung der Vorrichtung während des Betriebs, konstant gehalten werden. Weiterhin kann die Vorrichtung mit konstanten Parametern in Horizontaldurchströmung und/oder in Vertikaldurchströmung in Auf- und Abwärtsströmung betrieben werden. Eine segmentierte Strömung kann somit für verschiedene Strömungsrichtungen bei unterschiedlichen räumlichen Ausrichtungen der Vorrichtung erzeugt werden.
Bei der innerhalb der Kanäle ablaufenden chemischen Reaktionen werden die in den Fluidkolben vorhandenen Substanzen verbraucht, so dass sich die Länge der Fluidkolben verändern kann.
Die Veränderung der Phasengrenzflächen zwischen zwei Fluiden kann durch die Veränderung des Verhältnisses des Innendurchmessers einer Hohlnadel gegenüber dem Innendurchmesser des jeweiligen Kanals eingestellt werden, indem der Innendurchmesser von Hohlnadeln durch sich entlang der mittleren Längsachse ineinander verschiebbarer Hohlnadeln eingestellt wird. Eine Veränderung der Phasengrenzflächen zwischen zwei Fluiden kann aber auch durch ein alternierendes Bewegungsmuster von sich entlang der mittleren Längsachse ineinander verschiebbarer Hohlnadeln erzeugt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Durchführung von Stoffumwandlungsprozessen und insbesondere zur Durchführung chemischer Reaktionsprozesse von einer Substanz A mit oder in Gegenwart mindestens einer Substanz B und/oder in Gegenwart eines Katalysators Y und/oder in Gegenwart weiterer Substanzen zu mindestens einer Substanz C eingesetzt werden. Dabei wird in jeweils einen Kanal eines Mikrokanalelements und/oder in Reihe angeordneter Mikrokanalelemente, ein erstes Fluid, mit einer darin vorhandenen Substanz A oder ein erstes Fluid, das aus einer Substanz A oder einer Verdünnung der Substanz A gebildet ist, kontinuierlich zugeführt und mindestens ein zweites Fluid, mit einer Pulsationsrate die Bereich von 1 min^-1 bis 1000 s^-1 eingestellt ist, durch Hohlnadeln jeweils gleichmäßig gepulst, in einem vom ersten Fluid durchströmten Kanal eines Mikrokanalelements so zugeführt, dass innerhalb der Kanäle eines Mikrokanalelements Fluidkolben mit definierter Länge (LS, LB), Strömungsgeschwindigkeit, Verweilzeit und Verweilzeitverteilung gebildet werden.
Dabei sollte innerhalb eines Kanals eines Mikrokanalelements eine Temperatur im Bereich von 10 °C bis 1000 °C und ein Druck im Bereich von 0,01 bar bis 500 bar so eingestellt sein, dass möglichst das Optimum für eine Reaktionsfähigkeit der Substanz A mit oder in Gegenwart der Substanz B und/oder in Gegenwart eines Katalysators Y zu mindestens einer Substanz C eingestellt ist.
Die in den Fluidkolben enthaltene Substanz A kann dann mit oder in Gegenwart mindestens einer Substanz B und/oder in Gegenwart weiterer Substanzen und/oder in Gegenwart eines an den Kanalinnenwänden der Mikrokanalelemente beschichteten und/oder in den Kanalinnenwänden der Mikrokanalelemente immobilisierten Katalysator Y und/oder in Gegenwart eines Katalysators Y der als Pulver- oder Formkörperschüttung innerhalb eines Kanals oder in einem der beiden Fluide vorliegt oder als Fluid oder in suspendierter Form in einem Kanal strömt, entlang der Länge eines Kanals reagieren und zu mindestens einer Substanz C umgewandelt werden. Ein Fluid kann dabei auch mit mindestens einer Substanz B gebildet sein. Zudem kann in einem der Fluide mindestens ein Substanz B enthalten sein. Weiterhin kann die Substanz B in oder an den Kanälen eines Mikrokanalelements immobilisiert sein. Dadurch können beliebige Stoffumwandlungsprozesse, bevorzugt chemische, heterogen oder homogen katalysierte Reaktionsprozesse, wie Hydrierungen, Oxidationen, Dehydrierungen, Nitrierungen und Chlorierungen, Acylierungen, Alkylierungen, Carboxylierungen, Halogenierungen, Hydroformulierungen, oder Hydroxylierungen durchgeführt werden.
Mit weiteren besonderen Ausführungsformen der Vorrichtung können Verfahren mit komplexen und mehrstufigen/mehrphasigen Reaktionsprozessen und Reaktionskaskaden durchgeführt werden, indem in Reihe angeordnete, aufeinanderfolgende Mikrokanalelemente eingesetzt werden, die mit verschiedenen Katalysatoren beschichtet und/oder modifiziert sein können.
Die Umsetzung der Erfindung wird im nachfolgenden Ausführungsbeispiel dargestellt.
Es zeigt:

1a/1b: schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Bereitstellung konstanter Strömungsverhältnisse von Fluiden in Mikrokanalelementen mit zellularen Strukturen,
2: eine schematische Schnittdarstellung eines Verbindungselementes mit zwei aufeinanderfolgenden Mikrokanalelementen,
3a/3b/3c: homogene Verteilung von Fluidkolben in einem Mikrokanalelement mit variierten Volumenströmungen.

In der 1a ist ein Schnitt durch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der die Einlässe 3.1 und 4.1 des ersten Fluidreservoirs 3 und die des zweiten Fluidreservoirs 4 senkrecht zur Strömungsrichtung S angeordnet sind. Bei der in der 1b dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Einlässe 3.1 und 4.1 in Richtung der Strömungsrichtung S angeordnet. Dabei sind die beiden Fluidreservoire 3 und 4 jeweils so mit einander verbunden, dass jeweils eine von den vom zweiten Fluidreservoir 4 ausgehenden in Strömungsrichtung S ausgerichteten Hohlnadeln 4.2 durch jeweils eine der im Querschnitt identischen Austrittsöffnungen 3.2 des ersten Fluidreservoirs 3 hindurch, in jeweils einen Kanal 2 eines Mikrokanalelements 1 eingeführt ist. Die Fluidreservoire 3 und 4 sind mit dem Mikrokanalelement 1 gegenüber der Umwelt druck- und fluiddicht verbunden. In jedes der Fluidreservoire 3 und 4 kann gasförmiges oder flüssiges Fluid zugeführt werden.
In der 2 ist eine Schnittdarstellung eines Kanalverbindungselements 5 zur Verbindung von zwei aufeinanderfolgenden Mikrokanalelementen 1 abgebildet. Jeweils eine der senkrecht an beiden Seiten der Grundplatte des Kanalverbindungselements 5 herausragenden Durchführungen 5.1, wird in jeweils zwei gengenüberliegende Kanäle 2 von in Strömungsrichtung S gegenüberliegenden Mikrokanalelementen 1 eingeführt und dadurch miteinander bypassfrei verbunden und fluiddicht abgedichtet.
Die 3a zeigt eine Fluidströmung im Abwärtsstrom mit einem gasförmigen Fluid (Luft), dass über die Hohlnadeln 4.2 des zweiten Fluidreservoirs 4 in 10 parallel angeordnete Kanäle 2 zugeführt wird. Das flüssige Fluid (Wasser) wird durch die Austrittsöffnungen 3.2 des ersten Fluidreservoirs 3 in die Kanäle 2 zugeführt. Der Volumenstrom des gasförmigen Fluids und des flüssigen Fluids beträgt 60 ml/min bei einem Druck von 0,1 MPa und einer Temperatur von 293 K. Dabei werden Fluidkolben des flüssigen Fluids mit einer definierten Länge LS und Fluidkolben des gasförmigen Fluids mit einer definierten Länge LB gebildet.
In der 3b sind Fluidkolben innerhalb eines Kanals 2 mit einem Kanalverbindungselement 5 dargestellt, wobei in den Kanal ein erstes flüssiges Fluid, mit einem Volumenstrom von 3 ml/min (0,05 ml/s) und ein zweites gasförmiges Fluid, mit einem Volumenstrom von 30 ml/min (0,5 ml/s) zugeführt wird. Weiterhin zeigt die 3c Fluidkolben innerhalb eines Kanals 2, wobei für ein erstes flüssiges Fluid, ein Volumenstrom von 1,5 ml/min (0,025 ml/s) und ein Volumenstrom eines zweiten gasförmigen Fluids mit 150 ml/min (2,50 ml/s) eingestellt ist. Mit der Anpassung der Volumenströme des ersten und des zweiten Fluids, werden die Längen und die Verteilungen der Fluidkolben eingestellt und verändert.
Wie den beiden 3b und 3c weiterhin zu entnehmen ist, erfolgt keine Beeinflussung der Länge der Fluidkolben durch das Kanalverbindungselement 5. So entspricht in der 3b, die Länge des Fluidkolbens LSv1 (1,3 mm) des flüssigen Fluids in Strömungsrichtung S vor dem Kanalverbindungselement 5, der Länge des Fluidkolbens LSn1 (1,3 mm) des flüssigen Fluids in Strömungsrichtung S hinter dem Kanalverbindungselement 5. Ebenso ist dies auch der Fall für die Länge der Fluidkolben des gasförmigen Fluids. Dementsprechend entspricht die Länge des Fluidkolbens LBv1 (2,1 mm) vor dem Kanalverbindungselement 5, der Länge des Fluidkolbens LBn1 (2,1 mm) in Strömungsrichtung S hinter dem Kanalverbindungselement 5. Dies ist auch bei geänderten Volumenströmungsverhältnissen der 3c der Fall. Demnach entspricht die Länge des Fluidkolbens LSv2 (0,4 mm) der Länge des Fluidkolbens LSn2 (0,4 mm) und die Länge des Fluidkolbens LBv2 (6,8 mm) der Länge des Fluidkolbens LBn2 (6,8 mm).

Ein weiteres Beispiel zeigt, dass die Länge von Fluidkolben und die Phasengrenzflächen zwischen den beteiligten Fluiden (Phasen), mit der Veränderung der Innendurchmesser der Hohlnadeln 4.2 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eingestellt werden kann. In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Längen von Fluidkolben und die Phasengrenzflächen zwischen den beteiligten Fluiden (Phasen) dargestellt, die bei Veränderung des Kanalinnendurchmessers bei einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit von 0,025 m/s der eingesetzten Fluide erzeugt werden. Bei dem Fluid 1 handelt es sich um Alphamethylstyrol (AMS) und bei dem Fluid 2 um Wasserstoff (H₂). Tabelle 1 (Fluid 1 : AMS Fluid 2: H₂; Druck: 1 MPa; Temperatur: 293 K)

Innendurchmesse r Hohlnadel (4.2)	Fluidkolbe nlänge Fluid 1	Fluidkolben länge Fluid 2	Spezifische Austauchfläche Fluid 1-Kanalwand [m²/m³]	Spezifische Austauchfläche Fluid 2 - Kanalwand [m²/m³]	Spezifische Austauchfläche Fluid 1 - Fluid 2 [m²/m³]
0,18	0,8	1,1	211	3789	276
0,32	1,6	1,7	848	3152	159
0,49	2,1	2,1	1048	2952	125

Nachfolgend wird die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Beispiel der Hydrierung von Alphamethylstyrol (AMS) zu Cumol beschrieben.

Bei diesem Anwendungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Mikrokanalelement 1 mit katalytisch aktiven Kanälen 2, mit einer durchströmbaren Kanallänge von 0,6 m und einer Kanal-Querschnittsfläche von 1 mm² auf. Die Mikrokanalelemente 1 sind mit einer Kombination aus Cordierit und Aluminiumoxid gebildet und mit dem Katalysator Palladium (Y), mit einer Gesamtmasse von 5,5 mg, beschichtet. Bei einer inneren Kanaltemperatur von 343 K und einem Druck von 1 MPa wird das erste Fluid AMS kontinuierlich durch die Austrittsöffnungen 3.2 des ersten Fluidreservoirs 3 in Strömungsrichtung S, in jeweils einen Kanal 2 des Mikrokanalelements 1 zugeführt. Das zweite Fluid Wasserstoff wird durch Hohlnadeln 4.2, aus dem zweiten Fluidreservoir 4 kontinuierlich in jeweils einen vom ersten Fluid durchströmten Kanal 2 zugeführt. In Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit der beiden zugeführten Fluide entsteht eine segmentierte Strömung, bei der bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten der beiden Fluide unterschiedliche Umsatzraten von AMS zu Cumol gemessen werden. In der nachfolgende Tabelle 2 sind die Umsatzraten von AMS zu Cumol bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten der zugeführten Fluide aufgeführt. Tabelle 2

Fluid 1 AMS [m/s]	Fluid 2 H₂ [m/s]	Umsatz AMS [%]
0,094	0,031	5,7
0,150	0,050	6,4
0,025	0,025	24,0
0,063	0,063	13,9
0,100	0,100	9,7
0,150	0,150	8,2
0,003	0,008	60,9
0,013	0,038	49,7
0,031	0,094	30,3
0,050	0,150	18,9

Bezugszeichenliste

(1): Mikrokanalelement
(2): Kanäle
(3): Erstes Fluidreservoir
(3.1): Erster Einlass
(3.2): Austrittsöffnungen
(4): Zweites Fluidreservoir
(4.1): Zweiter Einlass
(4.2): Hohlnadeln
(5): Kanalverbindungselement
(5.1): Durchführungen
S: Strömungsrichtung

Claims

Vorrichtung zur Bereitstellung konstanter Strömungsverhältnisse von mindestens zwei unterschiedlichen Fluidphasen in Mikrokanalelementen mit zellularen Strukturen, umfassend mindestens zwei Mikrokanalelemente (1) mit darin ausgebildeten Kanälen (2), die durchgehend eine gleichbleibende Querschnittsfläche aufweisen und mit einem Kanalverbindungselement (5) bypass-frei verbunden sind, wobei eine Grundplatte mit darin senkrecht an beiden Seiten herausragenden durchgängigen Durchführungen (5.1) in jeweils zwei aneinander grenzende Kanälen (2) von zwei miteinander verbundenen Mikrokanalelementen (1) eingeführt sind und die Mikrokanalelemente dadurch miteinander verbunden sind, ein erstes Fluidreservoir (3), mit mindestens einem Einlass (3.1) und Austrittsöffnungen (3.2), die in eine Richtung ausgerichtet und so angeordnet sind, dass jeweils eine der Austrittsöffnungen (3.2) mit jeweils einer Öffnung eines Kanals (2) eines Mikrokanalelements (1) so verbunden ist, dass durch einen Einlass (3.1) zugeführtes erstes Fluid durch die Austrittsöffnungen (3.2) in jeden Kanal (2) eines Mikrokanalelements (1) zuführbar ist, und ein zweites Fluidreservoir (4) in dem Hohlnadeln (4.2) so angeordnet sind, dass jeweils eine der Hohlnadeln (4.2) entlang der mittleren Längsachse eines Kanals (2) eines Mikrokanalelements (1) in Strömungsrichtung S über eine Länge im Bereich von 1 mm bis 100 mm in einen solchen Kanal (2) eingeführt ist und der Quotient Q₁ aus dem Außendurchmesser jeweils einer Hohlnadel (4.2) und dem Innendurchmesser eines Kanals (2) einen Wert im Bereich von 0,1 ≤ Q₁< 1 aufweist, wobei ein durch mindestens einen Einlass (4.1) zugeführtes zweites Fluid durch die Hohlnadeln (4.2) in jeden Kanal (2) eines Mikrokanalelements (1) zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte durchströmbare Kanallänge einen Wert im Bereich von 0,01 m bis 80 m aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zufuhr von Gas, als eines der beiden Fluide, in ein Fluidreservoir (3 oder 4), zur Verminderung eines Puffervolumens vor dem jeweiligen Fluidreservoir (3 oder 4), zusätzliche druckverlusterzeugende Elemente angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei aufeinanderfolgende Hohlnadeln (4.2), entlang ihrer mittleren Längsachse ineinander verschiebbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlnadeln (4.2) und/oder die Durchführungen (5.1) der Kanalverbindungselemente (5) reaktive Innenwandbeschichtungen aufweisen, die aus einer Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Kohlenstoff in Verbindung mit darin eingelagerten Stoffen wie Ruthenium, Palladium, Platin, Kupfer oder Eisen, ausgewählt sind.
Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 für Stoffumwandlungsprozesse, wie Hydrierungen, Oxidationen, Dehydrierungen, Nitrierungen und Chlorierungen, Acylierungen, Alkylierungen, Carboxylierungen, Halogenierungen, Hydroformulierungen oder Hydroxylierungen.