DE102012206573A1 - Device for performing catalytic reaction, preferably heating wort during brewery, comprises container for accommodating substrate and heating element with a micro-structured surface including catalyst layer, which is coverable by substrate - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Durchführung einer katalytischen Reaktion.The invention relates to a device and a method for carrying out a catalytic reaction.
Die Erwärmung eines Fluides kann effizient durchgeführt werden, wenn die Oberfläche eines mit dem Fluid in Kontakt stehenden Heizelementes ausreichend groß ist, um einen wirtschaftlichen Wärmetransport zu ermöglichen. Zur Vergrößerung der Oberfläche von Wärmeübertragungselementen sind verschiedene Ansätze bekannt. So sind zum Beispiel Vorsprünge beziehungsweise Rippen bekannt, deren maximale Ausdehnung etwa 0,1 mm beträgt. Das Maß der Vergrößerung der Oberfläche durch die mit den Rippen realisierte Aufrauung bewirkt zwar bereits eine Effizienzsteigerung bei der Erwärmung eines Fluides, jedoch werden insbesondere für katalytische Reaktionen hinsichtlich der Energieeffizient sowie des Zeitbedarfs bessere Wärmeübertragungswerte angestrebt.The heating of a fluid can be performed efficiently if the surface of a heating element in contact with the fluid is sufficiently large to allow for efficient heat transfer. To increase the surface area of heat transfer elements, various approaches are known. For example, projections or ribs are known whose maximum extent is about 0.1 mm. Although the degree of enlargement of the surface by the roughening achieved with the ribs already causes an increase in efficiency in the heating of a fluid, better heat transfer values are sought, in particular for catalytic reactions with regard to the energy efficiency and the time required.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Durchführung einer katalytischen Reaktion zur Verfügung zu stellen, mittels denen effizient und zeitsparend Reaktanten erwärmt und/oder zur Reaktion gebracht werden können. The object of the invention is to provide a device and a method for carrying out a catalytic reaction by means of which reactants can be heated and / or reacted in an efficient and time-saving manner.
Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bezeichnete Einrichtung zur Durchführung einer katalytischen Reaktion sowie durch das im Anspruch 9 genannte Verfahren zur Durchführung einer katalytischen Reaktion erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 und 10 bis 14 angegeben. Des Weiteren wird eine Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung einer katalytischen Reaktion gemäß Anspruch 15 zur Verfügung gestellt. The object is achieved by the means described in
Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung zur Durchführung einer katalytischen Reaktion zur Verfügung gestellt, welche einen Behälter zur Aufnahme eines Substrats und wenigstens ein Heizelement einer Heizeinrichtung im Inneren des Behälters umfasst, wobei das Heizelement eine Oberfläche aufweist, die bei ausreichender Befüllung des Behälters mit Substrat von dem Substrat bedeckt oder bedeckbar ist, wobei wenigstens ein Teil der Oberfläche des Heizelementes mikrostrukturiert ist und die Mikrostruktur zumindest gebietsweise mit einer Katalysatorschicht versehen ist.According to the invention, a device for carrying out a catalytic reaction is provided, which comprises a container for receiving a substrate and at least one heating element of a heating device inside the container, wherein the heating element has a surface which, when the container is sufficiently filled with the substrate is covered or coverable, wherein at least a part of the surface of the heating element is microstructured and the microstructure is at least locally provided with a catalyst layer.
Das heißt, dass das Kontaktmaterial grundsätzlich katalytisch wirkt und dass die Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Katalysatorschicht die chemische Reaktion ausreichend unterstützt. Somit wird nicht nur effizient Wärme vom Heizelement auf die Reaktanten übertragen, sondern auch die Katalysatorschicht effizient auf eine erforderliche Temperatur gebracht. This means that the contact material basically acts catalytically and that the temperature distribution on the surface of the catalyst layer sufficiently supports the chemical reaction. Thus, not only is heat efficiently transferred from the heating element to the reactants, but also the catalyst layer is efficiently brought to a required temperature.
Das heißt, dass zur Erwärmung der Reaktanten der Wärmetransport vom Heizelement über die Mikrostruktur und die Katalysatorschicht direkt in den von dem Heizelement kontaktierten Reaktanten erfolgt. Um die relative Oberfläche des Heizelementes zu vergrößern, ist auf dem Element eine Mikrostruktur angeordnet. Damit wird eine wesentlich größere Oberfläche zur Wärmeeinbringung in das Fluid geschaffen, als es mit glattwandigen Heizelementen möglich ist. Durch die vergrößerte Oberfläche ist ein effizienter Wärmetransport vom Heizelement in das Fluid und in die Katalysatorschicht möglich. Das heißt, dass je eingesetzter Energiemenge zur Erwärmung des Heizelements in einer bestimmten Zeiteinheit eine größere Wärmemenge in die Reaktanten und in die Katalysatorschicht einleitbar ist, als es mit herkömmlichen Heizelementen erfolgen kann.That is, to heat the reactants, the heat transfer from the heating element via the microstructure and the catalyst layer takes place directly into the reactant contacted by the heating element. In order to increase the relative surface area of the heating element, a microstructure is arranged on the element. This creates a much larger surface area for heat input into the fluid than is possible with smooth wall heating elements. Due to the enlarged surface, efficient heat transfer from the heating element into the fluid and into the catalyst layer is possible. This means that each amount of energy used to heat the heating element in a given time unit, a larger amount of heat in the reactants and in the catalyst layer can be introduced, as can be done with conventional heating elements.
Durch die von der Mikrostruktur geschaffene große Oberfläche kann die darauf angeordnete Katalysatorschicht sehr dünn sein und trotzdem ein ausreichendes Volumen an Katalysatormaterial zur Verfügung stellen.Due to the large surface area created by the microstructure, the catalyst layer disposed thereon can be very thin and still provide a sufficient volume of catalyst material.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass auf dem Heizelement zumindest bereichsweise Katalysatormaterial neben dem mikrostrukturierten Gebiet angeordnet ist.In addition, it can be provided that catalyst material is arranged at least in regions next to the microstructured region on the heating element.
Die Oberfläche des mikrostrukturierten Gebietes Am ist zur Grundfläche Ag des mikrostrukturierten Gebietes vorzugsweise folgendermaßen dimensioniert:
Das heißt, dass die Grundfläche des Heizelementes durch die Mikrostruktur im Größenordnungsbereich 10 bis 1000 vergrößert ist, wobei vorzugsweise Am ≥ 500...1000 Ag, und insbesondere Am ≥ 800...1000 Ag gilt. This means that the base area of the heating element is enlarged by the microstructure in the order of
Optimale Ergebnisse beim Wärmetransport sowie bei der Umsetzung in der katalytischen Reaktion lassen sich zum Beispiel ab einer Anzahl von wenigstens 100 Mikroelementen je Quadratzentimeter erreichen. Optimal results in the heat transport and in the reaction in the catalytic reaction can be achieved, for example, from a number of at least 100 microelements per square centimeter.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das mikrostrukturierte Gebiet eine Vielzahl von auf einer Grundfläche angeordneten Mikroelementen umfasst, die jeweils zumindest einen Abschnitt mit im Wesentlichen zylindrischer Form aufweisen und eine Länge von 8 µm bis 1000 µm und einen maximalen Durchmesser von 1 µm bis 100 µm haben.Advantageously, it is provided that the microstructured region comprises a multiplicity of microelements arranged on a base surface, which each have at least one section with a substantially cylindrical shape and have a length of 8 μm to 1000 μm and a maximum diameter of 1 μm to 100 μm.
Das heißt, die Mikrostruktur besteht aus zylinderförmigen Härchen, die in großer Zahl halmartig (zum Beispiel in der optischen Anmutung eines Weizenfeldes) auf der Oberfläche angeordnet sind.That is, the microstructure consists of cylindrical hairs, which are arranged in large numbers on the surface in the form of a halo (for example in the optical appearance of a wheat field).
Die Mikroelemente sollten eine Mindesthöhe von 8 μm haben, in dieser Höhe bewirken sie bereits eine effiziente Wärmeübertragung. Ab einer Länge von 10 μm lassen sich die Mikroelemente wirtschaftlich fertigen und bewirken einen erhöhten thermischen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung. Mikroelemente mit einer Länge von bis zu 195 μm sind relativ kostengünstig herstellbar. The microelements should have a minimum height of 8 microns, at this height they already cause an efficient heat transfer. From a length of 10 microns, the microelements can be produced economically and cause an increased thermal efficiency of heat transfer. Microelements with a length of up to 195 microns are relatively inexpensive to produce.
Die Mikroelemente der Mikrostruktur weisen im Wesentlichen eine Stiftform auf, wobei sie senkrecht zur Grundfläche oder auch in einem Winkel von 30° bis 90° zur Grundfläche aus dieser aufragen. Die Stiftform kann insbesondere an dem der Befestigung auf der Grundfläche gegenüber liegenden Ende in der Form variabel ausgestaltet sein. So können die Mikroelemente an diesen Enden Kegel- oder auch Kugelsegmente aufweisen.The microelements of the microstructure essentially have a pin shape, wherein they protrude perpendicular to the base surface or at an angle of 30 ° to 90 ° to the base of this. The pin shape can be designed to be variable in particular at the end opposite the attachment on the base in the form. Thus, the microelements may have conical or spherical segments at these ends.
Alternativ können auch die gesamten Mikroelemente im Wesentlichen Kegel- oder Kugelsegmentformen aufweisen oder sich aus mehreren Kegel- oder Kugelsegmenten zusammensetzen.Alternatively, the entire microelements can also have substantially conical or spherical segment shapes or can be composed of a plurality of conical or spherical segments.
Die geordnete Formation der Mikroelemente sollte aus Fertigungsgründen derart erfolgen, dass zwischen den einzelnen Mikroelementen Abstände bestehen. Das heißt, dass jedes Mikroelement mit einem benachbarten Mikroelement lediglich über die Grundfläche verbunden ist.For reasons of production, the ordered formation of the microelements should be such that there are gaps between the individual microelements. That is, each microelement is connected to an adjacent microelement only over the footprint.
Dabei soll nicht ausgeschlossen sein, dass einige Mikroelemente, begründet durch Fertigungstoleranzen, derart geneigt sind, dass sie sich an ihren Enden berühren.It should not be excluded that some microelements, due to manufacturing tolerances, are inclined so that they touch each other at their ends.
Die Abstände zwischen den Mikroelementen sollten zwischen 0,6 μm und 1000 μm liegen. Dabei ist der Bereich von 0,6 μm bis 10 μm insbesondere bei flüssigen Reaktanten mit geringer Viskosität vorteilhaft. Die Wahl des Abstandes zwischen den Mikroelementen hängt neben der Wärmeleitfähigkeit und der Oberflächenspannung des zu erwärmenden Fluids außerdem vom beabsichtigten technischen Aufwand für das Fertigungsverfahren ab.The distances between the microelements should be between 0.6 μm and 1000 μm. In this case, the range of 0.6 .mu.m to 10 .mu.m is particularly advantageous for liquid reactants with low viscosity. The choice of the distance between the microelements also depends not only on the thermal conductivity and the surface tension of the fluid to be heated from the intended technical effort for the manufacturing process.
Es ist weiterhin fertigungstechnisch und energetisch günstig, wenn die Mikroelemente auf wenigstens einem Grundflächenbereich eine gleiche Länge aufweisen. It is also favorable in terms of manufacturing and energy, if the microelements have an equal length on at least one base area.
Alternativ ist vorgesehen, dass das mikrostrukturierte Gebiet eine Vielzahl von auf einer Grundfläche angeordneten Mikroelementen umfasst, die sich in einer im Wesentlichen parallel zur Grundfläche verlaufenden Ebene schneiden.Alternatively, it is provided that the microstructured region comprises a plurality of microelements arranged on a base surface, which intersect in a plane extending essentially parallel to the base surface.
Das heißt, die Mikrostruktur kann gitterartig (mit der optischen Anmutung eines Jägerzaunes) auf der Grundfläche liegen, wobei die Mikroelemente Wände ausbilden, die sich kreuzen und auf der Grundfläche fest angeordnet sind. That is, the microstructure may be latticed (with the optical appearance of a fighter fence) on the base, the microelements forming walls that intersect and are fixedly disposed on the base.
Vorzugsweise sollte die Mikrostruktur aus dem gleichen Material bestehen wie das Material der Grundfläche. Das heißt, dass die Mikroelemente aus dem Grundmaterial der glatten Oberfläche des Heizelementes bestehen.Preferably, the microstructure should be made of the same material as the material of the base. This means that the microelements consist of the base material of the smooth surface of the heating element.
Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Mikrostruktur auf die Oberfläche des Heizelementes aufgalvanisiert ist. Zu diesem Zweck wird die dem Galvanisierungsprozess auszusetzende Grundfläche mit einer Mikroporen aufweisenden Schicht abgedeckt und als Elektrode in einem galvanischen Bad geschaltet. Metallpartikel werden somit von der Grundfläche angezogen, können sich aber nur im Porenbereich direkt an die Grundfläche anlegen und mit dieser verbinden. Je länger die Grundfläche diesem Prozess ausgesetzt ist, umso höher bauen sich die Mikroelemente in den Poren auf der Grundfläche auf. Zur Erreichung einer bestimmten Mikroelementlänge beziehungsweise -höhe von der Grundfläche ist der Galvanisierungsprozess zeitlich zu begrenzen. Die Porenbeschichtung wird nach dem Galvanisieren wieder von der Grundfläche entfernt.It is advantageously provided that the microstructure is galvanized onto the surface of the heating element. For this purpose, the base area to be exposed to the galvanization process is covered with a microporous layer and connected as an electrode in a galvanic bath. Metal particles are thus attracted to the base surface, but can create only in the pore area directly to the base and connect to this. The longer the footprint is exposed to this process, the higher the microelements build up in the pores on the footprint. To achieve a certain microelement length or height of the base surface of the plating process is limited in time. The pore coating is removed from the base after galvanizing.
Hinsichtlich des Materials des Heizelements beziehungsweise der Grundfläche ist vorgesehen, dass Kupfer, eine Legierung mit wesentlichem Kupferanteil, beschichteter Edelstahl oder eine Zinklegierung verwendet wird. Das Heizelement kann durch ein Rohr und dabei im Wesentlichen zwei- oder dreidimensional ausgebildet sein. Dabei sollte sich das Heizelement bevorzugt in senkrechter Richtung im Behälter erstrecken, um den Wärmetransport in die Reaktanten in unterschiedlichen Höhen zu realisieren, und damit eine Zirkulation des Fluids im Behälter anregen. In einer dreidimensionalen Ausgestaltung des Heizelementes lassen sich die Reaktanten optimal erwärmen. With regard to the material of the heating element or the base surface is provided that copper, an alloy with a significant proportion of copper, coated stainless steel or a zinc alloy is used. The heating element may be formed by a tube and thereby substantially two- or three-dimensional. In this case, the heating element should preferably extend in the vertical direction in the container in order to realize the heat transport into the reactants at different heights, and thus stimulate a circulation of the fluid in the container. In a three-dimensional design of the heating element, the reactants can be optimally heated.
Das Heizelement kann eine Mäander-Form aufweisen. Diese Mäander-Form kann sich zweioder dreidimensional im Innenraum des Behälters erstrecken. Damit wird die Wärme effektiv über größere Bereiche in das Fluid eingebracht, wodurch einer Bildung von ungewollten so genannten Hot-Spots entgegengewirkt wird. Das heißt, dass eine partielle Überhitzung vermieden wird. Auch eine Wendelform des Heizelementes bringt eine gleichartig vorteilhafte Wirkung.The heating element may have a meandering shape. This meandering shape may extend two or three dimensionally in the interior of the container. Thus, the heat is effectively introduced over larger areas in the fluid, whereby a formation of unwanted so-called hot spots is counteracted. This means that partial overheating is avoided. Also, a helical shape of the heating element brings a similar advantageous effect.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, das Heizelement durch eine Behälterwand hindurchzuführen und in diesem Durchgangsbereich durch die Behälterwand thermisch vom Behälter zu isolieren. Damit wird ein Wärmeeintrag in die Behälterwand vom Heizelement verringert bis eliminiert, so dass die durch das Heizelement zur Verfügung gestellte Wärmeenergie ausschließlich in die zu erwärmenden Reaktanten eingebracht wird.In a further preferred embodiment, it is provided to pass the heating element through a container wall and to thermally isolate from the container in this passage region through the container wall. Thus, a heat input into the container wall is reduced from the heating element to eliminated, so that the heat energy provided by the heating element is introduced exclusively into the reactants to be heated.
Vorteilhafterweise ist das Heizelement hohl ausgeführt, so dass es geeignet ist, ein heißes Medium als Wärmeübertragungsmittel hindurchströmen zu lassen.Advantageously, the heating element is hollow, so that it is suitable to allow a hot medium to flow through as a heat transfer medium.
Das Heizelement kann zum Beispiel ein Rohr sein, welches von Wasserdampf oder Öl, insbesondere Silikonöl, durchströmt wird beziehungsweise durchströmbar ist, wobei das heiße Medium zumindest einen Teil seiner Wärmeenergie über das Rohr des Heizelementes und die über die Mikrostruktur und die katalytische Schicht in den zu erhitzenden Reaktanten, wie zum Beispiel Würze oder in ein anderes geeignetes Medium einbringt.The heating element may be, for example, a tube through which water vapor or oil, in particular silicone oil, flows or can be flowed through, the hot medium transferring at least part of its heat energy through the tube of the heating element and via the microstructure and the catalytic layer into the heating reactants, such as wort or in any other suitable medium brings.
Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragungsfähigkeit kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil der Oberfläche des Heizelements von einer glatten Oberfläche abweichende Formelemente aufweist, deren maximale Abmessung wenigstens 5 mm betragen. To further improve the heat transfer capability, it may be provided that at least part of the surface of the heating element has form elements deviating from a smooth surface, the maximum dimensions of which amount to at least 5 mm.
Das heißt, dass das Heizelement zusätzlich zu den Mikrostrukturen mit so genannten Makrostrukturen versehen ist, wobei zumindest bereichsweise das Gebiet der Makrostrukturierung dem Gebiet der Mikrostrukturierung entsprechen kann. Somit kann das Heizelement derart ausgestaltet sein, dass es im makrostrukturierten Gebiet auch mikrostrukturiert ist. This means that the heating element is provided in addition to the microstructures with so-called macrostructures, wherein at least partially the field of macrostructuring can correspond to the field of microstructuring. Thus, the heating element may be configured such that it is also microstructured in the macrostructured area.
Eine solche Makrostruktur kann zum Beispiel durch nach innen oder nach außen gerichtete Beulen gebildet sein. Makrostrukturierte Rohre haben zwar keine wesentlich vergrößerte Oberfläche, sie vergrößern aber aufgrund der Verringerung der Strömungs- und Temperaturgrenzschicht die Wärmeübertragungsmöglichkeit. Das heißt, dass auch makrostrukturierte Wärmeübertragungsrohre zu den genannten vorteilhaften Effekten führen, wenn auch nicht in dem Ausmaß, wie es durch Mikrostrukturierung der Fall ist. Das Katalysatormaterial kann auch auf Makrostruktur angeordnet sein. Such a macrostructure may, for example, be formed by inward or outward bumps. Although macrostructured pipes do not have a significantly increased surface area, they increase the heat transfer capability due to the reduction of the flow and temperature boundary layer. This means that even macrostructured heat transfer tubes lead to the mentioned advantageous effects, although not to the extent that is the case by microstructuring. The catalyst material may also be arranged on a macrostructure.
Das Volumen des Behälters Vb sollte in Bezug zum Volumen des Heizelementes Vh die folgende Bedingung erfüllen:
Dabei ist mit dem Volumen des Heizelementes Vh das Volumen gemeint, welches durch seine Außenwandung einschließlich der Mikro- und/oder Makrostrukturen gebildet ist. In this case, the volume of the heating element Vh means the volume which is formed by its outer wall, including the microstructures and / or macrostructures.
Das heißt, dass die Heizfläche in einem großen Flüssigkeitsvolumen liegt, wodurch vor allem infolge von Dampfbildung Naturumlauf erzeugt wird, der zu starker Vermischung der Flüssigkeit führt.This means that the heating surface is located in a large volume of liquid, whereby natural circulation is generated mainly due to vapor formation, which leads to strong mixing of the liquid.
Bei Reaktionen und/oder Verdampfungsvorgängen, die in einem verglichen mit dem Heizelement großen Volumen realisiert werden, findet eine freie Konvektion in dem Maße statt, wie die Verdampfung gleichmäßig verteilt über die Rohroberfläche erfolgt. Die Mikrostruktur unterstützt die gleichmäßige Verteilung und sorgt zugleich dafür, dass das Volumen der einzelnen Dampfblasen klein ist. Die Dampfblasen bewegen sich relativ langsam, wodurch das gesamte Dampfblasenvolumen groß wird. Letzteres bewirkt eine stärkere Durchmischung des gesamten Fluid-Raumes, als dies im Fall der Bildung großer Dampfblasenvolumen der Fall wäre, da die Ausgleichsbewegung der Flüssigkeit (kommunizierende Stromfäden) vergleichsweise ansteigt. Dieser Effekt führt zu einer quasi idealen Durchmischung des Fluid-Raumes, was für chemische Reaktionen grundsätzlich günstig ist. Dadurch lassen sich nicht nur heterogene katalytische Reaktionen, sondern auch homogene katalytische Reaktionen unterstützen.In reactions and / or vaporizing processes, which are realized in a large volume compared to the heating element, free convection takes place to the extent that the evaporation takes place uniformly distributed over the pipe surface. The microstructure supports the even distribution while ensuring that the volume of the individual vapor bubbles is small. The vapor bubbles are moving relatively slow, making the total vapor bubble volume large. The latter causes a greater mixing of the entire fluid space, as would be the case in the case of the formation of large volumes of vapor bubbles, since the compensating movement of the liquid (communicating flow strands) increases comparatively. This effect leads to a quasi-ideal mixing of the fluid space, which is basically favorable for chemical reactions. This not only supports heterogeneous catalytic reactions but also homogeneous catalytic reactions.
Es wird weiterhin erfindungsgemäß ein Verfahren zur Durchführung einer katalytischen Reaktion zur Verfügung gestellt, bei dem eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung einer katalytischen Reaktion bereitgestellt wird und mittels der Heizeinrichtung über die Mikrostruktur Wärme in ein Substrat übertragen wird, wobei die Katalysatorschicht auf der Mikrostruktur katalytisch wirkt. There is further provided according to the invention a method for carrying out a catalytic reaction, in which a device according to the invention is provided for carrying out a catalytic reaction and heat is transferred into a substrate via the microstructure by means of the heating device, wherein the catalyst layer acts catalytically on the microstructure.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann dabei allerdings auch für die Durchführung nichtkatalytischer Reaktionen eingesetzt werden.However, the device according to the invention can also be used for carrying out non-catalytic reactions.
Die katalytische Reaktion kann homogen katalytisch oder heterogen katalytisch sein. Durch die starke Vermischung infolge von Dampferzeugung werden katalytische Reaktionen unterstützt. The catalytic reaction may be homogeneous catalytically or heterogeneously catalytically. Due to the strong mixing due to steam generation catalytic reactions are supported.
Dabei können die Reaktanten in der flüssigen Phase vorliegen. Das heißt, dass die Reaktionen in der flüssigen Phase stattfinden. The reactants may be present in the liquid phase. This means that the reactions take place in the liquid phase.
Alternativ ist vorgesehen, dass ein Reaktant in der gasförmigen Phase vorliegt. Zum Beispiel können die Reaktanten gasförmig und flüssig sein, um Blasensäulenreaktoren auszubilden. Alternatively, it is provided that a reactant is present in the gaseous phase. For example, the reactants may be gaseous and liquid to form bubble column reactors.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ausführbar, wenn die Wärmeübertragung in einen im Wesentlichen konstanten Volumenstrom der Reaktanten im Behälter erfolgt. Dabei ist ein absolut konstanter Volumenstrom zu bevorzugen. Vorzugsweise wird die Temperatur der Mikrostruktur gezielt gesteuert oder geregelt. Die Oberfläche der Mikrostruktur wird dabei gezielt temperiert, um nach dem Arrheniusansatz optimale Reaktionsgeschwindigkeiten zu erreichen. In particular, the inventive method is advantageously carried out when the heat transfer is carried out in a substantially constant volume flow of the reactants in the container. In this case, an absolutely constant volume flow is to be preferred. Preferably, the temperature of the microstructure is selectively controlled or regulated. The surface of the microstructure is specifically tempered in order to achieve optimum reaction rates according to the Arrhenius approach.
Die Temperierung erfolgt über ein Wärmeübertragungsmedium im Heizelement, das im Nassdampfzustand vorliegen kann (Kondensation oder Verdampfung) oder sich einem Temperaturprogramm entsprechend aufheizt oder abkühlt. The temperature is controlled by a heat transfer medium in the heating element, which may be in the wet steam state (condensation or evaporation) or heats up or cools down according to a temperature program.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Temperatur der Mikrostruktur und der Katalysatorschicht entsprechend den reaktionstechnischen Anforderungen gesteuert oder geregelt wird.In particular, it is provided that the temperature of the microstructure and the catalyst layer is controlled or regulated in accordance with the reaction-technical requirements.
Die Erfindung ergänzend wird außerdem eine Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung einer katalytischen Reaktion zur Erwärmung von Würze in der Bierherstellung zur Verfügung gestellt.The invention additionally provides a use of the device according to the invention for carrying out a catalytic reaction for heating wort in beer production.
Durch die Mikrostruktur am Heizelement lässt sich die Würze effizienter erhitzen und verdampfen. Dazu trägt nicht nur die vergrößerte Oberfläche bei, sondern auch der Umstand, dass aufgrund der Mikrostruktur eine Blasenbildung auf der Grundfläche des Heizelementes erleichtert wird, was eine wesentliche Voraussetzung für ein Verdampfen der Würze und für einen verbesserten Wärmetransport ist. Auch ist es vorteilhaft, dass Verunreinigungen und Schwebestoffe durch die Blasenbildung vom Heizelement weg bewegt werden und ein Anbacken verhindert wird.The microstructure on the heating element makes it possible to heat and evaporate the wort more efficiently. Contributing to this is not only the increased surface area, but also the fact that, due to the microstructure, bubble formation on the base of the heating element is facilitated, which is an essential prerequisite for evaporation of the wort and for improved heat transport. It is also advantageous that impurities and suspended matter are moved away from the heating element due to the formation of bubbles and caking is prevented.
Bei der Eindampfung von Zwei-Phasen-Gemischen, bestehend aus organischen, teilweise löslichen Feststoffen wie zum Beispiel Getreidederivaten und Wasser, unter Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung kommt es zu chemischen Reaktionen des organischen Feststoffes. Dabei geht der Feststoff partiell in Lösung und die gelösten Stoffe bilden Flocken. Die Flockung tritt durch Überschreitung der Sättigungsgrenze der Lösung und durch Polymerisatbildung ein. Im Wesentlichen basiert dieser Effekt auf den Mikrostrukturen auf dem Heizelement. Diese erhöhen den Wärmeübergang um das 10- bis 20Fache im Vergleich zu Heizelementen mit glatter Oberfläche. In the evaporation of two-phase mixtures consisting of organic, partially soluble solids such as cereal derivatives and water, using the device according to the invention, there are chemical reactions of the organic solid. The solid partially dissolves and the dissolved substances form flakes. The flocculation occurs by exceeding the saturation limit of the solution and by polymerisation. In essence, this effect is based on the microstructures on the heating element. These increase the heat transfer by 10 to 20 times compared to smooth surface heating elements.
Daneben wirkt die mittels der Mikrostrukturen realisierte Oberflächenvergrößerung in chemischen Reaktionen, wie zum Beispiel bei einer heterogenen Katalyse oder auch bei einer reinen Verdampfung, unterstützend. Durch die infolge von Mikrostrukturierung vergrößerte Oberfläche kommt es zu erhöhter Wärmeübertragung, die maximal um den Faktor der spezifischen Oberflächenvergrößerung steigt. Im Verdampfungsfall wird die Bildung von Verdampfungskeimen (Mikroblasen) an definierten Stellen der Mikrostruktur unterstützt, wodurch sich die Blasenbildung nicht zufällig, wie es bei einer glatten Oberfläche der Fall ist, einstellt. In addition, the surface enlargement realized by means of the microstructures has a supporting effect in chemical reactions, for example in heterogeneous catalysis or even in pure evaporation. The increased surface area due to microstructuring leads to increased heat transfer, which increases by a factor of at most the specific surface enlargement. In the evaporation case the formation of evaporation nuclei (microbubbles) at defined locations of the microstructure is promoted, whereby bubble formation does not happen by chance, as is the case with a smooth surface.
Bei den erfindungsgemäßen heterogen-katalytischen Reaktionen kommt es zu einer Intensivierung der Reaktion allerdings unter der Voraussetzung, dass das Kontaktmaterial (zwischen der Mikrostruktur und den Reaktanten) grundsätzlich katalytisch wirkt und dass die Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Kontakte die chemische Reaktion ausreichend unterstützt.In the case of the heterogeneous catalytic reactions according to the invention, however, an intensification of the reaction occurs, provided that the contact material (between the microstructure and the reactants) is fundamentally catalytically active and that the temperature distribution on the surface of the contacts sufficiently supports the chemical reaction.
Anhand des folgenden Beispiels soll die Effizienz des sich durch die Mikrostruktur ergebenden Wärmetransports dargestellt werden. Dafür wird einerseits die eingetragene Leistung und andererseits die Verdampfungsrate betrachtet.The following example is intended to illustrate the efficiency of the heat transport resulting from the microstructure. On the one hand, the registered power and, on the other hand, the evaporation rate are considered.
Es wird heißes Silikonöl in einem mit Mikrostruktur versehenen Kupferrohr verwendet, um Würze zu erhitzen. Der Leistungseintrag vom Medium in die Würze ist mit folgender Formel zu berechnen:
Dabei ist
- Q
- = Wärme- beziehungsweise Leistungseintrag
- m
- = Massestrom durch das Kupferrohr
- cp
- = spezifische Wärmekapazität
- ΔT
- = Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf
- Q
- = Heat or power input
- m
- = Mass flow through the copper pipe
- cp
- = specific heat capacity
- .DELTA.T
- = Temperature difference between flow and return
Der Massestrom wurde durch Auswägen ermittelt. Die einzelnen Daten beziehungsweise die eingetragene Leistung sind in der folgenden Tabelle dargestellt.
Für das Maß der Verdampfung sind die Mittelwerte der durchgeführten Messungen in Betracht gezogen worden.For the degree of evaporation, the mean values of the measurements made have been considered.
Die Verdampfung beträgt bei Verwendung von unstrukturiertem Kupferrohr 28,9 % beziehungsweise 433 ml, wohingegen sie bei einem strukturierten Kupferrohr bei 36 % beziehungsweise 540 ml liegt.The evaporation is when using unstructured copper tube 28.9% and 433 ml, whereas it is at a structured copper tube at 36% and 540 ml.
Beide Mittelwerte sind auf ein Ausgangsvolumen von 1500 ml bezogen worden.Both mean values have been referenced to a starting volume of 1500 ml.
Es ist festzustellen, dass das unstrukturierte Kupferrohr einen Leistungseintrag von 35,7 W und das strukturierte Kupferrohr einen Leistungseintrag von 550 W in die Würze bewirkt. Die durch das strukturierte Rohr zugeführte Wärme ist somit um den Faktor 15,4 größer als die Wärme, die durch ein unstrukturiertes Rohr der Würze zuführbar ist. Somit ist festzustellen, dass sich mit dem strukturierten Rohr wesentlich effizienter Wärme in die Würze einbringen lässt. Dieser effizientere Wärmetransport ermöglicht die Reduzierung des Durchsatzes vom Wärmeträger wie zum Beispiel des im Versuch verwendeten Silikonöls oder Dampfes in der praktischen Anwendung. Der erreichte Kostenvorteil durch die Einsparung von Energie zur Erwärmung des Wärmeträgers ist deutlich erkennbar. Daneben wird erheblich die katalytische Reaktion begünstigt.It can be seen that the unstructured copper pipe has a power input of 35.7 W and the structured copper pipe causes a power input of 550 W into the wort. The heat supplied by the structured tube is thus greater by a factor of 15.4 than the heat that can be supplied to the wort through an unstructured tube. Thus, it can be stated that heat can be introduced into the wort much more efficiently with the structured tube. This more efficient heat transport enables the reduction of the throughput of the heat transfer medium, such as the silicone oil or steam used in the experiment in practical application. The achieved cost advantage through the saving of energy for heating the heat carrier is clearly visible. In addition, the catalytic reaction is favored considerably.
Ein weiterer Vorteil der Anwendung des mikrostrukturierten Heizelementes liegt in einer wesentlich höheren Verdampfungsrate, die um 19,7 % höher ist als bei Anwendung eines nicht in der erfindungsgemäßen Weise strukturierten Heizelementes. Dies entspricht bei einem Ausgangsvolumen von 1500 ml einer durchschnittlichen Mehrverdampfung von 107 ml.Another advantage of using the microstructured heating element is a much higher evaporation rate, which is 19.7% higher than when using a not structured in the manner of the invention heating element. This corresponds to an initial volume of 1500 ml of an average multi-evaporation of 107 ml.
Durch die höhere Verdampfungsrate ist eine zeitliche Verkürzung des Kochprozesses der Würze möglich. Es lässt sich somit Prozesszeit und Energie einsparen.Due to the higher evaporation rate a shortening of the boiling process of the wort is possible. It can thus save process time and energy.
Zudem ist ein rohrförmiges Heizelement mit relativ geringer Länge und/oder geringem Durchmesser einsetzbar, was insgesamt das maximal im Würze-Behälter aufnehmbare Volumen vergrößert. Weiterhin ist eine erhöhte Ausfällung von Eiweiß zu beobachten, was dadurch begründet ist, dass die Eiweißausfällung bevorzugt an der Phasengrenzfläche zwischen Siedeblase und Würze abläuft. Durch die verbesserte Blasenproduktion lässt sich somit auch eine verstärkte Eiweißausfällung verzeichnen.In addition, a tubular heating element with a relatively small length and / or small diameter can be used, which overall increases the maximum recordable in the wort container volume. Furthermore, an increased precipitation of protein is observed, which is due to the fact that the protein precipitation preferably takes place at the phase interface between boiling bubble and wort. As a result of the improved bladder production, increased protein precipitation can also be recorded.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment.
Dabei zeigt die einzige Figur eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung einer katalytischen Reaktion, insbesondere zur Erwärmung von Würze in einem Brauereiprozess.The single figure shows a device according to the invention for carrying out a catalytic reaction, in particular for heating wort in a brewing process.
Die Einrichtung weist einen Behälter
Durch die Wand des Behälters
Um einen optimalen Wärmetransport vom Heizelement
Die Mikrostruktur
Außerdem wird die auf der Mikrostruktur
Das Heizelement
Das Heizelement
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Behälter container
- 22
- Heizeinrichtung heater
- 33
- Heizelement heating element
- 44
- heißes Medium hot medium
- 55
- Oberfläche surface
- 66
- Mikrostruktur microstructure
- 77
- Fluid, Würze Fluid, seasoning
- 88th
- Blasen Blow
- 99
- ausgefälltes Eiweiß precipitated protein
- 1010
- Anschluss connection
- 1111
- Katalysatorschicht catalyst layer
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE201210206573 DE102012206573A1 (en) | 2012-04-20 | 2012-04-20 | Device for performing catalytic reaction, preferably heating wort during brewery, comprises container for accommodating substrate and heating element with a micro-structured surface including catalyst layer, which is coverable by substrate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DE201210206573 DE102012206573A1 (en) | 2012-04-20 | 2012-04-20 | Device for performing catalytic reaction, preferably heating wort during brewery, comprises container for accommodating substrate and heating element with a micro-structured surface including catalyst layer, which is coverable by substrate |
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|---|---|
| DE102012206573A1 true DE102012206573A1 (en) | 2013-10-24 |
Family
ID=49290188
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE201210206573 Ceased DE102012206573A1 (en) | 2012-04-20 | 2012-04-20 | Device for performing catalytic reaction, preferably heating wort during brewery, comprises container for accommodating substrate and heating element with a micro-structured surface including catalyst layer, which is coverable by substrate |
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| Country | Link |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE202008005886U1 (en) * | 2008-04-29 | 2008-09-04 | Hellwig, Udo, Prof. Dr. | Device for heating a fluid |
| DE102007059153A1 (en) * | 2007-12-06 | 2009-06-10 | Erk Eckrohrkessel Gmbh | Process for increasing the efficiency of the heat and mass transport and the chemical reactivity and selectivity of systems for the transfer of heat energy and systems for technical reaction, in particular heterogeneous catalysis, used with formed structures molded components and methods for the production of microstructures on these components |
-
2012
- 2012-04-20 DE DE201210206573 patent/DE102012206573A1/en not_active Ceased
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007059153A1 (en) * | 2007-12-06 | 2009-06-10 | Erk Eckrohrkessel Gmbh | Process for increasing the efficiency of the heat and mass transport and the chemical reactivity and selectivity of systems for the transfer of heat energy and systems for technical reaction, in particular heterogeneous catalysis, used with formed structures molded components and methods for the production of microstructures on these components |
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