DE10254845A1 - Integrated reactor - Google Patents
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Abstract
Es wird ein integrierter Reaktor mit mindestens zwei räumlich voneinander getrennten Kanalstrukturen zur Führung mindestens zweier Fluidströme vorgestellt, wobei in mindestens einem Fluidstrom innerhalb eines Reaktionsbereiches eine Reaktion stattfindet, die eine Wärmetönung hervorruft, und gleichzeitig eine Wärmeübertragung zwischen den Fluidströmen stattfindet. Mindestens einem der mindestens zwei Fluidströme ist über den gesamten Reaktionsbereich verteilt mindestens ein weiteres Fluid zudosierbar.An integrated reactor with at least two spatially separated channel structures for guiding at least two fluid streams is presented, with a reaction taking place in at least one fluid stream within a reaction region, which causes a heat tone, and at the same time heat transfer between the fluid streams takes place. At least one further fluid can be metered into at least one of the at least two fluid streams distributed over the entire reaction area.
Description
Die Erfindung betrifft einen integrierten Reaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.The invention relates to an integrated Reactor according to the preamble of claim 1. The invention relates furthermore a method according to the preamble of claim 15.
In vielen technischen Anwendungen
treten Prozessschritte auf, bei denen ein Wärmestrom zwischen zwei Fluiden
ausgetauscht wird. Dieser Wärmestrom
kann dazu dienen, das wärmere
Fluid abzukühlen
oder das kältere
Fluid aufzuwärmen
(Grundoperation des Wärmetausches).
Falls in einem der vorhandenen Fluide Reaktionen ablaufen, so kann die
Aufgabe bestehen, die Wärmetönung der
Reaktion und den Temperaturverlauf im Reaktor durch die Integration
von Wärmeaustauschfunktionen
im gleichen Apparat gezielt zu beeinflussen. So offenbart bspw.
die
Großindustriell werden derartige Verfahren in verschiedenen Prozessen eingesetzt, beispielsweise zur Zwischenkühlung von exothermen Reaktoren. Die Wärmeaustauschfunktion ist bei konventionellen (Festbett-)Rohrreaktoren jedoch zumeist vom Reaktor selbst räumlich getrennt: Externe Wärmetauscher oder in den Reaktor integrierte Wärmetauschzonen werden zur Zwischenkühlung eingesetzt, endotherme Hochtemperaturreaktionen werden in Rohrreaktoren durchgeführt, welche in Brennkammern integriert sind. Der nicht optimale Wärmeübergang beispielsweise bei der externen Flammenverbrennung führt zu einem hohen Volumenbedarf von Prozessschritten sowie zu großen Energieströmen, welche durch das Abgas einer beschriebenen Brennkammer ausgetragen werden. Bei der endothermen, katalytischen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf zu einem Synthesegas wird beispielsweise in den konventionellen Reformierreaktoren nur etwa die Hälfte der zugeführten Energie des Brenngasstromes zur Aufbringung der Reaktionsenthalpie genutzt. Die andere Hälfte verlässt als heißes Abgas die Brennkammer. In industriellen Verbund-Großanlagen kann der Energieinhalt derartiger Verlustwärmeströme häufig noch genutzt werden.Such become large-scale industrial Procedures used in various processes, for example for intermediate cooling of exothermic reactors. The heat exchange function is mostly with conventional (fixed bed) tubular reactors spatially from the reactor itself separate: external heat exchanger or heat exchange zones integrated in the reactor are used for intermediate cooling, endothermic high-temperature reactions are carried out in tubular reactors, which are integrated in combustion chambers. The not optimal heat transfer for example in external flame combustion leads to a high volume requirements of process steps as well as large energy flows, which are discharged through the exhaust gas of a described combustion chamber. In the endothermic, catalytic conversion of hydrocarbons with steam to a synthesis gas is, for example, in the conventional reforming reactors only about half of the supplied energy of the fuel gas stream used to apply the enthalpy of reaction. The other half leaves as hot Exhaust the combustion chamber. In large industrial systems the energy content of such heat losses can often still be used.
In den letzten Jahren ist ein verstärktes Interesse an der Verbesserung der Energieeffizienz von Raffinerieprozessen entstanden. Dieses Interesse hat zur Entwicklung von verschiedenen Verfahren geführt, bei denen die Energieeinkopplung zur Durchführung endothermer Reaktionen durch "Wärmetausch-Reformer" verbessert wurde. Die Bauform ähnelt dabei häufig der von Rohrbündelwärmetauschern.There has been increased interest in recent years to improve the energy efficiency of refinery processes emerged. This interest has led to the development of various Proceedings conducted, where the energy coupling to carry out endothermic reactions was improved by "heat exchange reformer". The design is similar often that of shell-and-tube heat exchangers.
Parallel zu der Verbesserung der Energieeffizienz von kontinuierlichen Prozessen mit sehr hohen Durchsätzen haben sich Anwendungsfelder eröffnet, welche durch relativ kleine Produktmengen sowie hohe Anforderungen an die Kompaktheit und Energieeffizienz gekennzeichnet sind. Als Beispiel soll die Umsetzung bisher ungenutzter Erdgasreserven ("stranded natural gas") zu hochwertigen Produkten vor Ort in kompakten, transportablen Anlagen genannt werden. Hinter dieser Anwendung steht eine hohe wirtschaftliche Motivation, da aus 95 % der Gasvorkommen nicht soviel Gas gefördert werden kann, als dass ein Transport als Flüssiggas finanziell interessant wäre. Weiterhin sind kompakte Vorrichtungen zu nennen, welche im dezentralen oder mobilen Einsatz Anwendung finden können. Potenzielle Anwendungen liegen bspw. in Reaktionsschritten in dezentralen Energieversorgungssystemen auf der Basis von Brennstoffzellen im mobilen Bereich bei kompakten Apparaten zur Hilfsstofferzeugung in Kraftfahrzeugen.In parallel with the improvement of Have energy efficiency from continuous processes with very high throughputs fields of application open up, which due to relatively small product quantities and high requirements compactness and energy efficiency. As One example is the implementation of previously unused natural gas reserves ("stranded natural gas ") to high quality Products on site in compact, portable systems. There is a high level of economic motivation behind this application, since 95% of the gas deposits cannot produce as much gas, than that transportation as liquefied gas would be financially interesting. Compact devices should also be mentioned, which are decentralized or mobile use. Potential applications are, for example, in reaction steps in decentralized energy supply systems based on fuel cells in the mobile area with compact Apparatus for auxiliary material production in motor vehicles.
Die effiziente Kopplung von Wärmetauschfunktionen in gemeinsamen Vorrichtungen ist großindustriell für viele Anwendungen Stand der Technik, beispielhaft realisiert mittels Plattenwärmeübertragern. Die bisher bekannten Ausführungen können jedoch zum Großteil die Anforderungen an preiswerte Massenfertigung für viele industriell relevante, aber in kleinem Maßstab realisierte Prozesse nicht oder nur in abgeänderter Form erfüllen.The efficient coupling of heat exchange functions in common devices is large industrial for many State-of-the-art applications, implemented for example using plate heat exchangers. The previously known designs can however for the most part the requirements for inexpensive mass production for many Processes that are industrially relevant but implemented on a small scale not or only in modified Fulfill shape.
Die energieeffiziente Integration von Wärmetausch- und Reaktionsfunktionen ist ein aktuelles Forschungsfeld und für Anwendungen im Bereich < 500 kW unabhängig von der Kostenfrage für viele Reaktionssysteme noch nicht realisiert. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Reaktionen heterogen katalysiert ablaufen und eine starke Wärmetönung aufweisen. Ein aktuelles Forschungsfeld ist bspw. die energieeffziente Kopplung von mehreren kontinuierlichen, jedoch räumlich getrennt durchgeführten Reaktionen in einer Vorrichtung. Mit den bisher bekannten Apparatebauformen ist für verschiedene industriell interessante Reaktionssysteme keine überzeugende Realisierung für die effiziente Wärmeintegration und den Betrieb in einer Vorrichtung bekannt.The energy-efficient integration of heat exchange and reaction functions is a current field of research and for applications in the range <500 kW independent from the cost issue for many reaction systems have not yet been implemented. This is especially true then when the reactions are heterogeneously catalyzed and one have strong heat. A current field of research is, for example, energy-efficient coupling of several continuous but spatially separated reactions in one device. With the previously known apparatus designs is for various industrially interesting reaction systems are not convincing Realization for the efficient heat integration and the operation in a device is known.
Probleme bei der Kopplung von Reaktionen in einer Vorrichtung bei räumlicher getrennter Führung der wärmeaufnehmenden/-abgebenden Fluidströme ähnlich einem Rohrreaktor entstehen dadurch, dass die Wärmetönung der räumlich getrennt geführten Reaktionen abhängig von der Kinetik des jeweiligen Reaktionssystems sowie des Reaktor-Betriebpunktes (Edukt-Konzentrationen sowie Eduktströme) ist. Durch die starke Ortsabhängigkeit der Zustandsgrößen ist die Temperaturführung in integrierten Reaktoren eine große Herausforderung.Problems coupling reactions in a device in spatial separate leadership the heat absorbing / emitting Fluid flows similar to one The tubular reactor is created by the fact that the reactions are carried out separately from each other dependent from the kinetics of the respective reaction system and the reactor operating point (Educt concentrations and educt streams). Due to the strong location dependency of the state variables the temperature control a big challenge in integrated reactors.
Es ist vorteilhaft, Fluide grundsätzlich ähnlich wie in einem Strömungsrohrreaktor zu führen, wobei Fluidverteilungs/-sammelbereiche direkt in die Vorrichtung integriert sein können. Es werden dabei vorzugsweise Reaktionssysteme betrachtet, bei denen mittels einer oder mehrerer Seiteneinspeisungen in mindestens eines der reagierenden Fluide die Umsetzungsgeschwindigkeit und damit der Temperaturverlauf in integrierten Reaktoren gezielt beeinflusst werden kann. Das gilt beispielsweise für Reaktionssysteme, deren Reaktionsrate in konventionellen Rohrreaktoren oder Monolithstrukturen als zu hoch im Eintrittsbereich eingeschätzt wird, so dass die durch die Reaktion verursachte Wärmetönung nicht gleichmäßig über den Reaktor verteilt ist. Ein Beispiel hierfür sind Oxidationsreaktionen, insbesondere totale Oxidationsreaktionen oder selektive Oxidationen.It is advantageous to conduct fluids in a manner similar to that in a flow tube reactor, with fluid distribution / collection areas directly into the fore direction can be integrated. In this context, reaction systems are preferably considered in which the conversion rate and thus the temperature profile in integrated reactors can be influenced in a targeted manner by means of one or more side feeds in at least one of the reacting fluids. This applies, for example, to reaction systems whose reaction rate in conventional tubular reactors or monolith structures is estimated to be too high in the inlet area, so that the heat effect caused by the reaction is not evenly distributed over the reactor. An example of this are oxidation reactions, in particular total oxidation reactions or selective oxidations.
Die Realisierung von Seiteneinspeisungen in kompakten Reaktoren ist bekannt. So offenbart etwa die WO 01/54806 einen Reaktor mit einer Reaktionszone und Wärmetauschmitteln vom Plattentyp, wobei die Wärmetauschmittel mit der Reaktionszone in operativem Kontakt stehen, und wobei die Wärmetauschmittel aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Platten bestehen, in die Flüssigkeitskanäle nach einem vorbestimmten Muster eingeformt sind. Die Flüssigkeitskanäle sind so ausgerichtet, dass sie bei der Anordnung der Platten diskrete Wärmetauschwege für Fluide zur Verfügung stellen. Das dort vorgestellte Verfahren wie auch andere Vorschläge weisen jedoch eine mangelnde Flexibilität auf, da eine Seiteneinspeisung nur an definierten Punkten im Reaktor durch spezielle Zuführungskanäle und Verteilstrukturen für jede Seiteneinspeisung möglich ist. Zudem ist eine preisgünstige Massenfertigung nicht möglich, da im vorgestellten Konzept eine flächige Verbindung von Metalllagen mittels Diffusionsschweißverfahren durchgeführt wird. Eine örtlich in zwei Raumdimensionen verteilte, verschieden große Fluidzuführung/-zudosierung je Materiallage kann das vorgestellte Konzept nicht leisten.Realization of side feeds in compact reactors is known. For example, WO 01/54806 discloses a reactor with a reaction zone and plate type heat exchangers, being the heat exchange medium are in operative contact with the reaction zone, and the Heat exchange means from a plurality of one above the other Plates exist in the liquid channels are molded into a predetermined pattern. The fluid channels are aligned so that they are discrete when arranging the panels Heat exchange paths for fluids to disposal put. The method presented there as well as other suggestions however lack of flexibility on since a side feed only at defined points in the reactor through special supply channels and distribution structures for every Side feed possible is. It is also inexpensive Mass production not possible since in the concept presented a flat connection of metal layers using a diffusion welding process carried out becomes. One locally fluid supply / metering of different sizes distributed in two room dimensions The concept presented cannot perform per material layer.
Für sogenannte multifunktionelle Apparate, die mehrere verfahrenstechnische Grundoperationen wie Wärmeaustausch und mindestens eine Reaktion integrieren, sind bisher keine überzeugenden Konzepte zur Realisierung einer örtlich verteilten, hochflexiblen Fluidzufuhr in Verbindung mit der Möglichkeit zur Massenfertigung bekannt.For So-called multifunctional apparatus, which have several process engineering Basic operations such as heat exchange and integrate at least one reaction are not convincing so far Concepts for realizing a local distributed, highly flexible fluid supply in connection with the possibility known for mass production.
Der erfindungsgemäße integrierte Reaktor hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Temperatur- bzw. Reaktionsführung im Reaktor besser als bisher beeinflusst werden kann. Dadurch wird eine effiziente Kopplung von wärmetauschenden Fluidströmen erreicht.The integrated reactor according to the invention has across from the prior art the advantage that the temperature or reaction in Reactor can be influenced better than before. This will an efficient coupling of heat exchangers fluid streams reached.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.Advantageous further developments of Invention result from the measures mentioned in the subclaims.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Short description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Embodiments of the invention are shown in the drawings and in the description below explained in more detail. It demonstrate
Ausführungsbeispieleembodiments
In einem integrierten Reaktor, der gleichzeitig Wärmeaustausch- und Reaktionsfunktionen zwischen zwei Fluiden beinhaltet, ist es zur gezielten Reaktionsführung bei verschiedenen Anwendungen wünschenswert, den Temperaturverlauf im Reaktor besser als mit bisher bekannten Methoden beeinflussen zu können. Unter Beeinflussung soll im Rahmen der nachfolgend beschriebenen Reaktorgeometrie eine Zudosierung eines Fluides in mindestens ein weiteres Fluid verstanden werden. Unter gezielter Beeinflussung werden Maßnahmen zur Beeinflussung der Wärmetönung mindestens eines Fluidstromes durch gezielte Zudosierung mindestens eines weiteren Fluidstromes verstanden. Die in dem erfindungsgemäßen Reaktor eingesetzten Fluide können dabei sowohl flüssig als auch gasförmig sein, es können auch Mischungen verwendet werden.In an integrated reactor, the heat exchange at the same time and involves reaction functions between two fluids, it is for targeted reaction management desirable for various applications, the temperature profile in the reactor better than with previously known To be able to influence methods. Under the influence should be described in the following Reactor geometry a metering of a fluid in at least one other Fluid can be understood. Measures are under targeted influence to influence the heat tone at least a fluid flow by targeted metering of at least one other Fluid flow understood. The in the reactor of the invention The fluids used can both fluid as well as gaseous be it can mixtures can also be used.
Die Erfindung soll die effiziente Kopplung von wärmetauschenden Fluidströmen in einer Vorrichtung ermöglichen. Unter effizienter Kopplung wird dabei eine hohe Effizienz des Wärmeübergangs zwischen den räumlich getrennten Fluidströmen sowie die gezielte Beeinflussung des Temperaturfeldes im Reaktor durch eine flexible Fluidzudosierung in mindestens einen weiteren Fluidstrom verstanden. Das Reaktorkonzept soll prinzipiell für eine Massenfertigung geeignet sein. Unter dieser Eignung wird die Möglichkeit verstanden, mit geringem Zeit- und Materialaufwand hohe Stückzahlen bei hoher Qualität zu fertigen.The invention aims to be efficient Coupling of heat exchangers fluid streams enable in one device. With efficient coupling, a high efficiency of heat transfer is achieved between the spatially separate fluid flows as well as the targeted influencing of the temperature field in the reactor through flexible fluid metering in at least one other Fluid flow understood. In principle, the reactor concept is intended for mass production be suitable. This suitability is understood as the possibility with little Time and material expenditure to produce large quantities with high quality.
Der Einsatz soll insbesondere in kontinuierlich durchströmten Vorrichtungen mit verschiedenen Materiallagen erfolgen, in denen mindestens zwei Fluidströme räumlich getrennt voneinander geführt und gegebenenfalls im Rahmen einer Parallelisierung der Strömungsführung (vgl. weiter unten) auf Kanalstrukturen aufgeteilt werden. Der Begriff Kanalstruktur steht im folgenden vereinfachend für die Gesamtheit der wärmeübertragenden, strömungsführenden Strukturen einer Materiallage. Die konkrete Gestaltung der Kanalgeometrie innerhalb einer Kanalstruktur kann ortsabhängig sein. Der Kanalquerschnitt ist dabei nicht auf quadratische und rechteckige Geometrien beschränkt. Der Begriff Kanalstruktur soll zudem andere denkbare Querschnitte umfassen, welche aus verfahrens- oder fertigungstechnischen Gründen in diesem Zusammenhang sinnvoll erscheinen.In particular, they are to be used in continuously flow-through devices with different material layers in which at least two fluid flows are spatially separated from one another and, if necessary, are divided into channel structures as part of a parallelization of the flow guidance (see below). In the following, the term channel structure simplifies the entirety of the heat-transferring, flow-guiding structures of a material layer. The concrete one Design of the channel geometry within a channel structure can be location-dependent. The channel cross-section is not limited to square and rectangular geometries. The term channel structure is also intended to encompass other conceivable cross-sections which appear to be meaningful in this context for process or manufacturing reasons.
Eine Parallelisierung der Strömungsführung wird durch Verteilung mindestens eines der mindestens zwei in der Vorrichtung geführten Fluide auf eine Kanalgruppe vorgenommen. In den Fluidverteil-/zusammenführungsbereichen wird jeweils ein Fluid auf die Kanalstrukturen einer Kanalgruppe verteilt. Die Kanalstrukturen der Kanalgruppe können in verschiedenen Materiallagen angeordnet sein, die sich durch die symmetrische Stapelung einzelner Materiallagen in definierter Abfolge ergeben. Eine Kanalgruppe besteht somit aus der Gesamtheit aller Kanalstrukturen, die das gleiche Fluid führen.A parallelization of the flow is by distributing at least one of the at least two in the device out Fluids made on a channel group. In the fluid distribution / merging areas a fluid is applied to the channel structures of a channel group distributed. The channel structures of the channel group can be in different material layers be arranged by the symmetrical stacking of individual Material layers result in a defined sequence. A channel group exists thus from the entirety of all channel structures that are the same Lead fluid.
Je nach ablaufendem Prozess werden die Einzelkanäle einer Kanalgruppe entweder die gleiche Geometrie besitzen oder sich in Abhängigkeit des Ortes auf einer Planaren Lage unterscheiden. Unterschiedliche Geometrien innerhalb einer Materiallage können in Überlegungen zur Optimierung der Wärmeverteilung, des Stoffübergangs oder des Fluidquerschnittes in einer Planaren Lage begründet liegen.Depending on the ongoing process the individual channels a channel group either have the same geometry or have dependent on distinguish the location on a planar location. different Geometries within a material layer can be considered for optimization the heat distribution, the mass transfer or the fluid cross-section are based in a planar position.
Zumindest in der Kanalgruppe, in die ein weiteres Fluid hinzudosiert werden kann, läuft mindestens eine Reaktion ab. Neben dieser Kanalgruppe ist mindestens eine weitere Kanalgruppe vorhanden, welche Wärmeaustausch- und /oder Reaktionsfunktionen übernehmen kann. Die Wandstruktur der weiteren Kanalgruppe kann zur Wahrnehmung von Reaktionsfunktionen katalytisch beschichtet nein. Alternativ kann die Kanalgruppe auch unbeschichtet sein und lediglich Wärmeaustauschfunktionen wahrnehmen. Weiterhin kann eine Kanalgruppe auch ein katalytisches Material enthalten, welches nicht unmittelbar auf die Wandstruktur aufgebracht sein muss. Vielmehr kann das katalytisch aktive Material in die Kanalgruppe eingebracht werden, beispielsweise in Form einer katalytisch beschichteten und dreidimensional gebogenen Folie, oder in Form von Katalysatorpellets, oder in einer anderen Form, bei der ein Grundkörper katalytisch aktiv beschichtet ist und anschließend in die Kanalstruktur des Reaktors eingebracht wird. Es ist anzumerken, dass jede Kanalgruppe für sich beschichtet sein kann, die katalytische Beschichtung kann dabei für jede Kanalgruppe abhängig von der zu katalysierenden Reaktion unterschiedlich gewählt sein. Zudem kann die Beschichtung in Strömungsrichtung des Fluids örtlich verschieden sein. Abhängig von der Lauflänge kann grundsätzlich eine Variation in der Beschichtungsqualität vorliegen. Dabei ist unter dem Begriff Beschichtungsqualität zu verstehen, dass die Materialzusammensetzung der aufgebrachten Schicht variieren kann. Das heißt beispielsweise, dass die Katalysatoraktivität entlang der Kanallänge gezielt variiert werden kann, dass Kanalbereiche frei von einer katalytisch wirkenden Schicht bleiben können und/oder dass Teile des Kanalumfangs nicht beschichtet sind.At least in the channel group, in that another fluid can be added runs at least a reaction. In addition to this channel group is at least one more Channel group available, which heat exchange and / or take over reaction functions can. The wall structure of the further channel group can be perceived of reaction functions catalytically coated no. alternative the channel group can also be uncoated and only heat exchange functions perceive. Furthermore, a channel group can also be a catalytic one Contain material that is not directly on the wall structure must be upset. Rather, the catalytically active material be introduced into the channel group, for example in the form of a catalytically coated and three-dimensionally curved film, or in the form of catalyst pellets, or in another form which is a basic body is coated catalytically active and then in the channel structure of the Reactor is introduced. It should be noted that each channel group for themselves can be coated, the catalytic coating can for every Channel group dependent be chosen differently from the reaction to be catalyzed. In addition, the coating can differ locally in the direction of flow of the fluid. Dependent on the barrel length can basically be a There is a variation in the coating quality. It is under the term coating quality understand that the material composition of the applied Layer may vary. This means for example, that the catalyst activity is targeted along the channel length can be varied that channel areas devoid of a catalytic acting layer can remain and / or that parts of the channel circumference are not coated.
Für eine effiziente Kopplung sind sowohl eine geringe Größe der Vorrichtung aus Energieverlustgründen sowie die Betreibbarkeit der Vorrichtung entscheidend. Unter Betreibbarkeit wird die Möglichkeit insbesondere zur definierten Inbetriebnahme sowie der Betrieb bei verschiedenen Eduktmassenströmen bei Einhaltung der Spezifikationen für die Produktströme des Reaktors (Modulierbarkeit) verstanden.For efficient coupling are both a small size of the device for reasons of energy loss and the operability of the device is crucial. Under operability becomes the possibility in particular for the defined commissioning and operation at different educt mass flows in compliance with the specifications for the product streams of the reactor (Modulability) understood.
Die Vorrichtung ist aus mehreren Materiallagen planar aufgebaut. Die Materiallagen bestehen aus einem metallischen Werkstoff oder einem Kunststoff, sie können abhängig von der Anwendung von verschiedener Dicke sein. Es wird je ein Fluid in einer Kanalstruktur pro Materiallage geführt. Die Lagen werden nach außen fluiddicht abgedichtet. Der Druckbereich des Reaktors liegt aus werkstofflichen Gründen bevorzugt bei weniger als 50 bar Innendruck relativ zur Umgebung. Zwar sind generell höhere Drücke möglich, in diesen Fällen ist jedoch eine flächige Abdichtung des Reaktors, beispielsweise durch flächiges Diffusionsschweißen oder -löten, vorzusehen, um die hohen Kräfte zwischen den einzelnen Blechlagen besser aufnehmen zu können.The device is made up of several Material layers built up planar. The material layers consist of one metallic material or a plastic, they can depend on the application of different thickness. It becomes a fluid guided in a channel structure per material layer. The locations are after Outside sealed fluid-tight. The pressure range of the reactor is out material reasons preferably at less than 50 bar internal pressure relative to the environment. Although generally higher pressures possible, in these cases is however a flat one Sealing of the reactor, for example by flat diffusion welding or -soldering, to provide for the high forces to be able to better absorb between the individual sheet layers.
Der erfindungsgemäße Reaktor kann insbesondere eingesetzt werden zur Kopplung zweier reagierender Fluidströme, zur Kopplung eines reagierenden Fluidstromes mit einem wärmetauschenden Fluidstrom, wobei beiden Strömen Edukte hinzudosiert werden können, und zur Kopplung eines reagierenden Fluidstromes, dem unter definierten Bedingungen ein Eduktstrom zudosiert wird, mit einem wärmetauschenden Prozessschritt, z.B. bei der Kopplung eines wärmeaufnehmenden Fluidstromes mit einem Fluidstrom, in dem eine oder mehrere exotherme Reaktionen ablaufen.The reactor according to the invention can in particular are used to couple two reacting fluid flows, for Coupling of a reacting fluid flow with a heat-exchanging fluid flow, taking both streams Educts can be metered in, and for coupling a reacting fluid flow, the one defined below Conditions a feed stream is metered in with a heat-exchanging Process step, e.g. with the coupling of a heat-absorbing fluid flow a fluid stream in which one or more exothermic reactions expire.
Der erfindungsgemäße Reaktor verbessert bestehende integrierte Reaktorkonzepte durch eine Optimierung der Wärmetönung durch die Zudosierung mindestens eines Fluids in mindestens einen der reagierenden Prozessströme, so dass das Temperaturfeld im Reaktor in gewünschter Weise beeinflusst wird. Unter Temperaturfeld wird dabei der Temperaturverlauf im Reaktor-Wandmaterial sowie in den Fluidkanälen in allen drei Raumdimensionen bezeichnet. Dadurch kann eine erfolgreiche Prozessführung zwischen räumlich getrennten Reaktionssystemen für viele Anwendungen überhaupt erst ermöglicht werden. Des weiteren wird die Selektivität verschiedener Reaktionssysteme durch gezieltere Temperaturführung verbessert. Außerdem wird eine hohe Leistungsdichte an übertragener Wärmeleistung gewährleistet (sowohl fiir Wärmetauschanwendungen, die eine hohe Leistungsdichte erfordern als auch für die Beheizung/Kühlung von Reaktionssystemen mit großer Reaktionsenthalpie).The reactor according to the invention improves existing integrated reactor concepts by optimizing the heat tone by metering in at least one fluid into at least one of the reacting process streams, so that the temperature field in the reactor is influenced in the desired manner. The temperature field in the reactor wall material and in the fluid channels in all three room dimensions is referred to as the temperature field. This enables successful process control between spatially separated reaction systems for many applications. Furthermore, the selectivity of different reaction systems is improved by more targeted temperature control. In addition, a high power density of transferred heat output is guaranteed (both for heat exchange applications that require a high power density and for the heating / cooling of reaction systems large enthalpy of reaction).
Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Reaktor dazu dienen, explosive Gemische durch Zudosierung eines Eduktstromes in eine Kanalstruktur bei gleichzeitiger Gewährleistung von Wärmetauscheigenschaften erst innerhalb des Reaktors zu bilden. Die Sicherheit für technische Synthesen wird somit für dezentrale oder mobile Anwendungen bei entsprechender Auslegung der Kanalstrukturen erhöht.In addition, the reactor of the invention serve explosive mixtures by metering in a feed stream in a channel structure while ensuring heat exchange properties to form only inside the reactor. Security for technical Syntheses are thus for decentralized or mobile applications with appropriate design of the channel structures increased.
Die in
Die verteilte Zudosierung wird so
gestaltet, dass die Wärmetönung der
Verbrennungsreaktion für mindestens
einen Betriebspunkt des Reaktors in gewünschter Weise beeinflusst wird.
Dazu wird hier exemplarisch die verteilte Zuführung eines Großteils des
benötigten
Sauerstoffes, der auch Luftsauerstoff darstellen kann, durch die
Querkanäle
betrachtet. Idealerweise fällt
die Temperatur im Reaktorwandmaterial kurz vor Austritt aus dem
Reaktionsbereich (
Die Inbetriebnahme des Reaktors wird
durch die verteilte Reaktion eines leicht entzündenden, wasserstoffhaltigen
Gasstromes erleichtert: Dazu wird im Fluidverteilungsbereich (
Die axiale Abreaktion des wasserstoffhaltigen
Gasstromes kann durch die gezielte Zuführung eines sauerstoffhaltigen
Oxidationsmittels durch die beschriebene Querkanaistruktur
Die Auslegung der zur Zudosierung
dienenden Querkanäle
wird bevorzugt so gewählt,
dass der Druckverlust im Querkanal deutlich niedriger als der über die
Dosierstruktur ist. Dadurch kann eine gezielte Fluidzudosierung
durch die Dosierstruktur in die Kanalstruktur, in der das reagierende
Medium geführt wird,
erreicht werden. Der Druckverlust im Querkanal bzw. im zudosierenden
Kanal (die Zudosierungsstruktur muss nicht zwangsläufig aus
Querkanälen bestehen)
wird verglichen mit dem Druckverlust durch die Dosierstruktur, beispielsweise
der Folie
Gleichzeitig oder alternativ kann
die Zuführung
des zuzudosierenden Eduktstromes so gewählt sein, dass das zuzudosierende
Fluid entlang des Kanals wechselt. Das wird dadurch gewährleistet,
dass die Fluidzuführung
und -verteilung auf die Querkanäle
in mehrere Bereiche untergliedert wird, denen jeweils andere Fluide
zur Zudosierung zugeführt
werden. Jeder der Bereiche erhält
dabei eine eigene Zuführung
des zuzudosierenden Fluids (
Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Reaktors liegt in der Kopplung zweier reagierender Fluidströme, denen jeweils ein weiteres Eduktgemisch zudosiert wird. Dies wird im folgenden am Beispiel der Einkopplung der Reaktionsenthalpie eines exothermen reagierenden Gasstromes zum Aufheizen/Gewährleisten des Phasenübergangs eines zweiten Fluides näher erläutert.Another application of the reactor according to the invention lies in the coupling of two reacting fluid flows, the a further educt mixture is metered in each case. This will follow on Example of coupling the reaction enthalpy of an exothermic reacting gas flow to heat / ensure the phase transition of a second fluid closer explained.
In Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen kann der anodenseitig zugeführte Wasserstoff nicht vollständig umgesetzt werden. Der wasserstoffhaltige Anodenabgasstrommuss vor Ableitung in die Umwelt aus energetischen und sicherheitstechnischen Gründen frei von Wasserstoff und Methan sein. Ein häufig verfolgtes Konzept zur Anodenabgasnutzung ist die katalytische Umsetzung des Anodenabgases. Durch den Wasserstoffanteil zündet die Reaktion bereits bei niedrigen Temperaturen. Aufgrund der Kopplung einer stark exothermen Reaktion mit dem stark endothermen Verdampfungsvorgang besteht bei konventionellen Verdampfern eine Herausforderung in der gleichmäßigen Wärmeeinbringung und -verteilung.In polymer electrolyte membrane fuel cells can be supplied on the anode side Hydrogen not complete be implemented. The hydrogen-containing anode exhaust gas flow must Derivation into the environment from energetic and safety-related establish be free of hydrogen and methane. A frequently pursued concept for Anode exhaust gas utilization is the catalytic conversion of the anode exhaust gas. Ignites due to the hydrogen content the reaction even at low temperatures. Because of the coupling a strongly exothermic reaction with the strongly endothermic evaporation process with conventional evaporators a challenge in the uniform heat input and distribution.
Im Sinne des erfindungsgemäßen Reaktors kann
der wasserstoffhaltige Gasstrom verteilt über die Querkanäle zugeführt werden,
das Oxidationsmittel wird zu Beginn des Kanals dosiert. Alternativ
ist vorstellbar, dass das Oxidationsmittel über die Querkanäle dosiert
wird und das wasserstoffhaltige Anodenabgas über den Fluidverteilungsbereich
Durch entsprechende Temperaturführung und Materialauswahl kann der erfindungsgemäße Reaktor neben der Verdampfung auch Aufgaben der Überhitzung des hergestellten Gas-Dampf-Gemisches übernehmen. Dieses Konzept ist insbesondere für die Trägergasverdampfung von niedrigen Kohlenwasserstoffen geeignet, wobei dem Verdampfer als zu verdampfendes Edukt eine Mischung aus Kohlenwasserstoff und Flüssigkeit, zumeist Wasser, zugeführt wird. Zur Verringerung ungleichmäßiger Verdampfung ist dabei eine Realisierung vorstellbar, bei der die zu verdampfende Flüssigkeit zu Beginn eines Kanals zugeführt und diese anschließend mit dem durch eine separate Perforation dosierten Kohlenwasserstoff während der Verdampfung gemischt wird.By appropriate temperature control and The reactor according to the invention can select materials in addition to evaporation also overheating tasks of the gas-steam mixture produced. This concept is particularly useful for carrier gas evaporation from low Suitable hydrocarbons, the evaporator as to be evaporated The starting material is a mixture of hydrocarbon and liquid, usually water. To reduce uneven evaporation a realization is conceivable in which the one to be evaporated liquid fed at the beginning of a channel and then this with the hydrocarbon dosed through a separate perforation while the evaporation is mixed.
Die beschriebene Zudosierung von
zwei verschiedenen Fluiden in jeweils eine Kanalstruktur ist in
Ein weiteres Beispiel einer Nutzung des vorgeschlagenen Reaktors liegt in der selektiven CO-Oxidation zu CO2 zum Betrieb von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen mit einem wasserstoffhaltigen Gasstrom, der aus Kohlenwasserstoffen erzeugt wird. Neben hoher Katalysatoraktivität und Selektivität ist die Prozessführung entscheidend für einen hohen CO-Umsatz und hohe Selektivität bei geringem Ablauf der Nebenreaktion H2 + 0.5 O2 H2O. Mit Prozessführung wird hier speziell eine möglichst definierte Zuführung des Oxidationsmittels sowie eine möglichst exakte Temperaturführung bezeichnet. Eine Mindesttemperatur ist notwendig, um die CO-Oxidation zu ermöglichen, eine Maximaltemperatur, die etwa 20°C höher liegt, sollte hingegen nicht überschritten werden, um die unerwünschte Begleitreaktion der Wasserstoffoxidation zu vermeiden.Another example of a use of the proposed reactor lies in the selective CO oxidation to CO 2 for the operation of polymer electrolyte membrane fuel cells with a hydrogen-containing gas stream which is generated from hydrocarbons. In addition to high catalyst activity and selectivity, the process control is crucial for high CO conversion and high selectivity with little outflow of the side reaction H 2 + 0.5 O 2 H 2 O. Process control here specifically refers to the supply of the oxidizing agent as defined as possible and the most exact temperature control possible , A minimum temperature is necessary to enable CO oxidation, while a maximum temperature that is around 20 ° C higher should not be exceeded in order to avoid the undesirable accompanying reaction of hydrogen oxidation.
Konventionelle Verfahren im kleinen Leistungsbereich, die zur Zeit insbesondere für Brennstoffzellenanwendungen entwickelt werden, nutzen Monolithstrukturen zur Reaktionsdurchführung. Dabei wird der Reaktionsschritt zumeist in zwei getrennten Reaktoren ausgeführt, zwischen denen ein Zwischenkühlungsschritt angeordnet ist. Die Dosierung eines sauerstoffhaltigen Gases erfolgt dabei vor dem jeweiligen Reaktor, teilweise wird ein sauerstoffhaltiger Gesamtgasstrom vor den einzelnen Reaktoren sogar einzeln geregelt.Conventional procedures on a small scale Performance range, which is currently particularly for fuel cell applications are developed, use monolith structures to carry out the reaction. there the reaction step is usually carried out in two separate reactors, between an intermediate cooling step is arranged. An oxygen-containing gas is metered doing so in front of the respective reactor, sometimes an oxygen-containing one Total gas flow in front of the individual reactors even regulated individually.
Die gleichmäßige Verteilung des sauerstoffhaltigen Gasstromes auf die Monolithstruktur stellt dabei eine nur aufwendig lösbare Herausforderung dar. Zudem ist eine sichere Prozessführung durch die Bildung von lokal explosionsfähigen Gemischen an der Mischungsstelle unter Umständen nicht gegeben. Die Temperaturführung bei der selektiven Oxidation hat in ihrer bisherigen Realisierung für dezentrale Prototypanlagen mehrere Nachteile. Zum einen ist der apparative Aufwand relativ hoch, da zwei Reaktionsstufen sowie eine Wärmetauschfunktion thermisch weitgehend ohne Integration ausgeführt werden. Zum anderen bestehen unabhängig vom konstruktiven. Aufwand Nachteile in der ungenauen Temperaturführung. Folge können Katalysatorschädigung durch Überhitzung, unzureichende Umsatzraten, mangelnde Selektivität des Verfahren und im Extremfall ein "Durchgehen" der Reaktion aufgrund der räumlich getrennten Reaktions- und Wärmetauschbereiche sein.The even distribution of the oxygenated Gas flow on the monolith structure is only complex releasable Challenge. In addition, safe process control is through the formation of locally explosive mixtures at the mixing point in certain circumstances not given. The temperature control in the selective oxidation in their previous implementation for decentralized Prototype systems have several disadvantages. On the one hand there is the apparatus Relatively high effort, since two reaction stages and a heat exchange function thermally largely without integration. Second, exist independently from the constructive. Effort Disadvantages in inaccurate temperature control. episode can catalyst damage by overheating, inadequate sales rates, lack of selectivity of the process and in extreme cases a "runaway" response due to the spatially separate reaction and heat exchange areas his.
Die Integration eines effizienten Wärmetausches mit der definierten, verteilten Zudosierung des Oxidationsmittels gemäß des hier vorgeschlagenen Reaktors verspricht große Vorteile hinsichtlich der gleichmäßigen Temperaturführung sowie hohen Umsatzgraden. Der Fluidstrom, in den hinein der sauerstoffhaltige Gasstrom durch die Querkanäle dosiert wird, ist bei dieser Anwendung das wasserstoffhaltige Gas-Dampf-Gemisch aus dem Reformierungsprozess.The integration of an efficient heat rope The defined, distributed metering of the oxidizing agent in accordance with the reactor proposed here promises great advantages with regard to uniform temperature control and high conversion rates. In this application, the fluid stream into which the oxygen-containing gas stream is metered through the transverse channels is the hydrogen-containing gas-steam mixture from the reforming process.
Die Sicherheit des Verfahrens wird deutlich erhöht, wenn hinreichend kleine Strukturen gewählt werden, die zum einen bei entsprechender Auslegung eine gute Wärmeabfuhr gewährleisten. Zudem wird die Explosionsgefahr weitgehend unterbunden, da bei Nutzung des vorgestellten Reaktorkonzeptes die Mischung zwischen Oxidationsmittel und dem wasserstoffhaltigen Reformatstrom im Reaktor selbst erfolgt. Gemische mit explosionsfähigen Konzentrationen werden nur innerhalb des Apparates gebildet. Explosionen sind bei entsprechender Auslegung nicht zu erwarten, da durch einen hohen Wärmeübergang an das Wandmaterial der Aufheizung Grenzen gesetzt sind.The security of the process will clearly increased, if sufficiently small structures are chosen that appropriate design ensure good heat dissipation. In addition, the risk of explosion is largely prevented, since when used of the reactor concept presented, the mixture between oxidizing agent and the hydrogen-containing reformate stream takes place in the reactor itself. Mixtures with explosive Concentrations are only formed within the apparatus. explosions are not to be expected with an appropriate design, as a high heat transfer there are limits to the wall material of the heating.
Falls erforderlich, kann zusätzlich zur verteilten Eduktdosierung die Wärmeabfuhr der selektiven Oxidation durch mindestens eine weitere Kanalstruktur erfolgen. Diese Struktur weist vorzugsweise nur eine Wärmeaustauschfunktion aus, ist somit nicht katalytisch beschichtet. Für die gleiche oder ähnliche Anwendungen kann jedoch ebenfalls eine katalytische Beschichtung vorzusehen sein, in der eine oder mehrere endotherme Reaktionen ablaufen können.If necessary, in addition to distributed educt metering the heat dissipation selective oxidation by at least one further channel structure respectively. This structure preferably has only a heat exchange function is therefore not catalytically coated. For the same or similar applications can however also provide a catalytic coating be in which one or more endothermic reactions can take place.
Noch ein weiteres Beispiel für die Nutzung des erfindungsgemäßen Reaktors liegt in der Verbrennung eines wasserstoffhaltigen Synthesegasgemisches zur Energiebereitstellung für eine endotherme Reaktion, die in der weiteren Kanalstruktur abläuft. Dabei wird in einer der beiden Kanalstrukturen ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch verbrannt. Das Oxidationsmittel wird dabei verteilt zugeführt, um eine gleichmäßige Freisetzung der Reaktionswärme zu erreichen. Durch die verteilte Zudosierung des Oxidationsmittels werden zwei Probleme umgangen. Zum einen wird die Bildung explosiver Gemische vor dem Eintritt in den Reaktor verhindert, da die Gemischbildung erst innerhalb des Reaktors stattfindet, zum anderen wird die Wärmefreisetzung bei entsprechender Auslegung gleichmäßig über die Reaktorlänge verteilt. Damit wird das bekannte Problem der hohen Übertemperaturen im Eintrittsbereich eines katalytischen Bereiches bei extrem schnell verlaufenden Reaktionen wie etwa der Wasserstoffoxidation erheblich gemindert.Yet another example of using the reactor according to the invention lies in the combustion of a hydrogen-containing synthesis gas mixture to provide energy for an endothermic reaction that takes place in the further channel structure. there becomes hydrogen-containing in one of the two channel structures Gas mixture burned. The oxidizing agent is distributed to a even release the heat of reaction to reach. Due to the distributed addition of the oxidizing agent two problems are avoided. For one thing, education is becoming more explosive Prevents mixtures from entering the reactor because of mixture formation only takes place inside the reactor, on the other hand the heat release with appropriate design evenly distributed over the length of the reactor. This eliminates the well-known problem of high excess temperatures in the entrance area of a catalytic area in extremely fast reactions such as significantly reduced hydrogen oxidation.
Der erfindungsgemäße Reaktor schafft die Möglichkeit, stark wärmeverbrauchende mit wärmeabgebenden Prozessschritten in einer Vorrichtung effizient durch die Erhöhung der Freiheitsgrade mittels gezielter Fluidzudosierung in eine Kanalstruktur zu koppeln. Die gezieltere Fluiddosierung als in bisher bekannten Vorrichtungen ermöglicht eine Unterstützung zur definierten Temperaturführung in kompakten Apparaten, in denen mindestens eine Reaktion abläuft. Basierend auf den Vorteilen bezüglich der flexiblen Zudosierung eines Eduktstromes erlaubt der erfindungsgemäße Reaktor erstmals das Mischen von explosiven Medien direkt am Ort der Reaktion bei gleichzeitiger Integration mit Wärmetauschfunktionen.The reactor according to the invention creates the possibility heavily heat consuming with heat emitting Process steps in a device efficiently by increasing the Degrees of freedom by means of targeted fluid metering into a channel structure to couple. The more targeted fluid metering than in previously known Devices a support for defined temperature control in compact apparatus in which at least one reaction takes place. Based on the advantages regarding The reactor according to the invention permits flexible metering of a feed stream for the first time mixing explosive media directly at the reaction site with simultaneous integration with heat exchange functions.
Für zahlreiche Anwendungen entstehen Vorteile gegenüber Vorrichtungen, bei denen eine Energieeinkopplung beispielsweise durch externe Verbrennungsreaktionen erfolgt und Vorrichtungen, bei denen keine oder nur eine oder mehrere lokale Zudosierungen eines Eduktes zu einem Fluidstrom realisiert ist. Gegenüber den letzteren liegen die Vorteile insbesondere in der örtlich sehr flexiblen und fertigungstechnisch einfach realisierbaren Gestaltung der Zudosierung.For numerous applications have advantages over devices in which energy coupling, for example through external combustion reactions takes place and devices in which none or only one or more local additions of a starting material to a fluid stream are realized is. Across from the latter are particularly advantageous in terms of their location flexible and easy to implement design of the Dosing.
Weitere Vorteile der Erfindung untergliedern sich in solche, die mit der Integration mehrerer Prozessschritte in einer Vorrichtung allgemein verbunden sind, sowie in solche, die. speziell mit der vorgeschlagenen Realisierung der verteilten Eduktzudosierung verbunden sind. Es ist dabei anzunehmen, dass nach dem derzeitigen Stand der Apparatetechnik die erstgenannten Vorteile durch den erfindungsgemäßen Reaktor für viele Reaktionssysteme überhaupt erst genutzt werden können.Further advantages of the invention are subdivided in those that involve the integration of several process steps in one Device generally connected, as well as those that. specially with the proposed implementation of the distributed educt metering are connected. It can be assumed that according to the current one State of the art the first-mentioned advantages of the reactor according to the invention for many Reaction systems at all can only be used.
Vorteile, die mit der Integration mehrere Prozessschritte in einer Vorrichtung verbunden sind, umfassen bspw. die bessere Nutzung der Reaktionsenthalpie eines exothermen Reaktionssystems zur Beheizung eines insgesamt endothermen Reaktionsystems. Dadurch sinkt bei Realisierung einer effizienten Wärmerückgewinnung im Anschluss an Fluidverteilungs-/zusammenführungsbereiche der energetisch nicht optimal nutzbare Enthalpiestrom der Abwärme.Benefits with integration several process steps are connected in one device For example, the better use of the reaction enthalpy of an exothermic Reaction system for heating an overall endothermic reaction system. This reduces the efficiency of heat recovery following the fluid distribution / merging areas of the energetically not optimally usable enthalpy flow of waste heat.
Ein weiterer Vorteil besteht in der kompakten Realisierung der Prozessfunktion durch Integration mehrerer Teilprozessschritte. Neben dem niedrigen Platzbedarf, der mit einer Gestaltung der Kanalstruktur zur Optimierung von Wärme- und Stoffaustauschvorgängen nach bekannten Regeln der Technik einhergeht, entsteht insbesondere der Vorteil der Verringerung der Wärmeverluste durch eine erhöhte Kompaktheit der Vorrichtung. Während bei großindustriellen Prozessen aufgrund der großen Stoffströme oft mit ausreichender Genauigkeit von einem adiabaten Verhalten der Vorrichtung ausgegangen werden kann, ist das bei den hier beschriebenen Anwendungsfeldern häufig nicht der Fall. Das vorgestellte Konzept ermöglicht außerdem prinzipiell die Unterteilung der Querkanalzuführungen in einzelne Abschnitte in Kanalrichtung.Another advantage is that compact implementation of the process function by integrating several Part process steps. In addition to the low space requirement, which with a Design of the duct structure to optimize heat and Mass transfer operations goes hand in hand with known rules of technology the advantage of reducing heat loss through increased compactness the device. While for large industrialists Processes due to the large material flows often with sufficient accuracy from adiabatic behavior the device can be assumed to be the case with the ones described here Fields of application frequently not the case. The concept presented also enables the subdivision in principle the cross channel feeds in individual sections in the channel direction.
Vorteile, die speziell mit der vorgeschlagenen Realisierung der verteilten Eduktzudosierung verbunden sind, liegen bspw. im geringen konstruktiven Aufwand zur Realisierung einer zweidimensional örtlich verteilten Eduktzudosierung, sowie in einer größeren Freiheit in der Höhe des zudosierten Volumenstromes durch unterschiedliche Durchmesser der Perforation der Dosierstruktur.Advantages that are specifically associated with the proposed implementation of the distributed educt metering are, for example, in the low construction effort for realizing a two-dimensionally distributed educt metering, and in greater freedom in the amount of the added volume menstromes through different diameters of the perforation of the dosing structure.
Des weiteren ergibt sich ein Vorteil durch die Verbesserung der Betriebsweise, denn bei Inbetriebnahme der Vorrichtung kann ein Aufheizen mit großer Gleichmäßigkeit durchgeführt werden. Durch die Querkanäle kann beispielsweise ein Eduktgemisch gleichmäßig auf den Reaktionsbereich verteilt werden, welches katalytisch mit einem zweiten Edukt, das durch die Kanalstruktur strömt, unter Wärmefreisetzung abreagiert. Die Betriebsweise kann während der Anfahrphase durchaus diskontinuierlich sein.There is also an advantage by improving the mode of operation, because at commissioning the device can be heated with great uniformity. Through the cross channels can, for example, a starting material mixture evenly on the reaction area be distributed, which catalytically with a second educt, the flows through the channel structure, releasing heat reacted. The mode of operation may well be during the start-up phase to be discontinuous.
Vorteile ergeben sich weiterhin durch die Vermeidung von starken Temperaturgradienten im Reaktor beim Anfahrvorgang. Hohe Temperaturgradienten können zu unerwünschten Spannungen. im Wirkstoff, insbesondere jedoch zum Abplatzen von Katalysatorschichten führen. Mikroreaktoren als Spezialfall kompakter Reaktoren sind für sichere Prozessführung auch potenziell explosiver Gaskomponenten durch ihre guten Wärmetransporteigenschaften bekannt. Durch die hier beschriebene Realisierung einer verteilten Eduktzudosierung wird das Potential von kompakten Reaktoren gegenüber bekannten Realisierungen weiter erhöht, da sich durch die neu geschaffene Möglichkeit, eine definierte und verteilte Zusammenführung zweier Edukte durch Zudosierung eines Eduktes in einem Reaktionskanal kontrolliert am Ort der Reaktion zu ermöglichen neue Perspektiven der Prozessgestaltung eröffnen. Weiterhin ergibt sich eine leichte Skalierbarkeit der integrierten Vorrichtung durch die Parallelisierung der Strömungsführung (eine Kanalgruppe besteht aus einer anforderungsabhängigen Anzahl an Kanalstrukturen).Advantages continue to arise through the avoidance of strong temperature gradients in the reactor Starting operation. High temperature gradients can become undesirable Tensions. in the active ingredient, in particular, however, to flake off catalyst layers to lead. Microreactors as a special case of compact reactors are for safe Litigation also potentially explosive gas components due to their good heat transfer properties known. Through the implementation of a distributed described here Educt metering is the potential of compact reactors compared to known ones Realizations further increased, because the newly created possibility of a defined and distributed merging of two Educts controlled by metering in an educt in a reaction channel at the site of the reaction open up new perspectives in process design. It also follows an easy scalability of the integrated device through the Parallelization of the flow guidance (a Channel group consists of a requirement-dependent number of channel structures).
Die vorgestellte Reaktorgeometrie bietet mit der Möglichkeit verteilter Eduktzumischung beispielsweise auch dann Vorteile, wenn im gewählten Temperaturbereich sehr schnell ablaufende Reaktionen durchgeführt werden, da die Reaktionszone gleichmäßiger als mit bisher bekannten Verfahren örtlich in zwei Dimensionen verteilt werden kann.The reactor geometry presented offers with the possibility distributed educt admixture, for example, also advantages if in the chosen one Temperature range very rapid reactions are carried out, because the reaction zone is more uniform than locally with previously known methods can be distributed in two dimensions.
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