Durchs Eckige statt Runde

Rechteckige Kanäle für mikrotechnische Apparate

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27.11.2009 Mit den neuentwickelten mikrostrukturierten Wärmeübertragern und Reaktoren gelingt ein einfaches, schnelles und kosteneffizientes Scale-up von unter einem Liter pro Stunde auf Durchsatzbereiche bis zu 50000 l/h, ohne die Vorteile der mikrostrukturierten Apparate zu verlieren. Der Clou der Apparate liegt in den rechteckigen Kanälen, deren Strömungsschichten je nach Anwendung flexibel angepasst werden.

Entscheider-Facts Für Anwender


  • Das Geheimnis mikrotechnischer Apparate liegt in einem besonders guten Verhältnis von Oberfläche zu Volumen.
  • Die Kernidee der Miprowa-Technik sind rechteckige Kanäle, die im Innern aus speziell strukturierten Schichten aufgebaut sind. Die Schichtendicke ist deutlich kleiner als die maximale innere Höhe des Kanals.
  • Die eingeschobenen mikrostrukturierten Schichten werden nach Wärmeübertragungsleistung, Druckverlust, Mischintensität beziehungsweise nach der Verwendung als Wärmeübertrager oder als kontinuierlicher Reaktor ausgewählt.
  • Die Mikroverfahrenstechnik erlaubt, bereits während der Verfahrens- und Produktentwicklung, in den Laborversuchen Prozess- und Betriebsparameter zu sammeln.
  • Die Apparate werden bereits großtechnisch eingesetzt.

Die Miprowa-Technologie erschließt neue Einsatzgebiete für die Mikroreaktions- und Mikroverfahrenstechnik in der chemischen, petrochemischen und pharmazeutischen Industrie. Sie steht dabei für mikrostrukturierte, profilierte Wärmeübertrager und Reaktoren, deren Kanäle rechteckig statt rund sind. Das Geheimnis der Technik liegt in einem besonders guten Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Apparate. Damit eröffnen sich vom Labor bis in die Produktion neue Möglichkeiten für Synthesewege und Produkte, die bisher mit konventioneller Technik nur schwer zu erreichen waren oder nicht offenstanden. Auch völlig neue Produktionskonzepte sind denkbar.

Sehr schnell mischen und Wärme übertragen bei extremen Reaktionen

Dem Trend in der Verfahrenstechnik, Prozesse von Batch auf Konti-Verfahren umzustellen, wird die Mikroverfahrenstechnik besonders gerecht. Das umfasst die gesamte Prozesskette, angefangen bei der chemischen Synthese bis hin zum Endprodukt. Einfach gesagt, die Mikroverfahrenstechnik eröffnet neue Wege für die schnelle, flexible und effiziente Entwicklung ökonomischer, ökologischer, innovativer und intensivierter Prozesse und Produkte. Dabei beruht technisch fast alles darauf, dass mikrostrukturierte Apparate im Gegensatz zu konventionellen Apparaten ein deutlich höheres Oberflächen zu Volumenverhältnis aufweisen. Hierdurch lassen sich Wärmetransportvorgänge erheblich intensivieren. Mikroreaktoren sind aus diesem Grund optimal geeignet für sehr schnelle und stark exotherme oder endotherme Reaktionen. Auch Stofftransportvorgänge lassen deutlich verbessern, da die charakteristischen Dimensionen verkleinert sind. Die Mischgeschwindigkeiten liegen in Mikromischern zum Teil um Zehnerpotenzen höher als in konventionellen Apparaten. In der Folge lassen sich Prozesse in mikrostrukturierten Apparaten besser kontrollieren und einstellen. Hierdurch lässt sich die Ausbeute und auch die Sicherheit steigern.

Bereits im Versuch Daten für die Produktion sammeln

Diese Vorteile in der Produktion zu nutzen, ist das Ziel der Miprowa-Technik. Reicht die Kapazität zum Beispiel eines modularen Mikroreaktionssystems, das speziell für den Einsatz der Mikroverfahrenstechnik im Labor- und Kleinproduktion von mehreren 10l/h entwickelt worden ist nicht aus, bietet die Miprowa-Technik eine sichere Scale-up-Alternative. Mit dem Konzept und den Bausteinen können Anwender die Vorteile mikrostrukturierter Wärmeübertrager und Reaktoren in der Forschung und Entwicklung auf betriebliche Produktionsgröße transferieren. Die unterschiedlichen betriebs- und anlagenspezifischen Anforderungen für Wärmeübertrager und kontinuierliche Reaktoren sind frühzeitig in die Technik eingeflossen. Insbesondere bei größeren Betriebsapparaten nimmt der Einfluss gesetzlicher Auflagen, die in der Konstruktion, Auslegung und in Fertigungsvorgängen eines mikrostrukturierten Apparates berücksichtigt werden müssen, wie zum Beispiel der Druckgeräte-Richtlinie, zu. Die Mikroverfahrenstechnik erlaubt, bereits im Laufe einer Verfahrens- und Produktentwicklung schon beim ersten Laborversuch relevante Prozessparameter und Betriebsparameter zu sammeln und weiter zu verwerten, was eine primäre Forderung der chemischen-pharmazeutischen Industrie ist.

Rechteckkanäle statt Rohre

Die Kernidee der Miprowa-Technik findet sich in den produktführenden Kanälen. Sie haben die Form eines Rechteckkanals, der zwar relativ breit, aber nur wenig hoch ist. Zudem ist der rechteckige Strömungsbereich scharfkantig ausgebildet, um die die Mikrostruktur bildenden Einsätze in den Kanal möglichst passgenau einschieben zu können.

Der Aufbau der mikrostrukturierten Einsätze im Innern des Rechteckkanals erfolgt mit mehreren speziell strukturierten Schichten, die in Schichtendicke kleiner sind als die maximale innere Höhe des Kanals. Dabei ist die Form der einzelnen Schicht so aufgebaut, dass in Richtung der Fluidströmung ein durchgehender schmaler Rücken vorhanden ist, von dem schräggestellte Stege in den Strömungsbereich hineinragen. Werden nun mehrere Schichten übereinander gelegt, bilden die schräg angestellten Stege der Schichten zueinander einen alternierenden Winkel. Daraus entsteht ein Schichtenpaket, das ein räumlich sehr flexibles Gitter mit zwangsgeführter Strömungsführung bildet. In der Folge teilt und vereinigt sich der Flüssigkeitsstrom mehrfach im Strömungsquerschnitt des Kanals und in Strömungsrichtung in kurzen Abständen. Die Zwangsumlenkung der Fluide, in dem mit strukturierten Schichten bestückten Rechteckkanal, erfolgt in Ebenen, deren Höhe der Schichtendicke (500 bis 1500µm) entspricht. Sie sorgt gleichzeitig für eine intensive Quervermischung über den ganzen Strömungsquerschnitt und nähert sich dem Profil der Pfropfenströmung. Die exakte Strömungsführung in mikrostrukturierten geometrischen Einbauten des produktführenden Miprowa-Kanals hat vorteilhafte Eigenschaften, wie zum Beispiel kurze Strömungswege zur temperierten Wand, intensive Quervermischung und ein geringes Flüssigkeitsvolumen im Kanal. Die gewählte Schichten-Geometrie bewirkt schon bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten ein gleichmäßiges Strömungsprofil, einen schnellen Abbau von Temperaturgradienten im Fluid, eine rückvermischungsarme Strömung und daher eine schnelle, gleichmäßige und schonende Temperierung.
Das Scale-up erfolgt durch ein Equaling-up der Prozesskanäle mit den mikrostrukturierten Schichten. Das Design der eingeschobenen mikrostrukturierten Schichten wird nach Wärmeübertragungsleistung, Druckverlust, Mischintensität beziehungsweise nach der Verwendung als Wärmeübertrager oder als kontinuierlicher Reaktor ausgewählt. Neben den Standardvarianten können diese individuell auf den Einsatz angepasst werden. Insbesondere kann Steg- und Lückenwinkel, Lückenbreite und von einem Dreischicht- in ein Zweischichtsystem gewechselt worden. Die Geometrie der zuerst gewählten und optimierten Schichten aus einem Laborversuch kann produkt- und prozessnah charakterisiert werden. So können bei einer weiteren Apparate-Vergrößerung auf Betriebsgröße die bereits verbesserten Geometrien unverändert bleiben.

Produkt- und prozessnah anpassen

Jeder Miprowa-Apparat kann in seinem ausgelegten Leistungsspektrum produkt- und prozessspezifisch optimiert werden, indem die Geometrie der eingesetzten Schichten nachträglich optimiert wird. In Laboranwendungen sind die Volumenströme häufig sehr gering. Daher wird der Prozess bei kontinuierlicher Fahrweise vorzugsweise im halbtechnischen Maßstab in Technikumsgröße optimiert. Dazu lassen sich die in den Rechteckkanälen befindlichen ziehbaren Miprowa-Schichten leicht wechseln und neue, auf den produktspezifischen Prozess abgestimmte Schichtenkonturen einsetzten. Damit können Druckverlust, Verweilzeit, Strömungsgeschwindigkeit und Wärmeübertragungsleistung verbessert werden.

Für die schnelle Wärmeübertragung in Wärmeübertragern, Verdampfern und kontinuierlichen Reaktoren zeichnet sich die Technik aus durch:

  • hohe Wärmeübertragungsleistung schon bei laminarer Strömung,
  • großes spezifisches Flächen- / Volumenverhältnis,
  • intensive Querströmung im produktführenden Kanal,
  • rückvermischungsarme Strömung und geringe Verweilzeit,
  • schneller Temperaturausgleich,
  • unterschiedliche Gitterstrukturen,
  • gute und schnelle Reinigung durch wechselbare randgängige Gitter sowie
  • kompakte und kleine Apparate.

 

Die häufigsten Apparateausführungen auf dem Gebiet der Wärmeübertrager sind Rohrbündel- und Plattenapparate, die sich beide mit der Technik umsetzen lassen. Indem die Umlenksegmente beim Bündelapparat oder beim Plattenapparat der Schichten entsprechend angeordnet werden, kann der Temperierraum so konfiguriert und platziert werden, dass eine Gleich-, Gegenstrom oder eine kombinierte Kreuzstromfahrweise möglich ist. Der Hersteller bietet die Wärmeübertrager mit verschiedenen Strömungsquerschnitten und in unterschiedlichen Längen an. So kann der Anwender die neue Wärmeübertragungstechnik schon bei kleinen Volumenströmen von kleiner als einem Liter pro Stunde nutzen und erproben. Dabei können produktspezifische Leistungsdaten der mikrotechnischen Apparate ermittelt werden, um anschließend für größere Stoffströme ein Scale-up durchzuführen.

Die Wärmeübertrager eignen sich sowohl für Standardanwendungen, wie auch für schwierige Temperieraufgaben in der chemischen Industrie und der Lebensmittelherstellung. Besonders zum Tragen kommen die Vorteile der Mikrotechnik, wenn ein schnelles Kühlen oder Heizen schon bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit erfolgen soll, ein temperaturempfindliches Fluid schonend temperiert werden muss oder ein Fluid mit höherer Viskosität zwangsweise laminar fließt. Auch wenn ein zweiphasiges oder Mehr-Stoffsystem während des Erhitzens intensiv gemischt werden muss, oder das System als kontinuierlicher Rohrreaktor für endotherme oder exotherme Reaktionen genutzt werden soll, ist die Anlagencharakteristik von Vorteil. Die Technologie wird bereits großtechnisch eingesetzt und bietet Potenzial für die Produktion im Umfeld der chemischen Industrie, angefangen bei Feinchemie über die pharmazeutische und Polymer-Industrie bis hin zur Lebensmitteltechnologie.

 

Heftausgabe: Mai 2009
Dr. Olaf J. Stange,

Über den Autor

Dr. Olaf J. Stange,

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