Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur

Durchführung einer Reaktion zwischen mindestens zwei Reaktanden gemäß dem ersten bzw. vierten Patentanspruch. Sie bezieht sich auf die eine kontinuierliche Synthese chemischer Grund- und Zwischenprodukte insbesondere der Direktsynthese von Wasserstoffperoxid H ₂ O ₂ aus den gasförmigen Edukten Sauerstoff Q ₂ und Wasserstoff H ₂ , vorzugsweise mit Hilfe katalytischer Verfahren.

Bei zahlreichen chemischen Reaktionen, insbesondere bei exothermen Reaktionen wie z.B. einer Direktsynthese von Wasserstoffperoxid H ₂ 0 ₂ aus den gasförmigen Edukten Sauerstoff.0 ₂ und Wasserstoff H ₂ , treten grundsätzliche Probleme auf, die bei einer technischen Realisierung zu berücksichtigen sind oder diese einschränken. Insbesondere ist mit unerwünschten Nebenreaktionen zu rechnen, die durch ungünstige, insbesondere inhomogene, Konzentrationsverhältnisse der Edukte und Reaktionsprodukte im Reaktionsraum gefördert werden. Die genannten Inhomogenitäten begünstigen im Fall der H ₂ 0 ₂ -Direktsynthese die Bildung explosionsfähiger Gasgemische, die in einer Anlage zu gefährlichen Betriebszuständen führt. Ein weiteres. Problem gründet in Stofftransportwiderständen in Strömungen, insbesondere wenn Gase in Flüssigkeiten dosiert werden sollen. Systembedingt nehmen die Einflüsse mit der Größe des jeweils zur Reaktion herangezogenen zusammenhängenden Reaktionsvolumens zu.

Ausgehend von derartigen Einschränkungen und Gefahren wird z.B. in [1] ein Reaktorsystem beschrieben, bei dem eine Vermischung und eine anschließende Reaktion in eine Vielzahl von parallel geschalteten Mikrovermischern bzw . ' Mikroreaktoren aufgeteilt wurden. Die Prozesse im Reaktorsystem sind somit in besser kontrollierbare kleinere Einheiten aufgeteilt, womit sich nicht nur eine Temperaturführung bei der Reaktion und die

BESTÄTIGUNGSKOPfE — Parallelschaltung eine Erhöhung des erzielbaren Reaktionsumsatzes realisieren, sondern auch die Gefahr einer vorgenannten Bildung von Inhomogenitäten und explosionsfähigen Gasgemischen reduzieren lassen..

Ferner ist aus [2] ein ikrostrukturreaktor beschrieben, bei dem zwei Edukte in parallel zueinander angeordneten Mikroka- nalgruppen geleitet werden. Dabei wird ein Edukt über mehrere hintereinander angeordnete Überströmöffnungen örtlich und damit auch zeitlich versetzt in die in die Strömung des anderen Edukts eingeleitet, wobei es in der Strömung in den Mikrokanä- len zu einer schrittweisen Reaktion zu einem Reaktionsproduktstrom kommt. Die Konzentration eines der beiden Reaktanden nimmt über die Länge des ReaktionsproduktStroms zu, während die des anderen Reaktanden abnimmt. Die örtlich und damit auch zeitlich versetzte Hinzudosierung eines Edukts in den anderen Eduktstrom ermöglicht noch eine bessere Kontrollierbarkeit der Reaktion zwischen den beiden Edukten. ^■ '

Eine besondere Herausforderung an die Versuchsführung stellt die Direktsynthese zur Herstellung von Wasserstoffperoxid aus den Edukten H2 und 0 ₂ .

In [3] wird beispielhaft eine solche Direktsynthese zur Herstellung von Wasserstoffperoxid offenbart, bei der die gasförmigen Edukte H ₂ und 0 ₂ mit einem Katalysatoren zu flüssigem H ₂ 0 ₂ umgesetzt werden. Die Reaktion wird stets in Gegenwart eines Lösungsmittels durchgeführt, in das mindestens ein Edelmetall, insbesondere Palladium als Katalysator suspendiert ist. Die Explosionsgefahr wird dadurch entschärft, dass die H2-Konzen- tration in der Gasphase auf maximal 5% begrenzt wird. Der beschriebene Reaktor umfasst ein Rieselbett, in welchem die Sättigung des dünnen Flüssigkeitsfilms über dem festen Katalysator dadurch erreicht wird, dass er im offenen Kontakt zur Gasphase steht . Für die Direktsynthese von Wasserstoffperoxid wurden Membranreaktoren vorgeschlagen, die eine Eingabe der Edukte in die Reaktion verteilt und die Sicherheit und die Selektivität des Verfahrens erhöht..

So wird in [4] über den Einsatz dichter Membranschichten aus Palladiumlegierungen berichtet, durch die der für die Reaktion benötigte H ₂ in eine mit Sauerstoff gesättigte Flüssigkeit eindosiert wurde. Die Reaktion erfolgte hier an der flüssigkeits- seitigen Oberfläche der Palladiummembran, auf die hierzu noch verschiedene Schichten aufgebracht wurden um die Selektivität der Reaktion zu erhöhen.

Ferner wird beispielhaft in [5] poröse Membranen, in die Pal-, ladium als Katalysator in Form metallischer Nanopartikel eingebrächt wurden, für die Direktsynthese von H ₂ 0 ₂ beschrieben. Bei diesem Konzept wird entweder H ₂ oder 0 ₂ blasenfrei über eine poröse Membran in die mit dem jeweils anderen Edukt gesättigte Reaktionslösung eindosiert. Die Umsetzung erfolgt innerhalb der Deckschicht der porösen Membran, in der sich der Katalysator befindet.

Die in [5] beschriebene Variante, bei denen der Wasserstoff oder der Sauerstoff über rohrförmige Membranen entlang der Reaktionszone zudosiert wird, leiden an einem vergleichsweise hohen Stofftransportwiderstand ( StoffÜbergang Gas/Flüssigkeit und Diffusion in der flüssigen Phase) bedingt durch den relativ großen Innendurchmesser technisch üblicher Membranen. Ausserdem ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren der erreichbare . Umsatzgrad beim Durchgang durch den Reaktor durch die Gaslös- lichkeit unter den Bedingungen im vorgeschalteten Sättiger limitiert, so dass bei vertretbaren Systemdrücken eine Rückführung benötigt wird, um in den Bereich technisch interessanter Konzentrationen von Wasserstoffperoxid (> 3 Gew.-%) zu gelan- gen. Hiermit ist zum einen ein relativ hoher technischer Aufwand verbunden. Zum anderen wird nur ein Teil des zudosierten Sauerstoffs umgesetzt. Der Rest geht bei der Entspannung vor der Rückführung der Flüssigphase in den Sättiger verloren oder müsste aus dem Gasstrom mit erheblichem Aufwand wiedergewonnen werden.

Auch [6] und [7] offenbaren katalytische Reaktoren für die Direktsynthese von Wasserstoffperoxid mit gestufter Zugabe von H ₂ beanspruchen. Ziele dieser gestuften Zugabe sind die kontrollierte Einhaltung eines Konzentrationsverhältnis O ₂ /H2 entlang des Reaktors in einem optimalen Bereich und gleichzeitig die Minimierung der Menge an nicht umgesetzten O2, die aus. der Reaktion wieder abgetrennt und rückgeführt werden muss. Bei einer stufenweisen Zugabe von H ₂ jeweils vor einem Reaktorsegment einer ·Reaktorkaskade ergibt sich der Nachteil dass explosionsfähige Gasmischungen an den Zugabestellen und stromabwärts da-- von nicht ausgeschlossen werden können.

Ferner beschreiben [8] und [9] Reaktorkonzepte, die unterschiedliche. Membranen zur verteilten Dosierung von zwei ver ^¬ schiedenen Edukten in Mikrokanäle. nutzen, um deren Konzentrationsverhältnis entlang der Reaktorachse für die Umsetzung an einer katalytisch aktiven Oberfläche zu optimieren. Die verteilte Dosierung erfolgt für beide Edukte im gleichen Reaktor ^¬ abschnitt über einander gegenüber liegende permeable Wände.

Bei diesen Konzepten erfolgt jedoch keine Trennung der gasförmigen Edukte. Durch die Verwendung von Mikrostrukturen wird die Gefahr von Explosionen zwar herabgesetzt. Von einer inhärenten Sicherheit kann jedoch insbesondere bei den vergleichsweise hohen Systemdrucken für die Direktsynthese von Wasserstoffperoxid nicht ausgegangen werden.

Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung einer Reaktion zwischen mindestens zwei Reaktanden insbesondere H ₂ und 0 ₂ in einer Reaktionszone zu einem Reaktionsprodukt insbesondere Wasserstoffperoxid H ₂ 0 ₂ so zu gestalten, dass die vorgenannten Nachteile und Einschränkungen zumindest signifikant weiter reduziert werden. Insbesondere soll die Gefahr von ungewollten Nebenreaktionen reduziert und dabei die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht werden.

Die Aufgabe, wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der ^' unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 4 gelöst. Auf diese rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.

Zur Lösung der Aufgabe werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung einer Reaktion zwischen mindestens zwei Reaktanden (Edukte) in mindestens einer Reaktionszone zu einem Reaktionsprodukt vorgeschlagen. Im Falle mehrerer Reaktionszonen sind diese vorzugsweise gleichartig und parallel zueinan ^¬ der verschaltet. Die Reaktion verläuft kontinuierlich in der Reaktionszone unter Ausbildung eines Reaktionsflusses hin zu mindestens einem, vorzugsweise genau einem Ausfluss für das Reaktionsprodukt. Eine Reaktionszone wird dabei durch einen Kanal, vorzugsweise einem Mikrokanal mit maximalen Querschnittsabmessungen (Durchmesser, Kantenlänge etc.) unter.5 mm,, vorzugsweise unter 1 mm gebildet, wobei mindestens ein offenes Kanalende als Ausfluss dient. Die Reaktionszone weist dabei, an der Wandung des Kanals entlang des Reaktionsflusses alternierende Einlässe für die Reaktanden auf; die Reaktanden. werden über durch die Einlässe über die Erstreckung der Reaktionszone in den Reaktionfluss eingebracht. Der Reaktionsfluss verläuft in der Reaktionszone vorzugsweise entlang einer Reaktorachse, die vorzugsweise die Querschnittsmittelpunkte der Reaktionszone miteinander verbindet. Der Reaktionsfluss wird durch eine kontinuierlich strömende flüssige Reaktionslösung gebildet, d.h. er umfasst den Bereich der Reaktionszone, in dem eine Reaktion der mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei Reaktanden oder eines Zwischenprodukts zum Reaktionsprodukt stattfindet. Ein Zwischenprodukt entsteht beispielsweise durch Reaktion von Reaktanden in der Reaktionszone als Vorstufe zu einem Reaktionsprodukt. Die Reaktanden sind entweder flüssig oder gasförmig. Ebenso sind die Reaktionsprodukte im Reaktionsfluss flüssig oder gasförmig.

Vorzugsweise ist in der Reaktionslösung, welche mit einem Reaktionspartner gesättigt sein kann, ein Katalysator als Partikel, Gas oder Flüssigkeit suspendiert oder gelöst. Neben ortsfesten Katalysatoren (Kanalwandbeschichtung, Mikrofestbett ) kommen so auch durch das System transportierte suspendierte Katalysatorpartikel bzw. homogen gelöste Katalysatoren zum Einsatz, womit in vorteilhafter Weise eine Volumenpräsenz des Katalysators im gesamten Reaktionsfluss erzielt wird. Als Katalysator kommen vor allem Edelmetalle, insbesondere Gold und Palladium, sowie Legierungen bieder auf verschiedenen Trägern zum Einsatz. Bevorzugt kommt Pd auf C, Pd auf Silikatträgern, bevorzugt auf zeolithischen Trägern, weiter bevorzugt auf Ti- tansilikalit zum Einsatz.

Eine alternative Ausgestaltung sieht separate Einlasse für den Katalysator vor. Vorzugsweise erfolgt die Eingabe des Katalysators in Reaktionsflussrichtung, vor der Eingabe zumindest des zuletzt eingegebenen Reaktanden, der an einer katalytischenReaktion zum Reaktionsprodukt oder einem Reaktionzwischenprodukt beteiligt ist. Damit wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass der in der Katalysator bereits beim Erstkontakt aller an einer Reaktion beteiligten Reaktanden untereinander, d.h. bereits unmittelbar am Einlass für den zuletzt eingegebenen Reaktanden in die Reaktion, im Reaktionsfluss bereits ge- löst und/oder suspendiert d.h. gleichmäßig verteilt ist und dabei auf die Reaktion bereits unmittelbar einwirkt.

Wesentlich ist eine in Reaktionsfluss gerichtete alternierende Einmischung der Reaktanden durch alternierende Einlasse, womit über die gesamte Erstreckung des Reaktionsflusses eine kontinuierliche Reaktion aufrechterhalten wird. Damit einher geht eine alternierend verteilte Dosierung der mindestens zwei, bevorzugt genau zwei verschiedenen gasförmigen Reaktanden in konsekutiven Abschnitten eines kompakten mikrostrukturierten Apparates vorzugsweise über poröse Membranen oder Mikrosiebe in den Reaktionsfluss . Im Ergebnis der vorgenannten wiederholten alternierenden verteilter Dosierung und Abreaktion wird ein Sägezahn-Profil der Konzentration der in der Flüssigphase in der Reaktionszone gelösten Reaktanden erreicht.

Die Einlässe werden vorzugsweise durch Siebelemente, Membrane oder andere Strömungswiderstände gebildet, die ein unkontrolliertes Einfließen zugunsten einer Eindiffusion der Reaktanden verhindern. Damit wird insbesondere bei einer Zugabe von gasförmigen Reaktanden in eine flüssige Reaktion nicht nur eine Bildung von Gasanteilen in der Reaktion wirksam unterbunden, sondern auch der Zustrom an Reaktanden in vorteilhafter Weise durch die Aufnahmefähigkeit der Reaktion begrenzt. Die Stö- chiometrie der angrenzenden Reaktion wird eingehalten:

Insbesondere sind bei einer Synthese von Wasserstoffperoxid H ₂ O ₂ die beiden Reaktanden H ₂ und 0 ₂ vor einer Einmischung gas ^¬ förmig, kommt an den Einlässe mit dem flüssigen Reaktionsprodukt in Kontakt und diffundiert spontan in dieses ein. Bei der H ₂ C> ₂ -Synthese ist der Katalysator vorzugsweise in der Reaktionslösung suspendiert.

Speziell durch die alternierende Eingabe jeweils nur eines Re- aktanden in vorgegebenen Abständen in Verbindung mit dem un- mittelbar erfolgenden Verbrauch der Reaktanden im Reaktions- fluss entsteht bei kontinuierlichem Fortschreiten der Reaktion ein sägezahnartiges Konzentratiönsprofil der noch nicht reagierten Reaktanden in einem besonders vorteilhaften engen Konzentrationsbereich entlang der Kanalachse, was eine stöchiome- trische und damit optimale Reaktion begünstigt. Der Konzentrationsbereich erstreckt sich vorzugsweise um den Konzentrationswert um die Stöchiometrie und wird je nach Dosierung durch einen der Reaktanden unter- oder überschritten. Die Abstände zwischen zwei Einlassen, der jeweilige Volumenstrom an Reaktanden durch die ^* Einlasse und des Reaktionsflusses sowie die Reaktionsgeschwindigkeit im Rektionsfluss beeinflussen das Konzentrationsprofil und damit die Breite des vorgenannten Konzentrationsbereichs.

Eine Eingabe eines der beiden Reaktanden erfolgt dabei an den Stellen im Reaktionsfluss , an denen das sägezahnartige Konzentrationsprofil dieses Reaktanden jeweils ein Minimum aufweist und dabei eine zyklisch wiederkehrende Unterkonzentration (Mangel) an diesem Reaktanden in der Reaktion auftritt. Eine Unterkonzentration gegenüber einer Reaktionsstöchiometrie bewirkt bei einer Eingabe des unterrepräsentierten Reaktanden in vorteilhafter Weise eine Reaktionsbeschleunigung, mit der Annäherung an das stöchiometrische Verhältnis. Da aber durch den Reaktionsfortschritt nun eine andere Komponente im Unterschuss vorliegt, muss diese wieder nachdosiert werden.

Besonders vorteilhaft ist eine alternierende . Eindosierung von mindesten zwei Reaktanden an einer Wandung entlang des Reaktionsstroms einer Reaktionszone. Die Eindosierung und Sättigung der Reaktionslösung durch die Reaktanden erfolgt dabei über dieselbe Seite abwechselnd, so dass immer am Einlass (vorzugsweise an der Membran oder am Siebelement) die sog.

Henry-Konzentration ( Partialdruck eines gasförmigen Reaktanden ist proportional zur Konzentration des Reaktanden in dem flüs- sigen Reaktionsprodukt)- des sättigenden Gases erreicht wird und diese Konzentration als Nachlauf sich in den Reaktionsstrom hineinzieht. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von den Reaktandenkonzentrationen ab, ist folglich mit der Einmischung unmittelbar an den Einlässen, d.h. vorzugsweise bei einer Sättigung am größten und nimmt mit der Reaktion ab. Die Eingabe eines Reaktanden wird bevorzugt immer dann umgeschaltet, wenn die Reaktionsgeschwindigkeit eine Untergrenze erreicht hat, · d.h. zu klein wird. ,

Durch die vorgenannten Maßnahmen erhöht sich die Selektivität für das Reaktionsprodukt wie z.B. Wasserstoffperoxid bei der Direktsynthese bei hohem Umsatzgrad. Ferner wird damit sowohl eine sichere Verfahrensführung als auch eine hohe Raum-Zeit- . Ausbeute erreicht. Die hohe Räum-Zeit-Ausbeute begünstigt zu- ^■ dem eine kompakte Bauform, eine bevorzugte Verwendung von Mi- krokanälen als Reaktionsvolumina eine Realisierung als modula- re Anlagen .

Die Reaktionszone ist als Mikrokanal bzw. Vielzahl von Mik.ro- kanälen ausgebildet. Die Stofftransportwiderstände im ^' System werden abseits der Einlasse durch geringe laterale Abmessungen der Strömungskanäle in Verbindung mit einer hohen Wandfläche pro Flüssigkeitsvolumen (Mikrokanäle ) gering gehalten. Letztere erlaubt eine effiziente Zuführung der Edukte auch in blasenfreier Form nach dem Prinzip eines Membrankontaktors.

Die Erfindung umfasst neben einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Durchführung einer Reaktion zwischen mindestens zwei Reaktanden in einer Reaktionszone zu einem Reaktionsprodukt mit allen oder einem Teil der vorgenannten Merkmale auch eine Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens insbesondere zur Herstellung für Wasserstoffperoxid aus Wasserstoff und Sauerstoff. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig.la bis c prinzipielle Darstellungen von Ausführungsformen mit versetzt gegenüberliegenden Einlassen zur Durchführung ei ner Reaktion zwischen mindestens zwei Reaktanden in einer Re^ aktionszone zu einem Reaktionsprodukt als Folienstapel in Schnittansichten (a, c) und einer Schnittaufsicht (b) ,

Fig.2a und b mögliche Ausgestaltungen der Einlässe,

Fig.3a bis e prinzipielle Darstellungen von Ausführungsformen mit alternierend auf einer Seite zur Reaktionszone angeordneten Einlässen sowie

Fig. eine Darstellung der Konzentrationen der Reaktionsprodukte A und B sowie der Reaktionsgeschwindigkeit über die Er- streckung der Reaktionszone entlang des Reaktionsflusses.

Die in Fig.la und b dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung zeigt beispielhaft einen Aufbau der Vorrichtung als Folienstapel, bei denen die Einlässe der beiden Reaktanden an gegenüberliegende Wandungen der Reaktionszone befinden. In ei ner ersten Folie 1 befindet sich in je einem Durchbruch die Reaktionszone 2, in >der jeweils mit einem Pfeil 3 die Richtun des Reaktionsflusses angegeben ist. Der Pfeil folgt dabei der Reaktionsachse der Reaktionszone (Symmetrieachse der Reaktionszone bezogen auf den Querschnitt der Reaktionszone) . Die Reaktionszone ist in Richtung des -Reaktionsproduktausfluss 4 hin offen. Die Reaktionszone grenzt - wie in Fig.la dargestellt - beidseitig an Zwischenschichten 5 mit als Durchbrüch eingearbeitete Einlässe 6 für zwei Reaktandenflüsse 7 und 8 aus jeweils einen Verteilerkanal 9 bzw. 10. Die Verteilerkanä le sind wiederum sind als Rillen in zweite Folien 11 eingearbeitet. Die ersten ^' Folien .1 und/oder die Zwischenschichten 5 grenzen unmittelbar an die Reaktionszone an und sind, vorzugsweise aus einem Katalysatormaterial gefertigt.

Die Folien weisen jeweils eine bevorzugte Stärke von 0,2 bis 3 mm, weiter bevorzugt zwischen 0,3 und 1,0 mm auf, weiterhin bevorzugt zwischen 0,4 und 0,8 mm auf. Da die Reaktions zone als Mikrokanal durch, einen Durchbruch in der ersten Folie gebildet wird, entspricht die Foliendicke einer lateralen Querschnittsabmessung der Reaktionszone.

Die Fig.la dargestellte Anordnung zeigt eine Reaktionsmodulebene mit einem Reaktionsvolumen und jeweils nur einem Verteilerkanal für die Reaktanden. Eine Ausgestaltung gem. Fig.lc sieht eine Integration mehrerer Reaktionsmodulebenen im vorgenannten Folienstapel vor. Vorzugsweise werden die Verteilerkanäle für die Reaktanden zwischen zwei Reaktionsvolumina 1 zu gemeinsamen Verteilerkanälen 12 zusammengefasst , aus denen die Einlässe beidseitig in je ein Reaktionsvolumen ausmünden.

Fig.2b zeigt Aufsichtschnittdarstellung A-Ä (vgl. Fig.la) in Höhe des Reaktionsvolumen 1. Dabei sind mehrere des in Fig.la dargestellten Reaktionsvolumens nebeneinander angeordnet, wobei zwischen diesen Fluidkanäle 13 für die Temperierung der Reaktionsflüsse vorgesehen sind. Ein Temperierfluid, vorzugs ^¬ weise ein Kühlfluid durchdringt die in Fig.2b dargestellten Fluidkanäle vorzugsweise orthogonal zur Abbildungsebene, d.h. im Kreuzstrom zu den Reaktionsflüssen. Dies hat auch den Vorteil, dass die Anschlüsse für die Temperierfluide Die Anordnung gem. Fig.2b eignet sich grundsätzlich auch für mehrere Reaktionsmodulebenen, wie sie in Fig.lc wiedergegeben sind. In einer nicht explizit dargestellten Ausgestaltung wird die erste Folie und eine Zwischenfolie zu einer gemeinsamen strukturierte Folie zusammengefasst .

Die in Fig.la dargestellten Durchbrüche in den Zw-isc.henfolien sind offen, sind aber optional mit einer Membran (vgl. Fig.3b) oder einem Gitter 14 (vgl. Fig.2a), alternativ einem offenporigen Element 15 (Fig.2b) zur Vermeidung eines Refluxes von flüssigen Stoffen aus dem Reaktionsflu ^' ss in die Verteilerkanäle 9 und 10 für die bevorzugt gasförmigen Reaktanden abdeckbar. Die Gefahr eines . Refluxes wird vorzugsweise durch eine vorhandene Oberflächenspannung zwischen gasförmiger und flüssiger Phase weiter reduziert. Wie in Fig.2a dargestellt, wird das Gitter 14 vorzugsweise flächig auf die Zwischenschicht 5 aufgebracht und mit einem Fügeverfahren (z.B. Diffusionsbonding) zu einem Bimaterial verbunden, bevor dieses in den .Folienstapel, der die Vorrichtung umfasst, integriert wird. Die Ausgestaltung gemäß Fig.2b sieht dagegen durchgängig offenporige Elemente 15 in den Eihlässen vor, die entweder als Elemente in die Durchbrüche der Zwischenschicht eingepresst werden oder als offenporige Bereiche Teile der Zwischenschicht sind. Membran, Gitter oder offenporige Elemente sind vorzugsweise aus einem Katalysatormaterial hergestellt.

Fig.3a bis e repräsentieren dagegen Ausführungen, bei denen die Einlässe für zwei Reaktanden seriell und alternierend an mindestens einer gemeinsamen Wandung der Reaktionszone angeordnet sind.

Fig.3a und b zeigen zwei prinzipielle Schnittansichten einer Ausführung mit einem zentralen repräsentieren eine Ausführung, bei dem die Verteilerkanäle 9 und 10 (für ersten bzw. zweiten Reaktandenfluss 7 bzw. 8) beidseitig zur Reaktionszone 2 (befindet sich nicht in der Schnittebene und ist gestrichelt angedeutet) angeordnet sind. Von den. Verteilerkanälen zweigen Verteilerfinger 16 ab, die sich über die Einlasse 6 über dem Reaktionsvolumen 1 erstrecken. Fig.3b zeigt in einem Querschnitt beispielhaft eine ^' schichtweise Anordnung von zwei Reaktionszonen 2 in jeweils einer ersten Folie 1 sowie beidsei- tig zu diesen in jeweils einer zweiten Folie 11 angeordnete

Verteilerfinger 16, die jeweils in einen der beiden Verteilerkanäle 9 oder 10 ausmünden. Fig.2b zeigt die Schnittebene durch Verteilerfinger, die an den Verteilerkanal 9 angebunden sind, während die an den Verteilerkanal 10 angebundenen Ver- teilerfinger dahinter angeordnet gestrichelt angedeutet sind. Zwischen Reaktionszone und Verteilerfinger befinden sich die Einlasse, die mit einer Membran 17 vollständig abgedeckt sind und ein ungehindertes Einströmen von Gasbestandteilen der Re- aktanden in den flüssigen Reaktionsfluss unterbinden oder- zu- mindest behindern. Die Verteilerkanäle 9 und 10 erstrecken sich in Fig.3b über die erste und zweite Folie, wobei - wie beispielhaft dargestellt - ^' bei einer Anordnung von mehreren Vorrichtungen mit je einer Reaktionszone übereinander die Verteilerkanäle je Reaktand über Übertrittsöffnungen 18 mit- einander fluidisch korrespondieren.

Fig.3c zeigt in einer Aufsicht-Schnittdarstellung eines Abschnitts einer Ausführung mit geradlinigen Verteilerkanälen 9 und 10 (für ersten bzw. zweiten Reaktandenfluss 7 bzw. 8, be- findet sich nicht . in der Schnittebene und ist gestrichelt angedeutet) , die sich über einer als schlahgenförmig ausgeformten Reaktionszone 2 (in Schnittebene) erstrecken. Die Schnittbereiche zwischen Verteilerkanälen und Reaktionszone bilden die Einlässe 6, vorzugsweise mit einer zwischengeschalteten Gitter- oder Membranebene.

Die ^' in Fig.3c dargestellte Ausführung der schlangenförmig ausgeformten Reaktionszone 2 lässt.sich vorzugsweise im Folienstapel zur Erhöhung der Kapazität parallelschalten, und zwar horizontal und vertikal zu der Schnittebene oder Folienebene. Fig.3d und e zeigen entsprechende Ausgestaltungen. Fig.3d offenbart dabei beispielhaft eine (horizontal) parallele Anordnung der schlangenförmig ausgeformten Reaktionszonen 2 in der Schnittebene nebeneinander, während Fig.3e beispielhaft eine Ausführung repräsentiert, bei dem schlangenförmig ausgeformte Reaktionszonen 2 und 24 beidseitig der Verteilerkanäle 9 und 10 angeordnet sind, d.h. vertikal zu der Schnitt- und Folienebene parallel angeordnet sind. Die nicht in der Schnittebene angeordnete zweite Reaktions zone 24 ist in Fig.3e gestrichelt dargestellt. Beide Ausführungen gem. Fig.3d und e zeigen zudem eine vorteilhafte Anordnung von versetzt an den Verteilerkanälen angeordneten Einlässen 6 in die jeweilig angrenzenden Reaktionszonen, d.h. die Einlässe eines Verteilerkanals, die als Reaktandensenken fungieren, münden nicht zugleich in zwei Richtungen, d.h. zwei Reaktionszonen ab.

Die' in allen vorgenannten Figuren gezeigten Einlässe 6 sind beispielhaft nicht nur in einem gleichbleibenden Abstand zueinander, sondern auch für beide Reaktanden gleichgroß dargestellte Sowohl der Abstand zueinander als auch die Querschnitte- der Einlässe bestimmen sieh jedoch durch die Reaktionskinetik in der Reaktionszone. Vorzugsweise wird bei einer Dimensionierung der vorgenannten geometrischen Abmessungen angestrebt, den sägezahnförmigen Konzentrationsverlauf so zu gestalten, dass sie Konzentrationen der Reaktanden in der Reaktionszone so schnell wie möglich einen vorteilhaften engen Konzentrationsbereich entlang der Kanalachse, der die stöchio- metrische Reaktion repräsentiert, einnehmen.

Mit dem alternierenden Einmischen der Reaktanden A und B in den Reaktionsstrom in der Reaktionszone folgen - wie vorgenannt - die Konzentrationen der Reaktanden im Reaktionsstrom, einem Sägzahnprofil. Fig. offenbart diesen versetzten Verlauf der Konzentrationen für die Reaktanden A und B (19 bzw. 20) zusammen mit der Reaktionsgeschwindigkeit 21 sowie den Anteil des Reaktionsprodukt C (23) über die Erstreckung der Reaktionszone entlang des Reaktionsflusses, d.h. entlang der Reaktionsachse- 22 in mm. Die Konzentrationen von A und B sind in % der jeweiligen Sättigungskonzentration im Reaktionsgemisch angegeben, während die Konzentration des Produkts C relativ zu Reaktant A angegeben wird (linke vertikale Achse des Diagramms), die Reaktionsgeschwindigkeit in mol/l*s (rechte vertikale Achse des Diagramms) wiedergegeben.

Im Folgenden werden folgend genannte Vorteile der Erfindung anhand einer beispielhaften Direktsynthese von H2O2 (Reaktionsprodukt C) aus den Reaktanden H ₂ und 0 ₂ (Reaktand A bzw. B) näher erläutert :

1. Vermeidung von unerwünschten Nebenreaktionen, die durch ungünstige Konzentrationsverhältnisse im Reaktionsraum gefördert werden:

Bei der H ₂ 0 ₂ -Direktsynthese werden die gasförmigen Edukte H ₂ und 0 ₂ an bevorzugt festen Katalysatoren zu flüssigem H ₂ 0 ₂ umgesetzt. Die Reaktion wird in Gegenwart eines Lösungsmittels durchgeführt, vorzugsweise Methanol oder auch wässrige Systeme ggf. mit anderen Alkoholen und verschiedenen Zusätzen wie z.B. Bromid, welche die Selektivität erhöhen. Die Selektivitätsproblematik der Reaktion resultiert daraus, dass neben der erwünschten Bildung von H ₂ 0 ₂ auf parallelem Weg auch das thermo- dynamisch begünstigte H ₂ 0 gebildet wird. Außerdem wird H ₂ 0 ₂ am Katalysator nicht nur gebildet sondern in Folgereaktionen auch aktiv zersetzt, wobei sowohl der reine Zerfall zu H ₂ und ^ 0 ₂ als auch die Reduktion mit Wasserstoff beobachtet wird. Letztere ist vergleichsweise schnell und besitzt für die integrale Selektivität damit besondere Bedeutung. Die Geschwindigkeit der einzelnen Reaktionen ist in unterschiedlichem Maße von den Partialdrücken der Edukte H ₂ und 0 ₂ abhängig (verschiedene Teil-Reaktionsordnungen) . Außerdem beeinflusst das Partial- druckverhältnis H2/O2 den Oxidationszustand der . Katalysatoroberfläche und. auch dadurch die Aktivität und die ^' Selektivi- tät. Daraus resultiert makroskopisch der Befund, dass Aktivität und Selektivität sehr von den Konzentrationen bzw. Parti- aldrücken von H ₂ und 0 ₂ sowie dem Verhältnis der beiden Edukte im gesamten Reaktionsraum abhängig sind und eine Optimierung der Konzentrationsverhältnisse durch das angestrebte sägezahn- förmige Konzentrationsprofil in vorgenannter Reaktionszone da ^¬ her zu einer deutlichen Verbesserung der Selektivität und der Ausbeute und Reaktorleistung führt.

2. Vermeidung von gefährlichen Betriebszuständen durch Vorliegen oder Entstehung explosionsfähiger Gasgemische in bestimmten geometrischen Bereichen innerhalb der Anlage:

Die Direktsynthese aus den Elementen gilt als ein attraktiver Weg zur Herstellung von H ₂ 0 ₂ . Dennoch erfolgte bislang keine technische Umsetzung im industriellen Maßstab, da Mischungen . von H ₂ und 0 ₂ praktisch im gesamten Bereich der Zusammensetzung explosionsfähig sind. Der explosionsfähige Bereich bei 1 bar liegt bei 4- 75 Vol.% H ₂ in Luft und bei 4-94 Vol. % in 0 ₂ (vgl. z.B. [10]). Durch eine versetzte Eingabe der Reaktanden Sauerstoff und Wasserstoff in das Reaktionsgemisch treffen H ₂ und 0 ₂ signifikant seltener in ähnlicher Konzentration aufeinander. Es erfolgt eine bevorzugte Einbindung der Reaktanden in die stattfindende Synthese des Reaktionsprodukts H ₂ 0 ₂ , noch bevor die Reaktanden sich miteinander vermischen und explosionsfähige Gasgemische bilden können.

3. Reduzierung einer geringen Raum-Zeit-Ausbeute durch Stofftransportwiderstände, insbesondere in der flüssigen Phase, und ggf. am Übergang zu einem festen Katalysator sowie, durch Konzentrationsabnahme entlang der Reaktorachse. Das Produkt H ₂ 0 ₂ ist, unter den Reaktionsbedingungen- der Direkt Synthese flüssig und wird von einem ^' Lösungsmittel aufgenommen Üblicherweise werden alkoholische oder wässrige Lösungen eingesetzt. Aufgrund einer vergleichsweise geringen Gaslöslich- keit dieser Lösungsmittel und. der geringen Diffusionskoeffi- zienten in der flüssigen Phase kommt es zu ^' erheblichen Stoff- transportwiderständen. Insbesondere am Übergang im Bereich de Einlässe der gasförmigen Reaktanden in die flüssige Phase der Reaktion, in der flüssigen Phase selbst, am Übergang von der flüssigen oder der gasförmigen Phase zu einem festen Katalysa tor und ggf. auch innerhalb des Katalysators (porös) treten, diese Widerstände signifikant in Erscheinung. Ein in den Reak tanden, bevorzugt aber im .flüssigen Reaktionsprodukt gelöster und/oder suspendierter Katalysator reduziert die erforderli- chen Diffusionswege signifikant. Die Verwendung von Mikrokanä len erhöht die Raum-Zeit-Ausbeute durch den geringen Stoff- transportwiderstand in der Grenzschicht,, da das gesamte Kanal volumen praktisch aus Grenzschicht besteht.

Literatur :

[1] DE 10 2005 015 433 AI

[2]. DE 100 44 526 AI

[3] DE 196 42 770 AI

[4] Choudhary et al.: Angew. Chem. Int. Ed.40 (2001)

1776- 1779

[5] WO 2007/028375 AI-

[6] US 7.067.103 B2

[7] US 7.105.143 B2

[8] Bortolotto et al . : Sep Purif. Sei.7.3 (2010) 51

[9] Dittmeyer et al . : Appl Catal. A: General 391 (2011)

[10] Pashkova et al.: Chem. Eng. J. 139 (2008) 165-171

Bezugszeichenliste:

1 erste Folie

2 Reaktionszone

3 Pfeil (Reaktionsgemisch mit Flußrichtung)

4 ' Reaktionsproduktausfluss

5 Zwischenschicht ^*

6 Einlass

7 Reaktandenfluss für ersten Reaktanden

8 Reaktandenfluss für zweiten Reaktanden

9 _. Verteilerkanal für ersten Reaktanden

10 Verteilerkanal für zweiten Reaktanden

11 zweite Folie

12 gemeinsamer Verteilerkanal

13 Fluidkanal ^■

14 Gitter

15 durchgängig offenporiges Element

16 Verteilerfinger

17 Membran

18 Übertrittsöffnung

19 Konzentration Reaktand A

20 Konzentration Reaktand B

21 Reaktionsgeschwindigkeit

22 Reaktionsachse

23 Konzentration Reaktionsprodukt

24 Zweite Reaktionszone