Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Strömungsreaktor gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1, der für verschiedenartige chemische Prozesse - wie beispielsweise die Synthese, die Spaltung oder die Hydrierung von Stoffen - Anwendung finden kann. Die Reaktanten können dabei in der flüssigen und/oder gasförmigen Phase vorliegen.

Aus dem Stand der Technik sind katalytisch arbeitende Strömungsreaktoren mit kapillaren oder kapillarähnlichen Strömungsquerschnitten bekannt, deren Füllungen den Reaktan¬ ten eine große Oberfläche bieten. In Abhängigkeit von den spezifischen Einsatzbedingungen kommen unterschiedlichste Materialien und geometrische Konfigurationen zum Einsatz. Die Palette reicht von zu Vliesen verarbeiteter Metallwol¬ le, über feinkörnige, mit Katalysatormaterial beschichtete metallische und nichtmatallische (z.B. keramische) Schüttgü¬ ter bis zu porösen, schwammartigen Festkörpern mit einer für den Stoffström durchgängigen Porenstruktur.

Allen vorangenannten Reaktorstrukturen haftet der Nachteil an, daß die anzutreffenden kapillaren Abstände innerhalb einer Packung sehr stark differieren und deshalb lokal unterschiedliche Strömungsverhältnisεe verursachen, wodurch auch die Effizienz des Reaktors lokal sehr unterschiedlich sein kann. Außerdem weisen die bekannten Füllungen oft einen sehr hohen hydraulischen Widerstand auf, da sich die unzähligen kapillaren Strömungsquerschnitte der Reaktorfül¬ lung nicht unidirektional mit Richtung des Hauptstromes in Übereinstimmung bringen lassen. Hohe Strömungsverluste bedingen neben erhöhten Betriebskosten auch höhere anlagen¬ technische Aufwendungen, z.B. für zusätzliche oder lei¬ stungsstärkere Pumpen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsre¬ aktor mit kapillaren Strömungskanälen zu entwickeln, der sich durch eine hohe Wirksamkeit bei gleichzeitig geringem Strömungswiderstand auszeichnet. Die Kapillarstruktur soll einfach und kostengünstig herstellbar und an die Bedingun¬ gen unterschiedlichster chemischer bzw. verfahrenstechni¬ scher Prozesse anpaßbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben Vorzugsvarianten der Erfindung an.

Die kapillaren Strömungskanäle des erfindungsgemäßen Strö¬ mungsreaktors verlaufen im wesentlichen parallel zur Haupt¬ strömungsrichtung der Reaktanten und weisen vorzugsweise eine verhältnismäßig glatte Oberfläche auf. So wird sicher¬ gestellt, daß der Strömungsreaktor trotz seiner großen inneren Oberfläche einen vergleichsweise geringen hydrauli-

sehen Widerstand verursacht. Dies ermöglicht höhere Strö¬ mungsgeschwindigkeiten, was sich positiv auf die Reaktions¬ kinetik auswirkt und so zu einer erhöhten Effektivität des Strömungsreaktors führt. Insbesondere bei chemischen Prozes¬ sen, die unter Anwesenheit einer flüssigen Phase durchge¬ führt werden, beeinflussen erhöhte Strömungsgeschwindigkei¬ ten die Dynamik im Grenzflächenbereich (Helmholtz-Schicht) von Flüssigphase und Wandung des Strömungskanals vorteil¬ haft. Die sogenannte Nernstsche Schichtdicke verringert sich erheblich, was insbesondere bei katalytischen Prozes¬ sen zu einer erhebliche Beschleunigung des Reaktionsablaufs führt.

Untersuchungen an Strömungsreaktoren, aufgebaut aus einer Vielzahl aneinander-gestapelter folienartiger Elemente auf der Basis eines sehr glatten glasmetallischen, amorphen Werkstoffs, haben ergeben, daß etwa ab einer Strömungsge¬ schwindigkeit von 0,05 m/s in den kapillaren Kanälen optima¬ le Reaktionsbedingungen erreicht werden. Die als Spalten ausgebildeten kapillaren Kanäle wiesen eine mittlere Weite von 0,08 mm bis 0,4 mm auf. Es versteht sich von selbst, daß die genannte Strömungsgeschwindigkeit nur einen Richt¬ wert darstellen kann. Die jeweils optimale Strömungsge¬ schwindigkeit sollte unter realen Prozeßbedingungen und unter Einsatz des vorgesehenen Reaktors ermittelt werden.

Der erfindungsgemäße Strömungsreaktor mit seinen im wesent¬ lichen unidirektionale gerichteten Strömungskanälen kann unter Anwendung verschiedenster Materialien auf unterschied¬ liche Weise gestaltet sein. Beispielsweise können die kapillaren Spalten von aufeinandergestapelten folienartigen Elementen gebildet sein, wobei die kapillaren Spalten von

Profilierungen fixiert werden, die wenigstens jedes zweite der folienartigen Elemente aufweist. Solche Profilierungen können quer zur Längsachse der folienartigen Elemente verlaufende Wellungen oder Prägungen sein.

Die Materialien können nahezu beliebig gewählt werden, d.h., entsprechend des konkreten Anwendungsfalls wird ein geeignetes Material eingesetzt. In Frage kommen unter anderem metallische Werkstoffe. Soweit eine katalytische Wirkung erzielt werden soll und die Herstellung der folien¬ artigen Elemente aus dem Katalysatorwerkstoff unwirtschaft¬ lich ist, kann der Katalysator auch nachträglich aufgetra¬ gen werden oder Bestandteil einer Legierung sein, die Basis für die Herstellung der folienartigen Elemente ist. Letzte¬ res ist besonders dann vorteilhaft, wenn für die Durchfüh¬ rung des chemischen Prozesses die zusätzliche Anwesenheit eines Aktivators erforderlich ist.

Als besonders aktivierend gelten Metalle beziehungsweise Metallegierungen mit amorphen oder feinkörnigen Strukturen. Eine kostengünstige Methode zur Erzeugung amorpher folienar¬ tiger Bänder besteht in der Anwendung des sogenannten Schmelz-Spinn-Verfahrens. Hierdurch können auch Legierungen erzeugt werden, die man in kristalliner Form nicht erhalten würde. Dies gilt sowohl hinsichtlich der Möglichkeiten der Auswahl der Legierungspartner als auch hinsichtlich ihrer anteilmäßigen Zusammensetzung. Die Dicke derart erzeugter Bänder liegt im allgemeinen zwischen 10 μm und 100μm.

Durch das Wickeln der beschriebenen, mit Profilierungen zur kapillaren Beabstandung versehenen folienartigen Elemente zu einer Spirale entsteht eine Vielzahl quer zur Spiralebe¬ ne verlaufender kapillaren Spalten. Die erforderliche Reaktorlänge erreicht man durch die Aneinanderreihung einer entsprechenden Anzahl von Spiralkörpern.

Eine weitere Erfindungsvariante geht von bandartigen Elemen¬ ten aus, deren Längsachse im wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung der Reaktanten verläuft. Sie tragen zur Aufrechterhaltung des kapillaren Abstandes zwischen benachbarten Elementen nur auf einem kleinen Teil ihrer Breite Profilierungen, die sich ebenfalls entlang der Längsachse der folienartigen Elemente erstrecken. Bei der Verwendung von metallischen Elementen sollten die Profilie¬ rungen vorzugsweise als Wellungen oder Schränkungen des Materials gestaltet sein und sich auf wenigstens einen Randbereich des Elements beschränken.

Der Vorteil der zuletzt beschriebenen Erfindungsvariante besteht darin, daß Reaktoren bis zur mehreren Metern Länge mit nur einem kapillarstrukturierten Reaktoreinsatz gebaut werden können. Das heißt also, für eine bestimmte Reak¬ torlänge sind nur wenige hintereinander angeordnete Reak¬ toreinsätze notwendig. Dadurch treten weniger druckver- lustverursachende Übergänge zwischen den einzelnen Reakto- einsätzen auf, so daß sich der hydraulische Gesamtwider¬ stand des Strömungsreaktors verringert.

Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet für den Strömungsreaktor ist die Entfernung von Sauerstoff aus dem Wasser von Heiz¬ kreisläufen und insbesondere aus sogenanntem Kesselspeise¬ wasser, um der Korrosion von Behältern und Rohrleitungen entgegenzuwirken. Zu diesem Zweck wird die Oberfläche des Strömungsreaktors mit einem geeigneten Katalysatormaterial, vorzugsweise aus der Platingruppe beschichtet und das zu behandelnde Wasser im stöchiometrischen Verhältnis mit Wasserstoff beladen. Der Katalysator ermöglicht die Umset¬ zung des gelösten Sauerstoffs mit dem zugeführten Wasser¬ stoff zu Wasser, so daß kein aus der Anlage auszuschleusen¬ des Reaktionsprodukt entsteht.

Die Fließgeschwindigkeit durch die kapillaren Spalten der Kapillarstruktur sollte einen Wert von etwa 0,05 m/s nicht unterschreiten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei¬ spielen sowie der dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Teil eines aus folienartigen Elementen aufgebauten Strömungsreaktors;

Figur 3 perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer aus mehreren Packungsein¬ heiten bestehenden Reaktorpackung;

Figur 4 aus zwei folienartigen Bändern zu einer Spirale gewickelte Packungseinheit;

Figur 5 aus mehreren spiralförmig gewickelten Pak- kungseinheiten bestehende Reaktorpackung;

Figur 6a perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer Packungseinheit mit gewell¬ tem Folienrand und daran angrenzendem Kapil¬ larspalt;

Figur 6b perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer Packungseinheit mit ge¬ schränktem Folienrand und daran angrenzendem Kapillarspalt;

Figur 7 Querschnitt durch eine Packungseinheit mit mittigem Elastizitätsbereich und beidseitig profilierten Folienrändern;

Figur 8 aufgebrochene Packungseinheit mit profi¬ lierten folienartigen Elementen, wie sie in Figur 7 angedeutet sind;

Eine erste Variante zur Gestaltung des erfindungsgemäßen Strömungsreaktors besteht in der parallelen Anordnung einer Vielzahl von folienartigen Elementen la, lb, wobei sich gerade Elemente la und durch Wellung profilierte Elemente lb abwechseln. Figur 1 zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt der beschriebenen Anordnung. Hierbei bilden sich zwischen den Elementen la, lb kapillare Strömungskanäle 10a, deren Querschnitt von der Höhe der Wellungen abhängig ist. Durch Zusammendrücken der aneinandergelagerten folien¬ artigen Elemente kann der Querschnitt der kapillaren

Strömungskanäle 10a praktisch beliebig reduziert und so optimal an die jeweils herrschenden Bedingungen angepaßt werden.

Soweit eine metallische Kapillarstruktur vorgesehen ist, läßt sich diese in vielen Fallen besonders günstig durch bandförmige Folien-Elemente la, lb herstellen, die nach dem sogenannten Schmelz-Spinn-Verfahren erzeugt wurden. Dabei wird die gewünschte Legierung, gegebenenfalls unter Zusatz von Katalysator- und Aktivatormaterial, im flüssigen Zu¬ stand aus einer Kokille auf eine rotierende, gekühlte Trommel gegeben, wo die Schmelze mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 Mio °K pro Sekunde abgeschreckt und der amorphe Zustand der Schmelze eingefroren wird. Das Material weist eine vergleichsweise glatte Oberfläche auf. Derzeit kann es mit einer Dicke von ca. 10 μm bis 120 μm und einer Breite bis zu ca. 0,5 m hergestellt werden.

Figur 3 zeigt schematisch eine aus vier Packungseinheiten 14 bestehende Reaktorpackung, deren kapillare Struktur aus den voranbeschriebenen folienartigen Elementen la, lb oder lc oder ähnlichen Elementen aufgebaut wurde. Ihre, den ka¬ pillaren Abstand 10 zwischen benachbarten Elementen 1 gewährleistenden Profilierungen (Wellungen oder Distanzste¬ ge) , erstrecken sich parallel zur Strömungsrichtung der Reaktanten und damit quer zur Längserstreckung der bandför¬ migen Elemente 1. Die übereinander gestapelten Packungsein¬ heiten 14 sind zu den benachbarten jeweils um 90 Grad verdreht, so daß sich die einzelnen Elemente 1 kreuzen.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer kapiHärenen Struktur auf der Basis folienartiger Elemente la, lb zeigt Figur 4. Dementsprechend werden das gerade, unprofilierte bandförmige Element la und das gewellte Element lb gemein¬ sam zu einer spiralförmigen Packungseinheit 14a gewickelt, die aufgrund ihrer kreisrunden äußeren Kontur besonders für den Einsatz in einem zylindrischen Reaktor geeignet ist. Figur 5 stellt eine aus mehreren gewickelten Packungseinhei¬ ten 14a aufgebaute Reaktorpackung dar. Auch hier können die kapillaren Strömungskanäle 10a durch mehr oder weniger straffes Wickeln dimensioniert und so an die herrschenden Bedingungen angepaßt werden.

In Figur 8 ist ein Ausschnitt einer kapillarstrukturierten Packungseinheit 14b dargestellt, deren bandförmige Elemente lf sich entlang der Strömungsrichtung 17 erstrecken. Des¬ halb erstrecken sich auch die in Form von Wellungen aus¬ geführten Profilierungen 15 entlang der Strömungsrichtung 17. So schließen die in ihrem Randbereich gewellten Elemen¬ te lf zwischenliegende Kapillarspalten 10b ein. Figur 7 zeigt einen kleinen Teil der Packungseinheit 14b im Quer¬ schnitt.

Zwei Varianten der zuletzt beschriebenen und in Figur 8 dargestellten Packungseinheit 10b zeigen die Figuren 6a und 6b in stark vergrößerter perspektivischer Darstellung. Gemäß Figur 6a besteht die Packungseinheit aus einseitig durch Wellungen 15 profilierte Einzelelemente ld, wobei die Wellungen 15 der benachbarten Elemente ld alternierend links beziehungsweise rechts angeordnet sind. Die kapilla¬ ren Spalten 10b erstrecken sich ebenfalls entlang der Strömungsrichtung 17 der Reaktanten. Der darunter darge-

stellte Packungsausschnitt besteht aus abwechselnd angeord¬ neten profilierten Elementen lee und unprofilierten Elemen¬ ten le, wobei die profilierten Elemente lee in beiden Randbereichen Materialschrankungen 16 tragen. Zur Erzeugung der Profilierungen 15, 16 ist insbesondere eine Vorrichtung mit Profilierungsrollen geeignet.

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Bezuσszeichenliste

I folienartiges Element la folienartiges Element (gerade) lb folienartiges Element (gewellt) lc folienartiges Element mit Distanzstegen ld folienartiges Element (Randbereich einseitig profiliert, gewellt) le folienartiges Element (nicht profiliert) lee folienartiges Element (Randbereich beidseitig profiliert, geschränkt) lf folienartiges Element (Randbereich beidseitig profiliert, gewellt)

10 Kapillarspalt, Strömungskanal

10a Kapillarspalt, Strömungskanal

10b Kapillarspalt, Strömungskanal

II Distanzsteg

12 Breite des folienartigen Elements

13 Dicke des folienartigen Elements

14 Packungseinheit 14a Packungseinheit

15 Wellung des Randbereichs

16 Schränkung des Randbereichs

17 Strömungsrichtung

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