Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit Strömungsleitelementen versehenen Strömungskanal.

In dem Stand der Technik werden eine Vielzahl von Strömungskanälen vorgestellt, in welchen Einbauten vorhanden sind. Diese dienen der Durchmischung des Stoffstroms. Beispielsweise ist aus der Patentschrift DE 2808854 C3 eine Vorrichtung für den Wärmeaustausch bekannt. In dieser Vorrichtung wird vorwiegend der Stoffstrom gemischt. Hierfür sind in dieser statische Mischelemente eingebaut. Solche Einbauten liegen beispielsweise in Form von Stegen oder Steglatten vor, die als Pakete zusammengefasst hintereinander im Kanal eingebaut sind. Es handelt sich mithin um feste Einbauten, durch die die Kanalströmung umgelenkt wird. An den Kanten bilden sich beispielsweise Strömungswirbel, die die Quervermischung verbessern. Bei solchen statischen Mischern wird zugleich der Wärmeaustausch mit der Kanalwand als Folge der erhöhten Quervermischung verbessert.

Weitere Beispiele für feste Einbauten finden sich in der EP 1 067 352 A1, der DE 1 032 6381 A1, EP 1 332 794 B1, DE 195 116 93 A1, US 7,552741 B, US 5,595,712 A, US 2012/00370 A1 und DE 195 368 56 A1. Ferner gibt es die Aufsätze Norbert Schwesiger, Thomas Frank und Helmut Wurmus: "A modular microfluid system with the integrated micromixture", Journal of micromechanisms and micro engineering (1996) 1, S. 99 - 102, Hessel, V., Ehrfeld, W., Freimuth, H., Haferkamp, V., Löwe-Richter, Th., Stadel, M. Und Wolf, A., "Publication and interconnection of ceramic microreaction systems for high temperature applications", Proc. 1 St. INT. Conf. on microreaction technology, 1997, S. 156 - 157. Allen Dokumenten ist zu entnehmen, dass der Wärmeaustausch verbessert wird sowie Turbulenzen erzeugt werden. In allen Fällen ist jedoch eine definierte Führung des Volumenstroms nicht verwirklicht. Vielmehr handelt es sich um Mischelemente, mit dem Nebeneffekt des verbesserten Wärmeaustausches.

WO 2011/115883 A2 beschreit eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, Strömungsführungen in einem Kanal so zu gestalten, dass eine definierte Führung des Volumenstroms erreicht wird und zugleich der erforderliche Wärme- und/oder Stoffaustausch z. B. mittels Diffusion gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäss Anspruch 1 gelöst.

Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäss Anspruch 7 gelöst.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzielung einer definierten Führung eines Volumenstroms eines Fluids durch einen Strömungskanal, in welchem mikrokanalstruktuierte (mikorstrukturierten) Strömungsleitelemente zur Aufteilung des Volumenstroms und der definierten Führung der entstehenden Teilströme von Fluiden angeordnet sind.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können Austauschvorgänge sowohl mit der Kanalwand als auch zwischen den Teilströmen ablaufen. Durch die Aufteilung des Volumenstroms in Teilströme und abhängig von der Form der Strömungsleitelemente wird die Kontaktstrecke mit der Rohrwand sowie zwischen den einzelnen Teilströmen vorgegeben. Durch Variationen der geometrischen Form entlang des Kanals kann die Kontaktstrecke prozessabhängig verändert und somit der Prozess beeinflusst werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Kanalströmung demgemäß nicht nur lokal umgelenkt, sondern es wird eine definierte Strömungsführung im Kanal gewährleistet.

Erfindungsgemäß sind in dem Strömungskanal mikrostrukturierte Strömungsleitelemente vorhanden. Strömungsleitelemente sind dünnwandige Bauteile, die in einen Strömungskanal (z.B. ein Rohr) eingebaut werden. Aufgabe der Strömungsleitelemente ist es, die Strömungsführung in einem Kanal so zu gestalten, dass ein Fluidstrom in Teilströme aufgeteilt und diese Teilströme abwechselnd an die Wand des Strömungskanals geführt werden. Dadurch können Austauschvorgänge mit der Kanalwand und/oder zwischen Teilströmen ablaufen. Die Strömungsleitelemente werden aus Grundformelementen aufgebaut.

Im Ergebnis handelt es sich darum, dass der Gegenstand der Erfindung keine Mischelemente sind, sondern Strömungsleitelemente in einem Strömungskanal. Ziel ist die Unterteilung einer Kanalströmung in definiert geführte Teilströme, wobei ein gezielter Wärmeaustausch aller geführten Teilströme an der Wandung stattfinden soll.

Durch das erste im Strömungskanal eingebaute Strömungsleitelement wird ein in den Strömungskanal einströmender Fluidstrom in Teilströme unterteilt. Ist ein Strömungsleitelement aus nur einem Grundformelement aufgebaut, werden zwei Teilströme erzeugt. Wurde das Strömungsleitelement aus mehreren Grundformelementen aufgebaut, legt deren Anordnung die Anzahl der Teilströme fest.

Die mikrostrukturierten Strömungsleitelemente sind mit der sog. 3D-Drucktechnik herstellbar. D.h. mit Hilfe der 3D-Drucktechnik lassen sich komplexe Formflächen (Freiformflächen aufbauen. In bevorzugten Ausführungsformen haben die mikrostrukturierten Strömungsleitelemente einen kreis-, kreisring-, ellipsen- oder rechtecksförmig ausgestalteten Querschnitt.

Die Kanalhöhe der mikrostrukturierten Strömungsleitelemente liegt bei 0,1 - 100 mm, vorzugsweise 0,1 - 5 mm.

In demselben Bereich ist auch die Breite der mikrokanalstrukturierten Strömungleitelemente anzusiedeln.

Die Länge der mikrostrukturierten Strömungsleitelemente beträgt 3 - 300 mm, vorzugsweise 5 - 50 mm

Die Wandstärke der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente liegt bei 0,01 - 0,5 mm, vorzugsweise 0,1 - 0,3 mm.

Die Strömungsleitelemente werden derart in den Strömungskanal eingesetzt, dass sie etwa 5 - 50 %, vorzugsweise 5 - 30 % des kanalförmigen Elements (Strömungskanals) einnehmen.

Die erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Strömungsleitelemente können auch ein katalytisch wirksames Material aufweisen oder hieraus bestehen. Ebenso ist es möglich, dass die Strömungsleitelemente mit katalytisch aktivem Material, einem Korrosionsschutz oder einer Antifoulingschicht versehen sind oder mit beliebigen Kombinationen der genannten Schichten beaufschlagt sind. Ebenso ist es möglich, dass die Strömungsleitelemente aus den genannten Materialien bestehen.

Als bevorzugte Materialien für die Herstellung der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente können diese Metall, Keramik oder Kunststoffe enthalten oder hieraus bestehen, oder beliebige Kombinationen der genannten Stoffe aufweisen oder aus diesen bestehen.

Durch die mikrostrukturierten Strömungsleitelemente kann der Volumenstrom eines Fluids in beliebiger Weise aufgeteilt werden. Von zwei bis unendlich sind beliebige Teilströme denkbar. Beispielsweise können vier oder sechs Teilströme vorgesehen sein.

Durch die Strömungsleitelemente wird eine Führung (definierte Strömungsführung) der Teilströme erreicht. Hierbei ist die Konstruktion so ausgeführt, dass die Teilströme abwechselnd mit der Innenwand des kanalförmigen Elements (Wandung des Strömungskanals) und mit den anderen Teilströmen in Berührung gebracht werden. Der Wärmeaustausch mit der Wandung des Srömungskanals wird durch die im Strömungskanal eingebauten Strömungsleitelemente wie folgt verbessert:
Ein Teilstrom wird an die Wandung des Strömungskanals geführt. Infolge einer vorhanden Temperaturdifferenz zwischen Fluid und Wandung des Strömungskanals findet ein Wärmeaustausch zwischen Fluid und Wandung des Strömungskanals statt. Der sich einstellende Wärmestrom zwischen Fluid und Wandung des Strömungskanals hat einen Wärmetransport durch die Fluidschicht zur Folge.

Bei einem Strömungskanal limitiert die Wärmeleitfähigkeit des Fluids den Wärmeübergang. Bei einem Strömungskanal mit Strömungsleitelementen wird ein Teilstrom nach einer Kontaktstrecke, die der Länge eines Strömungsleitelements entspricht, von der Wandung des Strömungskanals weggeführt und während der Verweilzeit im Inneren des Strömungskanals findet ein Temperaturausgleich im Teilstrom statt. Nach dem Durchströmen der Temperaturausgleichsstrecke wird der Teilstrom wieder zurück an die Wandung des Strömungskanals geführt.

Die Strömungsleitelemente sind mit unterschiedlichen Mikrokanalformen gefertigt, d. h. aus Grundformelementen aufgebaut. Dies ermöglicht es, dass die Teilströme beliebig in dem kanalförmigen Element geführt werden können. Hier sind jedoch die mikrokanalstruktierten Strömungsleitelemente fest eingebaut. Damit ist gewährleistet, dass ein ständiger Kontakt mit der Kanalwand bzw. den anderen Teilströmen, an definierten Flächen gewährleistet ist. Damit lässt sich gezielt ein Wärme- bzw. Stoffaustausch erreichen. Im Ergebnis ist so eine kontrollierte Reaktions- und/oder Prozessführung bei gleichzeitiger Prozesstemperierung innerhalb der mikrostrukturierten Strömungsleitelemente möglich. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben:

1 - 6

= Teilströme

7,8

= Strömungsleitelement

9

= Kanalförmiges Element

10

= Rohrwand

11

= Halbwellenlänge Lambda/2

10 -14

= Teilebene

15

= Kanal

16

= Fluidstrom

17

= Querschnitt des Teilstroms

18

= Berührungsflächen

19

= Grundformelemente

20

= Position 1

21

= Position 2

22

= Position 3

23

= äußerer Kreisring

24

= innerer Kreisring

25

= Innenkreis

26

= Fluid 1

27

= Fluid 2

Gemäß Figur 1 ist die Rohrströmung in vier Teilströme zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Wand des kanalförmigen Elements und Stoffstrom aufgeteilt. In dem kanalförmigen Element sind in dem Beispiel gemäß Fig. 1 zwei Strömungsleitelemente 7,8 eingebaut. Die Wandstrukturen der Strömungsleitelemente 7,8 führen die Teilströme 1, 2, 3 und 4. Teilstrom 2 durchdringt Teilstrom 1 und wird zur Rohrwand 10 des kanalförmigen Elementes geleitet. Die Strömungsleitelemente weisen an der Berührungsfläche zwischen Teilstrom 2 und Teilstrom 3 keine Wand auf. Das heißt dort können die Teilströme sich stofflich austauschen. An der Wand des kanalförmigen Elements findet ein Wärmeaustausch statt. Der Teilstrom 1 wird von der Wand 10 des kanalförmigen Elementes Richtung Mitte des kanalförmigen Elementes geleitet. Ein entsprechender Austausch findet bei den Teilströmen 3 und 4 statt. Der entsprechende Austauschvorgang wiederholt sich im zweiten mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelement 8. Die Wellenlänge für einen Austauschzyklus entspricht der Länge von zwei Strömungsleitementen. Diese kann als Designparameter abhängig von der Viskosität des Stoffstroms gewählt werden.

Die Randbedingungen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 sind folgende:

• Anzahl der Teilströme n = 4
• Innendurchmesser des kanalförmigen Elements d = 10 mm
• Länge der Strömungsleitelemente 7 und 8 l = 15 mm
• Wellenlänge Lambda = 30 mm
• Wandstärke der Strömungsleitelemente 7,8 s = 0,3 mm

Das mikrostrukturierte Strömungsleitelement wurde mithilfe der 3D-Drucktechnik aus Metall hergestellt. Der Volumenverbrauch durch die Einbauten beträgt in dem Beispiel gemäß Figur 1 8 % des Innenvolumens des kanalförmigen Elementes.

Mit der Anlage gemäß Figur 1 können hochviskose Fluide bei geringem Druckverlust homogen aufgeheizt werden.

Die Aufteilung der Volumenströme in dem kanalförmigen Element 9 erfolgt gemäß Figuren 2 und 3 in 18 Teilströme. Hierdurch lässt sich eine Optimierung der Prozessführung einer heterogenen Gasphasenreaktion und Temperierung über die Wand 10 des kanalförmigen Elementes 9 erreichen.

In einem kanalförmigen Element 9 sind drei mikrokanalstrukturierte Strömungsleitelemente eingelegt. Der Volumenstrom wird in dem ersten Element wiederum in sechs Teilebenen unterteilt. In jeder Teilebene wird der Volumenstrom nochmals in drei Teilströme aufgeteilt, so dass insgesamt 18 Teilströme entstehen.

Figur 3 zeigt den Verlauf der Teilströme je Teilebene (1.1, 2.1, 3.1, 4.1, 5.1, 6.1) auf einer Wegstrecke von 3 Strömungsleitelement-Längen. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Strömungsleitelemente in sechs Teilebenen unterteilt sind, die Teilströme werden systematisch von Teilebene zu Teilebene geführt. Jeder Teilstrom wird einmal an die Wandung des Strömungskanals geführt, wie dies aus Figur 3 ersichtlich ist. D.h. jedes mikrostrukturierte Strömungsleitelement kann einmal einen Wärmeaustausch an der Wandung des Strömungskanals durchführen. Nach einer Wegstrecke von sechs Einbauelementlängen haben die Teilströme wieder die Ausgangsposition erreicht, d.h. ein Austauschzyklus wurde durchlaufen. In dem Beispiel gemäß den Figuren 2 und 3 entspricht die Wellenlänge für einen Austauschzyklus der Länge von sechs mikrostrukturierten Strömungsleitelementen. Die Kontaktstrecke an der Wandung des Strömungskanals und die Verweilzeit zwischen zwei Wandkontakten wird durch die Geometrieparameter definiert. Alle Teilströme haben gleich lange (äquivalente) Kontaktstrecken.

In dem Beispiel gemäß Figur 2 und 3 wurde das mikrostrukturierte Strömungsleitelement mithilfe der 3D-Drucktechnik aus Metall mit einer konstanten Wandstärke s = 0,2 mm hergestellt. Die mikrostrukturierten Strömungsleitelementformen und -längen sind so gewählt, dass die Bauteile sicher mit einem katalytisch aktiven Material zu beschichten sind, bzw. aus katalytischem Material bestehen.

In dem Beispiel gemäß den Figuren 4 und 5 ist ein kreisförmiges, kanalförmiges Element dargestellt. Gemäß Figur 4 wird im Querschnitt des kanalförmigen Elements gezeigt, wie in den einzelnen kreisförmig angeordneten Teilebenen der Elemente 7, 12 - 14, die Teilströme mit den mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelementen angeordnet sind. Aus Figur 4 ist ersichtlich, dass je Teilebene drei Teilströme definiert sind.

Gemäß Figur 5 ist ersichtlich, dass die Teilebenen 12, 13 und 14 als Einbauten konstruiert sind, zwischen denen die Teilströme radial ausgetauscht werden. Auch hier ist gewährleistet, dass jeweils ein Teilstrom mindestens einmal an die Kanalwand geführt wird und mit anderen Teilströmen in Berührung gerät, so dass hier ein Stoffaustausch stattfinden kann.

Gemäß Figur 6 besteht ein Strömungsleitelement 7,8 in der einfachsten Form aus genau einem Grundformelement 19 und kann in einen Strömungskanal 15 mit rechteckigem Querschnitt eingebaut werden. Die geometrische Form ist so konstruiert, dass der in Teilströme aufgeteilte Fluidstrom ein Strömungsleitelement 7,8 mit minimalem Druckverlust durchströmt.

Gemäß Figur 7 kann der Fluidstrom 16 in Teilströme 1, 2 aufgeteilt werden. Der Kanalquerschnitt 17 wird durch das Strömungsleitelement 7,8 in zwei Teilströme 1 und 2 unterteilt.

Gemäß Figur 8 erfolgt ein Austausch der Teilströme. Der Teilstrom 1 wird durch das Strömungsleitelement 7,8 nochmals in die Teilströme 2.1 und 2.2 unterteilt.

Gemäß Figur 9 ist die Berührungsfläche 18 zweier Teilströme 2.1 und 2.2 dargestellt. Die Teilströme 2.1 und 2.2 werden nach Umströmung von Teilstrom 1 wieder zusammengeführt. Über die Berührungsfläche 18 ist ein Wärmeaustausch und/oder Stoffaustausch (z.B. durch Diffusion) möglich.

In Figur 10 ist die Anordnung der Grundformelemente 19 dargestellt. Durch Parallelschaltung in Richtung der X-Koordinatenachse wird die Anzahl der Teilströme 1 - 6 erhöht. Ein Strömungselement, aufgebaut aus drei parallelen Grundformelementen unterteilt einen Fluidstrom 16 in sechs Teilströme 1 - 6.

Gemäß Figur 11 ist eine Reihenschaltung in Richtung der Z-Koordinatenachse darstellt.

Die Strömungsleitelemente 7,8 werden in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet. Die Teilströme 1 und 2 werden getrennt durch den Kanal geführt. Der Teilstrom 1 wird durch einen Strömungsquerschnitt 17a geführt. In gleicher Weise wird der Teilstrom 2 durch einen Strömungsquerschnitt 17b geführt.

Figur 12 zeigt die Anordnung der Grundformelemente 19 bzw. Strömungsleitelemente 7,8. Es erfolgt eine Parallelschaltung in Richtung der Y-Achse und Reihenschaltung in Richtung der Z-Achse. Durch die Parallelschaltung von Grundformelementen 19 in Richtung der Y-Koordinatenachse wird die Anzahl der Teilströme auf 1 - 3 erhöht und durch eine zusätzliche Reihenschaltung der Strömungsleitelemente 7,8 werden die Teilströme 1-3 abwechselnd an die Kanalwand geführt. D.h. ein Strömungsleitelement 7,8, aufgebaut aus zwei parallel geschalteten Grundformelementen 19 unterteilt einen Fluidstrom in drei Teilströme 1, 2, 3. Hierbei werden die Strömungsleitelemente aus Grundformelementen aufgebaut. Die geometrische Form ist so konstruiert, dass Fluidströme mit einem minimalen Druckverlust ein Strömungsleitelement 7,8 durchströmen. Ein Strömungsleitelement 7,8 kann aus einem oder mehreren parallel geschalteten Grundformelementen 19 aufgebaut sein.

Gemäß Figur 13 werden Strömungsleitelemente 7,8 in einem Kanal angeordnet. Die Strömungsführung der Teilströme erfolgt mit Parallel- und Reihenschaltung. Das Strömungsleitelement 7,8 ist aus zwei in Richtung der y-Koordinatenachse parallel geschalteten Grundformelementen 19 aufgebaut. Die drei Strömungsleitelemente 7,8 sind in Reihe (z-Richtung) geschaltet. Der Teilstrom 3 wird im ersten und zweiten Strömungsleitelement von Teilstrom 3 über die Position 20 nach Position 21 geführt. Im dritten Srömungsleitelement wird der Teilstrom 3 wieder von Position 20 nach Position 22 geführt. Das Strömungsleitelement ist mit den Ziffern 7,8 gekennzeichnet.

Die Figuren 14, 15, 16 sind geometrisch identisch. Sie snd Varianten der Figuren 4 und 5.

Gemäß Figur 14 erfolgt eine Parallelschaltung transformierter Grundformelemente 19 in Radial- und Umfangsrichtung in einem Rohr mit der Rohrwand 10 in einem kanalförmigen Element 9. In dem Beispiel liegen zwei gekrümmte Grundformelement 19 in radialer Richtung oder drei gekrümmte Grundformeiemente 19 in Umfangsrichtung vor. Durch die Anzahl der parallel geschalteten Grundformelemente 19 wird die Anzahl der Teilströme 1 - 6 definiert. Bei drei Grundelementen 19 können neun Teilströme resultieren. In der Abbildung gemäß Fig. 14 teilt das kreisförmige Strömungsleitelement 7,8 den Fluidstrom in einen Kreisring 23 . Darunter folgt ein Kreisring 24 und ein Innenkreis 25.

Gemäß Figur 15 erfolgen in einem kreisförmigen, kanalförmigen Element 9 Aufteilungen des Fluidstroms 16. Z.B. kann ein Strömungsleitelement 7,8 aus 2 in radialer Richtung und 3 in Umfangsrichtung gekrümmten Grundformelementen aufgebaut sein. Der Kanalquerschnitt wird durch das Strömungsleitelement 7,8 in Kreis- bzw. Kreisringteilstromquerschnitt unterteilt. Der in das kanalförmige Element 9 eintretende Fluidstrom 16 wird durch das erste Strömungsleitelement in 9 Teilströme aufgeteilt. In Position 1 im Kreisring sind die Teilströme 20. In Position 2 im Kreisring sind die Teilströme 21 und in Position 3 sind die Teilströme 22 im Innenkreis angeordnet.

Figur 16 stellt eine weitere Variation der Funktion der Strömungsleitelemente in einem kreisförmigen, kanalförmigen Element 9 dar. Das Strömungsleitelement ist aus 2 x 3 gekrümmten Grundformelementen 19 aufgebaut. Der Kanalquerschnitt (Querschnitt des kanalförmigen Elements 9) wird durch das Strömungsleitelement in Kreis- bzw. Kreisringteilstromquerschnitt unterteilt. Der in den Kanal eintretende Fluidstrom 16 wird durch das erste Strömungsleitelement in neun Teilströme aufgeteilt. In Position 1 sind die Teilströme 20 im äußeren Kreisring dargestellt. Die Teilströme 21 sind im inneren Kreisring vorhanden. Die Teilströme 22 sind im Innenkreis vorhanden.

Figur 17 zeigt einen Versuchsaufbau für die Messung des thermischen Wirkungsgrades. Hierbei sind mit T die Temperaturen gekennzeichnet. Gemessen wird T₁₀ des einfließenden Fluids 1 und die Temperatur T₁₁ des ausfließenden Fluids 1. Auf der anderen Seite wird das Fluid 2 mit der Temperatur T₂₀ gemessen und die Temperatur T₂₁ zeigt das Fluid 2. Das Fluid 1 hat die Ziffer 26, und das Fluid 2 die Ziffer 27.

Die folgende Tabelle zeigt die Messergebnisse der Versuche mit Strömungsleitelementen und ohne Strömungsleitelemente. Die letzte Spalte zeigt den thermischen Wirkungsgrad.

Dieser ist bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen und mit Strömungsleitelementen erheblich größer als ohne Strömungsleitelement. Die dunkel unterlegten Zeilen geben die Ergebnisse der Versuche mit Strömungsleitelementen an. Die hellgrau unterlegten Zeilen geben die Ergebnisse der Versuche ohne Strömungsleitelemente an.