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News: Große Umsätze mit kleinen Reaktoren

Das Forschungszentrum Karlsruhe stellt eine neue Generation von hochleistungsfähigen Mikrostrukturbauteilen vor, mit denen große Mengen durchströmender Flüssigkeiten oder Gase in Sekundenbruchteilen auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden können. Für die Verbesserung der Ausbeute bei vielen chemischen Reaktionen ist dies ein entscheidender Faktor.
Trotz der kleinen Dimensionen der Bauteile sind die erzielten Stoffumsätze groß genug für industrielle Produktionsanlagen. Die Mikrostrukturreaktoren bestehen aus kreuzweise übereinander geschichteten Metallplättchen, in die mikrostrukturierte Kanäle eingearbeitet sind. Durch ein spezielles Verbindungsverfahren wird der Plättchenstapel zu einem würfelförmigen Körper verschweißt. Dieser ist vakuumdicht und druckfest bis zu mehreren hundert Bar.

"Mit den neuartigen Reaktoren ist es möglich, in einem würfelförmigen Kreuzströmer aus Edelstahl mit einer Kantenlänge von nur drei Zentimetern eine thermische Leistung von 200 kW von einem Heißwasser- auf einen Kaltwasserstrom zu übertragen. Das entspricht etwa dem Wärmebedarf von zehn Reihenhäusern", erläutert Dr. Maximilian Fichtner, Leiter der Mikroverfahrenstechnik in der Hauptabteilung Versuchstechnik des Forschungszentrums Karlsruhe.

Aber auch beliebige andere Flüssigkeiten können durch die Mikrostrukturen geschickt werden. Ist die Soll-Temperatur erreicht, können dem Medium große Wärmemengen zu- oder abgeführt werden. Dies ist besonders wichtig bei der Produktion von Chemikalien, wenn die chemische Reaktion große Wärmemengen freisetzt oder verbraucht. Durch die Verwendung eines Mikrostrukturreaktors kann die Reaktionstemperatur konstant gehalten und beispielsweise die Bildung unerwünschter Nebenprodukte teilweise drastisch verringert werden.

Dabei sind die erreichten Durchsätze pro Bauteil trotz der kleinen Abmessungen beachtenswert und stellen eine bisher unerreichte internationale Rekordmarke für Mikrostrukturreaktoren dar: Sieben Tonnen Wasser pro Stunde fließen durch eine Passage des Würfels, das entspricht einem Jahresdurchsatz von 60 000 Tonnen. Jetzt können auch industrielle Produktionsanlagen auf Basis der Karlsruher Neuentwicklung aufgebaut werden.

"Die Mikrostrukturreaktoren", so Maximilian Fichtner, "sind industrietauglich und für den Dauerbetrieb geeignet. So konnten mehrmonatige Druckbelastungstests, bei denen jeweils eine Kanalpassage des Reaktors mit mehreren 100 Bar belastet wurde, den Strukturen nichts anhaben. Darüber hinaus wurden bei Dauertests an Mikrostrukturbauteilen weder Undichtigkeiten noch Leistungseinbußen festgestellt – ein Wärmetauscher dieser Bauart verrichtet schon seit über 8000 Stunden treu seinen Dienst."

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