DE20201753U1 - Modular microreactor system - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein modulares Mikroreaktorsystem, bestehend aus einem Trägersystem und miteinander durch Stoffaustauschkanäle verbundenen Mikroreaktormodulen wie Reaktionskammern, Heizvorrichtungen, Mischern, Separatoren und anderen Bauelementen gleicher oder unterschiedlicher Art, die zu einem Mikroreaktorsystem zusammensetzbar sind.The invention relates to a modular microreactor system, consisting of a carrier system and microreactor modules connected to one another by mass transfer channels, such as reaction chambers, heating devices, mixers, separators and other components of the same or different type, which can be assembled to form a microreactor system.
Derartige Systeme können für einzelne Operationen wie das Durchführen von chemischen, biochemischen und physikochemischen Reaktionen, Destillieren, Mischen, Trennen usw. verwendet werden und auch für den Aufbau einer ganzen Kette von Operationen bis hin zu einer miniaturisierten chemischen Fabrik dienen.Such systems can be used for individual operations such as carrying out chemical, biochemical and physicochemical reactions, distilling, mixing, separating, etc., and can also be used to set up a whole chain of operations up to a miniaturized chemical factory.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 199 17 330 ist bereits ein Mikroreaktorsystem mit einer Anzahl von Mikroreaktormodulen gleicher oder unterschiedlicher Art bekannt, bei dem jeweils zwei Mikroreaktormodule formschlüssig derart miteinander verbunden sind, dass die von einem Modul zum anderen Modul führenden Fluidkanäle nach außen abdichtend miteinander verbunden sind. Dabei können die einzelnen Module mittels eines Spannelementes miteinander verbunden sein, das die Module aneinanderpresst. Sie können jedoch auch durch haken- oder schwalbenschwanzförmige Elemente miteinander verbunden sein. Dieses System hat den Vorteil, dass die Einzelmodule aus dem System herausgenommen werden können, ohne dass der gesamte Aufbau zerlegt werden muss.A microreactor system with a number of microreactor modules of the same or different types is already known from German laid-open specification 199 17 330, in which two microreactor modules are connected to one another in a form-fitting manner such that the fluid channels leading from one module to the other module are connected to one another in a sealing manner to the outside. The individual modules can be connected to one another by means of a clamping element that presses the modules together. However, they can also be connected to one another by hook- or dovetail-shaped elements. This system has the advantage that the individual modules can be removed from the system without the entire structure having to be dismantled.
Es wurde nun gefunden, dass ein derartiges Mikroreaktorsystem in besonders einfacher und übersichtlicher Weise aufgebaut werden kann, wenn die einzelnen Mikroreaktormodule in ein z.B als eine Grundplatte oder als ein Drahtgitter ausgestaltetes Trägersystem eingehängt oder eingesteckt werden, welches Aussparungen aufweist, die der äußeren Formgebung der Mikroreaktormodule angepasst sind.It has now been found that such a microreactor system can be constructed in a particularly simple and clear manner if the individual microreactor modules are suspended or inserted into a support system designed, for example, as a base plate or as a wire mesh, which has recesses that are adapted to the external shape of the microreactor modules.
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Die beliebig geformten Mikroreaktormodule sind dabei brückenartig über Stoffaustauschkanäle enthaltende Anschlussstücke zu einem Mikroreaktorsystem zusammensetzbar und nach außen abgedichtet.The microreactor modules of any shape can be assembled like a bridge via connecting pieces containing mass transfer channels to form a microreactor system and are sealed to the outside.
Zweckmäßigerweise werden die in die Aussparungen des Trägersystems, also z.B. in eine Grundplatte eingesetzten oder eingesteckten Mikroreaktormodule in der Aussparung fixiert, so dass eine definierte Position jedes Mikroreaktormoduls gewährleistet ist. Hierzu weisen die Reaktormodule zur Auflage auf dem Rand der Aussparung einen ringförmig umlaufenden Kragen oder seitliche angeordnete Zapfen oder Einrasthilfen auf. Außerdem kann eine mechanische Fixierung durch einen aus der Wandung des Reaktormoduls herausstehenden, von unten an den Rand der Aussparung angreifenden Schnapphaken, durch einen Bajonettverschluss oder durch einen den äußeren Umfang des Reaktormoduls umfassenden flexiblen Ring oder auch durch Magnetelemente bewirkt werden.It is advisable to fix the microreactor modules inserted or plugged into the recesses of the carrier system, e.g. into a base plate, in the recess so that a defined position of each microreactor module is guaranteed. For this purpose, the reactor modules have a ring-shaped collar or pins or locking aids arranged on the side to rest on the edge of the recess. In addition, mechanical fixation can be achieved by a snap hook protruding from the wall of the reactor module and engaging the edge of the recess from below, by a bayonet lock or by a flexible ring enclosing the outer circumference of the reactor module or by magnetic elements.
Die erforderlichen elektrischen Zuleitungen können in die Grundplatte integriert oder unter der Grundplatte eingefügt sein.The required electrical supply lines can be integrated into the base plate or inserted under the base plate.
Die Abdeckung und der Grundkörper jedes Reaktormoduls sind vorzugsweise durch eine Verschraubung oder durch einen Spannring fest miteinander verbunden.The cover and the base body of each reactor module are preferably firmly connected to each other by a screw connection or a clamping ring.
Ein derartiges Mikroreaktorsystem kann sämtliche für den Aufbau einer chemischen Anlage notwendigen Operationselemente enthalten wie z. B. Reaktionsräume, die heiz- oder auch kühlbar sind, Mischsysteme, Pumpen, Destillationselemente, Filter und Separatoren. Auch Elemente zum Steuern, Regeln, Detektieren und Kontrollieren von Prozessen können in solchen Modulen enthalten sein. Auf diese Weise lassen sich Anlagen zur Herstellung der unterschiedlichsten chemischen Substanzen zusammenbauen.Such a microreactor system can contain all the operational elements required to set up a chemical plant, such as reaction chambers that can be heated or cooled, mixing systems, pumps, distillation elements, filters and separators. Elements for controlling, regulating, detecting and monitoring processes can also be included in such modules. In this way, plants for producing a wide variety of chemical substances can be assembled.
Da in solchen Anlagen nur äußerst geringe Mengen umgesetzt werden, kann das Aufheizen, Kühlen oder Trennen der Substanzen in Sekundenbruchteilen erfolgen. Die Reaktormodule eignen sich deshalb sowohl zum Mischen, Wärmen, Kühlen, für elektrisch oder optisch induzierte Reaktionen, aber auch zum Messen und Kontrollieren, zum Zentrifugieren und Filtrieren von Substanzen. Durch ein ParallelschaltenSince only extremely small quantities are converted in such systems, the heating, cooling or separation of substances can be carried out in fractions of a second. The reactor modules are therefore suitable for mixing, heating, cooling, for electrically or optically induced reactions, but also for measuring and controlling, centrifuging and filtering substances. By connecting them in parallel
einer Vielzahl derartiger Mikroreaktorsysteme ist es möglich, chemische Substanzen auch im großtechnischen Maßstab herzustellen.A large number of such microreactor systems make it possible to produce chemical substances on an industrial scale.
Das erfindungsgemäße Mikroreaktorsystem kann zusätzlich auch noch mit einer Fluidleiterplatte kombiniert werden. Dabei weist eine derartige Fluidleiterplatte entsprechende, zum Reaktorsystem passende Verbindungselemente auf. Die Fluidleiterplatte selbst enthält Leiterelemente, mit denen die Reaktormodule mit Reaktionsfluiden, Kühl- oder Heizfluiden oder mechanischen Elementen sowie mit elektrischem Strom oder elektrischer Spannung versehen werden können. Sie können auch optische Leitungselemente, z. B. Glasfasern, enthalten. In einer weiteren, erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Fluidleiterplatte derart ausgebildet, dass die Reaktormodule nicht oder nicht ausschließlich miteinander in direktem Kontakt angeordnet sind, sondern auch über die in der Fluidleiterplatte angeordneten Leitungen miteinander kommunizieren.The microreactor system according to the invention can also be combined with a fluid circuit board. Such a fluid circuit board has corresponding connecting elements that match the reactor system. The fluid circuit board itself contains conductor elements with which the reactor modules can be provided with reaction fluids, cooling or heating fluids or mechanical elements as well as with electrical current or electrical voltage. They can also contain optical line elements, e.g. glass fibers. In a further embodiment according to the invention, the fluid circuit board is designed such that the reactor modules are not or not exclusively arranged in direct contact with one another, but also communicate with one another via the lines arranged in the fluid circuit board.
Im Folgenden wird das Mikroreaktorsystem anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The microreactor system is explained in more detail below using the drawings as an example. They show:
Fig. 1 eine mit Aussparungen versehene Grundplatte, in die einzelne Reaktormodule eingehängt sind;Fig. 1 a base plate provided with recesses into which individual reactor modules are suspended;
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Reaktormodul;Fig. 2 shows a cross-section through a reactor module;
Fig. 3 das Prinzip des modularen Aufbaus eines Reaktormoduls;Fig. 3 the principle of the modular construction of a reactor module;
Fig. 4 Fixierungsmöglichkeiten des Reaktormoduls in der Grundplatte;Fig. 4 Fixing options for the reactor module in the base plate;
Fig. 5 ein Beispiel für einen orientierungsrichtigen Einbau eines Reaktormoduls in die Grundplatte;Fig. 5 an example of a correctly oriented installation of a reactor module into the base plate;
Fig. 6 eine Grundplatte mit einem Verschlusssystem für vier Reaktormodule in Draufsicht;Fig. 6 a base plate with a locking system for four reactor modules in plan view;
Fig. 7 einen Querschnitt durch ein Verschlusssystem für vier Reaktormodule;Fig. 7 shows a cross-section through a closure system for four reactor modules;
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Fig. 8 krampenartige Fixierungsstücke für die die Reaktormodule verbindenden FIuidkanäle; Fig. 8 clamp-like fixing pieces for the fluid channels connecting the reactor modules;
Fig. 9 verschieden geformte Verschlussstücke für jeweils vier Reaktormodule; Fig. 10 Befestigungssysteme für Anschlussstücke auf dem Trägersystem.Fig. 9 Differently shaped closure pieces for four reactor modules each; Fig. 10 Fastening systems for connectors on the support system.
Fig. 1 zeigt eine vorzugsweise aus keramischem Material, Metall oder Kunststoff hergestellte Grundplatte (1) mit zahlreichen Aussparungen (2). In diese Aussparungen werden die Reaktormodule (3) eingesetzt oder eingesteckt und über Anschlussstücke (4) miteinander verbunden. In den Verbindungsstücken sind Stoffaustauschkanäle (5), insbesondere Fluidkanäle, vorgesehen sowie Dichtungen (6) angebracht, die einen Austritt von Flüssigkeiten aus dem Reaktorsystem verhindern.Fig. 1 shows a base plate (1) preferably made of ceramic material, metal or plastic with numerous recesses (2). The reactor modules (3) are inserted or plugged into these recesses and connected to one another via connecting pieces (4). Mass transfer channels (5), in particular fluid channels, are provided in the connecting pieces and seals (6) are attached which prevent liquids from escaping from the reactor system.
Die zweckmäßigerweise auf kurzen Stützen (7) stehende Grundplatte ermöglicht die Verlegung von elektrischen Zuleitungen und Verbindungen zu Steuerelementen oder einer Halbleiterplatte auf der Unterseite der Grundplatte. Jedes Mikroreaktormodul (3) enthält eine abgeschlossene Funktionseinheit für einen Teilprozess wie Mischen, Wärmen, Kühlen, Zentrifugieren, Filtrieren, die in der für den jeweiligen Prozess erforderlichen Reihenfolge zusammengesetzt werden.The base plate, which conveniently stands on short supports (7), enables electrical supply lines and connections to control elements or a semiconductor plate to be laid on the underside of the base plate. Each microreactor module (3) contains a self-contained functional unit for a sub-process such as mixing, heating, cooling, centrifuging, filtering, which are assembled in the order required for the respective process.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Reaktormodul, das in die Grundplatte (1) eingehängt ist. In dem Funktionsraum (11) kann beispielsweise eine chemische Reaktion stattfinden. Auf dem Grundkörper befindet sich ein Handrad (9), mit dem über einen Spannteller (8) gleichzeitig mehrere Anschlussstücke (4) festgezogen werden können. Außerdem zeigt das Reaktormodul Anschlussstücke (4), die Stoffaustauschkanäle (5) zum Einleiten und Ausleiten der Reaktionsmischung aufweisen. Schließlich ist ein umlaufender Kragen (12) des Reaktormoduls gezeigt, der auf der Grundplatte (1) aufliegt.Fig. 2 shows a cross-section through a reactor module that is suspended in the base plate (1). A chemical reaction can take place in the functional space (11), for example. On the base body there is a handwheel (9) with which several connecting pieces (4) can be tightened simultaneously via a clamping plate (8). The reactor module also shows connecting pieces (4) that have mass transfer channels (5) for introducing and discharging the reaction mixture. Finally, a circumferential collar (12) of the reactor module is shown, which rests on the base plate (1).
Fig. 3 zeigt das Prinzip des modularen Aufbaus eines Mikroreaktormoduls. Gezeigt werden ein Grundkörper (10), der mit einem umlaufenden Kragen (12) ausgestattet ist, sowie die Anschlussstücke (4), die mittels des Spanntellers (8) und eines Hand-Fig. 3 shows the principle of the modular construction of a microreactor module. It shows a base body (10) which is equipped with a circumferential collar (12) and the connecting pieces (4) which are connected by means of the clamping plate (8) and a hand
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rades (9) auf dem Reaktormodul befestigt sind. Es kann einen runden Querschnitt aufweisen. Die Anzahl der Fluidkanalöffnungen im Reaktormodul ist nicht auf zwei beschränkt, sondern kann den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden. Die Darstellung in Fig. 3 zeigt ein Reaktormodul mit vier Fluidkanalöffnungen. Durch den Spannteller (8) werden die Anschlussstücke (4) mit ihren Dichtungen (6) so auf die Fluidkanalöffnungen gedrückt, dass ein Flüssigkeitsaustritt mit Sicherheit vermieden werden kann. An den Außenflächen der Mikroreaktormodule (3) können darüber hinaus Buchsen für elektrische Anschlüsse, optische Sichtfenster zur Überwachung von Reaktionen oder Schnittstellen zum Anschluss von Mess- und Regeleinrichtungen vorgesehen werden.wheel (9) are attached to the reactor module. It can have a round cross-section. The number of fluid channel openings in the reactor module is not limited to two, but can be adapted to the respective requirements. The illustration in Fig. 3 shows a reactor module with four fluid channel openings. The clamping plate (8) presses the connectors (4) with their seals (6) onto the fluid channel openings in such a way that liquid leakage can be reliably prevented. In addition, sockets for electrical connections, optical viewing windows for monitoring reactions or interfaces for connecting measuring and control devices can be provided on the outer surfaces of the microreactor modules (3).
Fig. 4 zeigt Möglichkeiten zur Fixierung des Reaktormoduls in einer Aussparung der Grundplatte (1). So kann beispielsweise ein flexibler Ring (14) um das Reaktormodul gelegt werden, der von unten an der Grundplatte anliegt und dadurch das Reaktormodul befestigt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, an der Außenwand des Reaktormoduls Schnapphaken (15) vorzusehen, die in herausgestellter Form gegen die Unterseite der Grundplatte drücken und damit das Reaktormodul fixieren.Fig. 4 shows possibilities for fixing the reactor module in a recess in the base plate (1). For example, a flexible ring (14) can be placed around the reactor module, which rests against the base plate from below and thereby secures the reactor module. Another possibility is to provide snap hooks (15) on the outer wall of the reactor module, which press against the underside of the base plate in an exposed form and thus fix the reactor module.
Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit, durch Anbringung einer Nut (16) ein Einrasten des Reaktormoduls in eine Aussparung zu ermöglichen, wodurch ein Schutz gegen das Verdrehen und ein orientierungsrichtiger Einbau gewährleistet sind;Fig. 5 shows a possibility of enabling the reactor module to snap into a recess by providing a groove (16), thereby ensuring protection against twisting and installation in the correct orientation;
Fig.6 zeigt in Draufsicht und Fig.7 im Querschnitt ein besonders zweckmäßig ausgestaltetes Verspannungssystem 17, mit dem gleichzeitig vier Reaktormodule angeschlossen werden können;Fig.6 shows in plan view and Fig.7 in cross section a particularly suitably designed bracing system 17, with which four reactor modules can be connected simultaneously;
In Fig.8 sind krampenartige Fixierungsstücke (18) für die die Reaktormodule verbindenden Fluidkanäle (5) dargestellt;In Fig.8, clamp-like fixing pieces (18) for the fluid channels (5) connecting the reactor modules are shown;
Fig.9 zeigt verschiedenartig geformte Spannteller (8), die bei Betätigung eines einzigen Handrades (9) vier Reaktormodule verschließen können;Fig.9 shows differently shaped clamping plates (8) which can close four reactor modules by operating a single handwheel (9);
Fig.10 stellt unterschiedliche Befestigungssysteme (19) für Anschlussstücke (4) auf der Grundplatte dar.Fig.10 shows different fastening systems (19) for connectors (4) on the base plate.
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Die genannten Mikroreaktormodule können auf dem Trägersystem in der für die jeweilige chemische Reaktion erforderlichen Reihenfolge zweidimensional verbunden werden. Zusätzliche Verbindungselemente zwischen den Mikroreaktormodulen außer den brückenartigen Anschlussstücken sind nicht erforderlich. Damit ist der Aufbau des erfindungsgemäßen Mikroreaktorsystems einfacher als der Aufbau bekannter Mikroreaktorsysteme, bei denen die einzelnen Module miteinander verschraubt oder verspannt werden müssen und außerdem spezielle hakenförmige oder schwalbenschwanzförmige Verbindungselemente vorgesehen werden.The microreactor modules mentioned can be connected two-dimensionally on the carrier system in the order required for the respective chemical reaction. Additional connecting elements between the microreactor modules other than the bridge-like connectors are not required. This makes the structure of the microreactor system according to the invention simpler than the structure of known microreactor systems in which the individual modules have to be screwed or clamped together and special hook-shaped or dovetail-shaped connecting elements are also provided.
Die erfindungsgemäß in das Trägersystem 1 eingesetzten Mikroreaktormodule weisen vorzugsweise ein Standard-Rastermaß auf. Das Material für die Mikroreaktormodule wird nach Bedarf gewählt und kann aus Kunststoff, Stahl, Edelstahl oder auch aus beschichtetem Material oder einem Verbundmaterial bestehen.The microreactor modules used in the carrier system 1 according to the invention preferably have a standard grid dimension. The material for the microreactor modules is selected as required and can consist of plastic, steel, stainless steel or also of coated material or a composite material.
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
(1) Grundplatte(1) Base plate
(2) Aussparung(2) Recess
(3) Mikroreaktormodul(3) Microreactor module
(4) Anschlussstück(4) Connector
(5) Stoffaustauschkanal(5) Mass transfer channel
(6) Dichtung(6) Seal
(7) Stütze für die Grundplatte(7) Support for the base plate
(8) Spannteller(8) Clamping plate
(9) Handrad(9) Handwheel
(10) Grundkörper(10) Base body
(11) Funktionsraum(11) Functional room
(12) Umlaufender Kragen(12) Wraparound collar
(13) Fluidkanalöffnung(13) Fluid channel opening
(14) Flexibler Ring(14) Flexible ring
(15) Schnapphaken(15) Snap hooks
(16) Nut(16) Groove
(17) Verspannsystem für vier Reaktormodule(17) Bracing system for four reactor modules
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(18) Krampenartige Fixierungssstücke(18) Clamp-like fixing pieces
(19) Befestigungskomponenten für Anschlussstücke auf dem Trägersystem(19) Fastening components for connectors on the carrier system
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Claims (7)
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