Entwicklung einer schnellen, in situ Meßeinrichtung für Verweilzeituntersuchungen von Gasströmungen in Mikrostrukturreaktoren

Projektziel

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine schnelle, in situ Meßtechnik entwickelt, mit der die Verweilzeitverteilung in mikrostrukturierten Systemen bestimmt werden kann. Durch diese Meßtechnik werden Hersteller und Anwender mikrostrukturierter Bauelemente in die Lage versetzt, die für die mathematische Beschreibung notwendige Verweilzeitverteilung ihrer Systeme zu bestimmen. Aufgrund der sehr kleinen Verweilzeit solcher Systeme, kann herkömmliche Meßtechnik hierfür nicht genutzt werden.

Für die Bestimmung der Verweilzeitverteilung mikrostrukturierter Systeme ist ein Meßsystem erforderlich, das einerseits eine geringe Trägheit besitzt und andererseits so geringe äußere Abmessungen aufweist, daß es in das mikrostrukturierte System integriert werden kann. Letztere Bedingung muß erfüllt sein, um Verbindungsleitungen vom mikrostrukturierten System zur Meßeinrichtung und die damit verbundenen Verweilzeiteffekte zu vermeiden.

Vorgehensweise

Ein Meßsystem nach dem Prinzip eines Wärmeleitfähigkeitsdetektors (WLD) erfüllt diese Voraussetzungen. Es kann so klein gebaut werden, daß eine Integration möglich ist und es bietet, wie Voruntersuchungen zeigten, ein so schnelles Ansprechen, daß eine Messung der Verweilzeitverteilung möglich ist. Das Bild zeigt einen solchen Sensor.

Er besitzt die äußeren Abmessungen 1cm x 1cm x 1mm und kann damit in die Mikrostruktur (nicht den mikrostrukturierten Kanal) integriert werden. Mit einem Durchmesser des Sensordrahtes von 12 µm erreicht der Sensor die geforderte geringe Trägheit. Die Zeitkonstante des Sensors liegt im Bereich von 10ms.

Ergebnisse

Es wurde ein aus Mikroreaktor, Wärmeleitfähigkeitsdetektoren und Auswerteelektronik bestehendes Sensorsystem zur Ermittlung des Verweilzeitverhaltens vom Mikroreaktoren bei Gasströmungen entwickelt, aufgebaut undFunktionstests unterzogen. Die Tests zeigten, daß es mit diesem Meßsystemmöglich ist, das Verweilzeitverhalten von Gasströmungen in Mikroreaktoren zu bestimmen.

Bei den Untersuchungen wurde eine relativ breite Verweilzeitverteilungder untersuchten Mikroreaktoren gefunden. Diessteht im Gegensatz zu den Vermutungen, daß Mikrostrukturen eine enge Verweilzeitverteilung aufweisen. Als möglichen Grund für die breite Verweilzeitverteilungkann eine ungleichmäßige Anströmung der einzelnen Kanäle des Mikroreaktors vermutet werden. Diese ist, wie Messungen des Projektpartners FZ Karlsruhe zeigten,vergleichsweise groß.

Die ungleichmäßige Anströmung erklärt auch, weshalb Versuche scheiterten, das Verweilzeitverhalten des Mikroreaktors mit Hilfe des Dispersionsmodells zu beschreiben - die Gültigkeit dieses ist im Fall einer ungleichmäßigen Anströmung nicht mehr gegeben. Es scheint daher notwendig, zur Beschreibung des Verweilzeitverhaltens von Mikroreaktoren auf diese angepaßte Beziehungen zu verwenden.

Weiterführung

In weiterführenden Arbeiten, soll mit Hilfe des entwickelten Sensorsystems, das Verweilzeitverhalten von Miroreaktoren detailliert untersucht werden. Mit Hilfe dieser Meßwerte ist dann zu prüfen, inwiefern die klassischen Ersatzmodelle zur vereinfachten Beschreibung des Reaktorverhaltens (Zellenmodell, Dispersionsmodell) in Mikroreaktoren angewandt werden kann.
Im Falle der Nichtanwendbarkeit sind neue Beziehungen für Mikroreaktoren zu entwickeln.

Das IGF-Vorhaben Nr. 13846 N der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.