Verfahrenstechnik en miniature Mikroverfahrenstechnik: Vom Vorteil der Winzigkeit

Verfahrenstechnik en miniature Mikroverfahrenstechnik: Vom Vorteil der Winzigkeit Institut für Mikroverfahrenstechnik IMVT Juergen J. Brandner www.kit.edu

Übersicht Warum denn winzig werden? Von den Vorteilen wie bekomme ich das denn so klein? Mikroapparate, Mikroreaktoren und deren Inneres es geht noch kleiner Und was habe ich nun davon? Beispiele Zusammenfassung 2 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-2

Von den Vorteilen Worum geht es eigentlich? Mikroverfahrenstechnik... Austausch von Energie, Beschränkung: Wärme Stoffen, d.h. Durchmischung, Reaktion 3 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-3

Von den Vorteilen Was braucht man dafür? Oberfläche je größer, desto besser Wärmeübertragung Chemische Reaktionen 4 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-4

Von den Vorteilen Warum denn dann Mikro? Man müßte doch größer werden... 5 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-5

Von den Vorteilen Warum denn dann Mikro? Man müßte doch größer werden... Oberflächen Volumen Verhältnis A / V Verkleinerung der Außenabmessungen: Volumen reduziert sich mit der dritten Potenz der Außenabmessungen Oberfläche reduziert sich mit der zweiten Potenz der Außenabmessungen A / V steigt an!! 6 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-6

Von den Vorteilen Oberflächen Volumen Verhältnis A / V Volumen: 1 m 3 Links: Würfel (1m x 1m x 1m): A / V = 1 Rechts: Quader (3,16m x 3,16m x 0,1m): A / V = 10 7 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-7

Von den Vorteilen Beispiele in der Natur... Vergrößerung der Lungenoberfläche durch Aufspaltung in feine Adern, Verästelung, Alveolen, Bronchialbläschen Austauschoberfläche für Gas: 15.000... 30.000 m 2 /m 3 8 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-8

Von den Vorteilen Vergleich: In einem Würfel mit 1m 3 Volumen werden 2 4 Fußballfelder hineingefaltet... Austauschoberfläche für Gas: 15.000... 30.000 m 2 /m 3 9 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-9

Von den Vorteilen Beispiele aus der Natur wir machen es genauso... Dimensionen: im Bereich des menschlichen Haares! 10 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-10

Von den Vorteilen Oberfläche und Rauhigkeit... 11 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-11

Von den Vorteilen Oberfläche und Rauhigkeit... Haarspaltereien... 12 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-12

Von den Vorteilen Oberfläche und Rauhigkeit... Haarspaltereien... 13 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-13

Von den Vorteilen Oberfläche und Rauhigkeit... Haarspaltereien... 20 x Haare spalten : 100 µm Haardicke wird zu 30 nm Rauhigkeit 14 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-14

Von den Vorteilen Aber da können doch nur winzige Mengen hindurch... 15 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-15

Von den Vorteilen Aber da können doch nur winzige Mengen hindurch... 16 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-16

Von den Vorteilen Aber da können doch nur winzige Mengen hindurch... 17 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-17

Von den Vorteilen Parallelisierung... 18 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-18

wie bekomme ich das denn so klein? Mechanische Bearbeitung...... Drehen, Fräsen, Hobeln, Bohren, Ätzen 19 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-19

Mikrostrukturierte Folien Edelstahl Folien mit geraden Mikrokanälen Gerade Mikrokanäle Mechanisch mikrostrukturierte Folien, (Kanalabmessungen 200µm x 70µm) Nasschemisch geätzte Folien, (Kanalabmessungen 350µm x 130µm, halbelliptische Form) Nasschemisch geätzte Folien, (Kanalabmessungen 350µm x 260µm, vollelliptische Form) 20 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-20

Mikrostrukturierte Folien Edelstahl Folien mit beliebig geformten Mikrokanälen Beliebig geformte Mikrokanäle Nasschemisch geätzte sinusförmige Mikrokanäle (halbelliptische Form) Kombination in Kunststoff, 3D- Fließschema 21 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-21

Mikrostrukturierte Folien Edelstahl Folien ohne Kanalstrukturen Mikrostrukturen ohne Kanäle Linear angeordnete Mikrostruktursäulen Schachbrettartig angeordnete Mikrostruktursäulen Schachbrettartig angeordnete, schilfblattförmige Mikrostruktursäulen 22 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-22

Herstellung von metallischen Mikrostrukturapparaten Mikrostrukturierung Stapeln Adaptation, Qualitätskontrolle Diffusionsschweißen 23 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-23

Beispiel: Mikrowärmeübertrager Kreuzstrom- Mikrowärmeübertrager mit einem Volumen von 1cm 3, 8cm 3 und 27cm 3 Bis zu 7 000 kg/h Massenstrom bei 0.5 MPa Druckverlust 24 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-24

Beispiel: Mikrowärmeübertrager Kreuzstrom- Mikrowärmeübertrager mit einem Volumen von 1cm 3, 8cm 3 und 27cm 3 Bis zu 7 000 kg/h Massenstrom bei 0.5 MPa Druckverlust 25 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-25

Beispiel: Mikrowärmeübertrager hot cold Wasser (95 C / 8 C) mit einem Massenstrom von etwa 700 kg/h je Passage......d.h., ein Eimer Wasser je Passage und Minute... 26 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-26

Beispiel: Mikrowärmeübertrager...d.h., ein Eimer Wasser je Passage und Minute... 27 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-27

Beispiel: Mikrowärmeübertrager 20.000 Watt...das entspricht der Leistung zum Beheizen eines Einfamilienhauses......übertragen im Volumen eines Zuckerwürfels... 28 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-28

Beispiel: Mikroreaktoren für chemische Prozesse: Noch mehr Oberfläche, Katalysatoren Apparate aus katalytisch aktivem Material Aluminium-Apparat mit anodisch oxidierter Kanalinnenfläche: Poren im Nanometerbereich Poröse Keramikschicht: Poren im Nanometerbereich Nanopartikel-Katalysatoren im Inneren von Mikrokanälen 29 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-29

Und was habe ich nun davon? Höherer Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung Chemische Industrie: Kleiner, höhere Ausbeute, weniger Rohstoffverbrauch Pharmazeutische Industrie: Maßgeschneiderte Produkte, geringerer Ressourcenverbrauch, keine Zusatzstoffe Automotive, Consumerbereich: Geringe Masse, höherer Wirkungsgrad, Ressourcenschonung, keine Zusatzstoffe u.a.m... 30 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-30

Wenn es zu groß ist 31 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-31

Wenn es zu groß ist machen wir es dann einfach kleiner? 32 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-32

Nachteile Auf Grund der kleinen charakteristischen Längen sind Anwendungen mit partikelbehafteten Fluiden, Ausfällungsreaktionen oder Fouling kritisch. Die geringen charakteristischen Längen führen i.d.r. zu einem erhöhten Druckverlust, der mit angepasstem Design nur zum Teil kompensiert werden kann. Ebenfalls kritisch: Fertigungs-toleranzen! Ein erhöhter Druckverlust lässt sich zwar durch parallele Mikrostrukturarrays vermindern, hierbei wird üblicherweise aber eine Fehlverteilung der Fluide innerhalb der Mikrostrukturanordnung in Kauf genommen. Je nach Fertigungsverfahren sind Aufbau- und Verbindungstechnik kompliziert und kostspielig. Eine bundesweite/europa-weite/weltweite Normung von Fertigungs- und Testverfahren oder Qualifizierung gibt es nicht. Es gibt keine Langzeit-Erfahrungen! 33 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-33

Wasserstofftechnik Elektrisch beheizter Mikroreformer H 2 -reiche Gasmischung Selektive CO- Oxidation Katalytbrenner zum Verdampfen von Methanol/Wasser-Gemisch Luft Dampf (B) P el Wärmeübertrager Methanol + Wasser Abgase Rest H 2 Wasser Brennstoffzelle 34 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-34

Mikrostrukturwärmeübertrager Industrieanwendungen mit großen Massenströmen Maximaler Wassermassenstrom: 35 t pro Stunde und Passage, insgesamt bis zu 300.000 t / a 1 m 5 cm Konventionelle Wärmeübertrager für (Industrie-) Anwendungen Maximal übertragbare thermische Leistung: Langsame Änderung 1 Megawatt der Temperatur Lange Verweilzeit Großes Volumen, großes Gewicht Nicht mobil... 35 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-35

Chemische Produktion IMVT & DSM Fine Chemicals, Linz, Österreich Produktion einer Feinchemikalie, sehr hohe Wärmeentwicklung Länge: Gewicht: Durchsatz: (flüssig) 650 mm 290 kg 1700 kg/h Übertragbare thermische Leistung: ca. 800 kw (für Wasser vorausberechnet) Erfolgreiche Produktionskampagnen seit 2005! 36 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-36

Potentiale, Chancen, Risiken Potential zur Anwendung in den verschiedensten Industriezweigen. Alle Möglichkeiten derzeit noch nicht abschätzbar. Chancen: Manche chemischen / pharmazeutischen / biotechnologischen Prozesse könnten in Zukunft - schneller - ressourcenschonender - effizienter - sicherer durchgeführt werden. 37 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-37

Potentiale, Chancen, Risiken Potential zur Anwendung in den verschiedensten Industriezweigen. Alle Möglichkeiten derzeit noch nicht abschätzbar. Chancen: Manche chemischen / pharmazeutischen / biotechnologischen Prozesse könnten in Zukunft - schneller - ressourcenschonender - effizienter - sicherer durchgeführt werden. Risiken:? 38 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-38

Potentiale, Chancen, Risiken Risiken: Soziologisch: Ökonomisch: Ökologisch: 39 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-39

Potentiale, Chancen, Risiken Risiken: production on site production on demand 40 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-40

Potentiale, Chancen, Risiken Risiken: Die Verlagerung von chemischen / pharmazeutischen / biotechnologischen Prozesse in den Bereich on site und on demand könnte zu - verteilten Umweltschäden - verminderter Sicherheit - ungleichförmiger Qualität von Produkten - Missbrauch führen. 41 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-41

Katalytisch aktive Mikrostrukturreaktoren Im Alltag: Automobil-Abgaskatalysator 42 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-42

Zusammenfassung Warum denn winzig werden? Von den Vorteilen......wie bekomme ich das denn so klein? Mikroapparate, Mikroreaktoren und deren Inneres... es geht noch kleiner... Und was habe ich nun davon? Beispiele... 43 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-43

Vielen Dank! Fragen 44 IMVT J.J. Brandner Verfahrenstechnik en miniature Stuttgart 2009-44