Direktfluorierung in Mikroreaktoren mit Mehrphasenströmung als neue Syntheseroute zu fluorierten Alkoholen und Boraten als Bausteine schwach koordinierender Anionen
Technische Thermodynamik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit den Studien zu den Mikrodüsen wurde ein neues und erfolgreiches Konzept zur Erzeugung von monodispersen Mikroblasen entwickelt. Diese Düsen ermöglichen es, durch die Wahl der Längenverhältnisse flexibel Blasengröße und Frequenz für die chemische Reaktion anzupassen. Dabei wurde mit den KOH-geätzten Düsen eine Herstellungsvariante gefunden, welche die Anforderungen für eine inerte Beschichtung mit Nickel erfüllt. Diese Beschichtung wurde erfolgreich auf die Beständigkeit gegen Fluor und HF getestet. Des Weiteren wurde mit einer speziellen Anwendung der konventionellen und stromlosen Galvanik eine neue Methode gefunden, um die gesamte fluidische Struktur hermetisch zu kapseln und den Mikroreaktorchip in eine fluidische Plattform zu integrieren. Diese Methode ist eine vielversprechende Technik für zahlreiche andere Mikrofluidik- und MEMS-Anwendungen und wurde zum Patent angemeldet. Für erste Untersuchungen der grundlegenden Prozesseinheiten für die Direktfluorierung konnte ein konventionell gefertigter Minireaktor hergestellt werden. Sein Betrieb eröffnete wertvolle Erkenntnisse für die Fertigung erster Mikroreaktoren. Mit den Materialtests zu möglichen Beschichtungen von Siliziumchips konnte ein wichtiger Beitrag zur Entwicklung des Mikroreaktors geleistet werden. Für die Analysen der Versuche wurde eine umfassende Methodenentwicklung durchgeführt und stetig verbessert. Die bisher durchgeführten Experimente mit Toluol als Substrat zeigten, dass Fluorierungsreaktionen in Freiburg erfolgreich durchgeführt werden können. Die noch auftretenden Probleme bei den Reaktionen und Reaktoren wurden analysiert und die Erkenntnisse für die weitere Reaktorentwicklung verwendet. Das sich Toluol als Substrat aber als zu anfällig gegenüber Nebenprodukten und schwierig bei der Analyse erwiesen hat, wurden eine Reihe an Experimenten durchgeführt, die anderes Substrattypen und ihre Eignung in der Direktfluorierung untersuchten. Dabei wurden wertvolle Erkenntnisse zur Reaktionsführungen erhalten. Mit dem zweiten Minireaktor, der auf Basis der Erfahrungen mit dem ersten System verbessert wurde, wurden erste sehr erfolgversprechende Reaktionen mit Ethylencarbonat und Na2[B12H12] als Substrat durchgeführt. Zudem konnte gezeigt werden, dass ein Großteil der Reaktionswärme innerhalb der ersten wenigen Zentimeter des Reaktors entsteht und man die freiwerdende Wärmemenge auch quantitativ messen kann. Damit ist die Basis zur experimentellen Ermittlung der der Reaktion zugrundeliegenden Thermodynamik geschaffen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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CFD simulation and analysis of micro bubble generating nozzles for microreactors, Proc. of MikroSystemTechnik Kongress 2009, VDI, Berlin, 2009
P. Lang, P. Woias
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Numerical simulation of micro bubbles generating nozzles for microreactors, Proc. of ProcessNET 2009, Dechema, Würzburg, 2009
P. Lang, P. Woias
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Direct fluoriation of organic Substrates in a minireactor, 14. Deutscher Fluortag, Schmitten, 2010
M. Hill, I. Krossing, C. Knapp, P. Lang, P. Woias
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Direct fluorination in mini-/micro reactors, 16th ESFC 2010, Ljubljana, 2010, S. 320
M. Hill, I. Krossing, C. Knapp, P. Lang, P. Woias
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Direktfluorierung im Minireaktor, Wöhlertagung 2010, S. 72
M. Hill, I. Krossing, C. Knapp, P. Lang, P. Woias
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KOH-etched nozzles for monodisperse bubble generation in microreactors, Proc. of ICNMM 2010, ASME, Montreal 2010
P. Lang, S. Bammesberger, P. Woias
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Nozzles for monodisperse bubble generation in microreactors, Proc. of IMRET11, AIChE, Kyoto, 2010
P. Lang, T. Herbstritt, S. Dreher, P. Woias
