DE10123092A1 - Verfahren und statischer Mischer zum Mischen mindestens zweier Fluide - Google Patents
Verfahren und statischer Mischer zum Mischen mindestens zweier FluideInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Mischen mindestens zweier Fluide beschrieben, bei dem eine Vielzahl getrennter Fluidströme der beiden Fluide unter Bildung abwechselnd benachbarter Fluidlamellen zusammengeführt werden. Die vereinigten Fluidlamellen werden unter Ausbildung eines fokussierten Gesamtfluidstroms abgeführt. Der fokussierte Gesamtfluidstrom wird als Fluidstrahl in eine Wirbelkammer unter Ausbildung einer nach innen strömenden Fluidspirale eingeleitet. Das Ableiten der gebildeten Mischung erfolgt aus dem Zentrum der Fluidspirale. Der Mikrovermischer ist gekennzeichnet durch eine Wirbelkammer (6, 16, 116), in die der Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') derart einmündet, daß der fokussierte Gesamtfluidstrom als Fluidstrahl eintritt unter Ausbildung einer nach innen strömenden Fluidspirale (100). Mindestens ein mit der Wirbelkammer (6, 16, 116) fluidisch in Verbindung stehender Auslaßkanal (7) dient zum Ableiten der gebildeten Mischung.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen mindestens zweier Fluide
gemäß Patentanspruch 1 und einen statischen Mikrovermischer gemäß des
Oberbegriffs des Patentanspruchs 12.
Ziel beim Mischen mindestens zweier Fluide ist das Erreichen einer
gleichförmigen Verteilung der beiden Fluide in einer bestimmten, in der Regel
möglichst kurzen Zeit. Besonders vorteilhaft werden hierzu statische
Mikrovermischer eingesetzt, wie sie in der Übersicht von W. Ehrfeld, V.
Hessel, H. Löwe in Microreactors, New Technology for Modern Chemistry,
Wiley-VCH 2000, Seiten 41 bis 85 dargestellt sind. Für die Mischung von
Flüssigkeiten werden mit bekannten statischen Mikrovermischern durch
Erzeugen abwechselnd benachbarter Fluidlamellen einer Stärke im µm-Bereich
Mischzeiten zwischen 1 s und wenigen Millisekunden erzielt. Die Vermischung
von Gasen findet aufgrund der höheren Diffusionskonstanten noch deutlich
schneller statt. Im Gegensatz zu dynamischen Mischern, in denen turbulente
Strömungsverhältnisse vorherrschen, wird in statischen Mikrovermischern
durch die vorgegebene Geometrie ein exaktes Einstellen der Breite der
Fluidlamellen und damit der Diffusionswege ermöglicht. Die hierdurch in
statischen Mikrovermischern erzielte sehr enge Verteilung der Mischzeiten
erlaubt vielfältige Möglichkeiten der Optimierung von chemischen
Umsetzungen im Hinblick auf Selektivität und Ausbeute. Ein weiterer Vorteil
von statischen Mikrovermischern ist die Verkleinerung der Bauteilgröße und
damit Integrierbarkeit in weitere Systeme, wie Wärmetauscher und Reaktoren.
Durch das Zusammenwirken zweier oder mehrerer auf so engem Raum
zusammengeschalteter Komponenten ergeben sich wiederum neue
Möglichkeiten der Prozessoptimierung. Die Anwendungspotenziale von
Mikrovermischernerstrecken sich von flüssig-flüssig und gas-gas Mischungen
zur Bildung von flüssig-flüssig Emulsionen, gas-flüssig Dispersionen und damit
auch zu Mehrphasen- und Phasentransfer-Reaktionen.
Ein nach dem Prinzip der Multilamination arbeitender statischer
Mikrovermischer weist in einer Ebene eine mikrostrukturierte
Interdigitalstruktur aus ineinandergreifenden Kanälen einer Breite von 25 µm
oder 40 µm auf (a. a. O., Seite 64 bis 73). Die beiden zu mischenden Fluide
werden durch die Kanäle in eine Vielzahl voneinander getrennter Fluidströme
aufgeteilt, die entgegengesetzt parallel zueinander strömend und alternierend
zueinander angeordnet sind. Durch einen Schlitz werden die benachbarten
Fluidströme senkrecht aus der Ebene nach oben abgeführt und miteinander
kontaktiert. Mittels für die Massenfertigung geeigneter
Strukturierungsverfahren lassen sich die Kanalgeometrien und damit die
Fluidlamellenbreite nur begrenzt bis in den unteren µm-Bereich reduzieren.
Eine weitere Reduzierung der nach dem Multilaminationsprinzip erhaltenen
Fluidlamellen kann durch sogenanntes geometrisches Fokussieren erzielt
werden. Solch ein statischer Mikrovermischer zum Umsetzen gefährlicher
Stoffe wird von T. M. Floyd et al. auf den Seiten 171 bis 179 in
Microreaction technology: industrial prospects; proceedings of the Third
International Conference on Microreaction Technology/IMRET3, editor: W.
Ehrfeld, Springer 2000 beschrieben. Abwechselnd benachbarte Kanäle für die
beiden zu mischenden Fluide münden in einem Halbkreis radial von außen in
eine trichterförmig ausgezogene und in einen engen, langen Kanal übergehende
Kammer. Der in der Kammer vereinigte Fluidlamellenstrom wird hierbei in
den engen Kanal überführt, wodurch eine Verkleinerung der
Fluidlamellenbreite stattfindet. Unter diesen laminaren Strömungsbedingungen
erfolgt die Mischung allein durch Diffusion, so daß auch durch Reduktion der
Lamellenbreiten in den unteren µm-Bereich Mischzeiten im
Millisekundenbereich erreichbar werden. Nachteilig ist, daß der enge als
Reaktionsraum dienende Kanal im Hinblick auf eine vollständige
Durchmischung in einer ausreichenden Länge auszugestalten ist, was eine
große Bauform bedingt und einen relativ hohen Druckverlust in diesem
Mikromischer bewirkt.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren und einen statischen
Mikrovermischer zum Mischen mindestens zweier Fluide zur Verfügung zu
stellen, die ein schnelleres und gleichmäßigeres Mischen bei gleichzeitig
geringem Druckverlust und kleinem Bauraum ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1
und einem statischen Mikrovermischer gemäß Anspruch 12 gelöst.
Nachfolgend wird unter dem Begriff Fluid ein gasförmiger oder flüssiger Stoff
oder ein Gemisch solcher Stoffe verstanden, das einen oder mehrere feste,
flüssige oder gasförmige Stoffe gelöst oder dispergiert enthalten kann.
Der Begriff Mischen umfaßt auch die Vorgänge Lösen, Dispergieren und
Emulgieren. Demzufolge umfaßt der Begriff Mischung Lösungen, flüssig-
flüssig Emulsionen, gas-flüssig und fest-flüssig Dispersionen.
Unter einer Vielzahl von Fluidströmen, Fluidlamellen oder Fluidkanälen
werden je Fluid zwei oder mehr, vorzugsweise drei oder mehr, besonders
bevorzugt fünf oder mehr, Fluidströme, Fluidlamellen bzw. Fluidkanäle
verstanden. Abwechselnd benachbarte Fluidlamellen oder Fluidkanäle bedeutet
bei zwei Fluiden A, B, daß diese in mindestens einer Ebene alternierend, eine
Reihenfolge von ABAB ergebend, nebeneinander liegen. Der Begriff
"abwechselnd benachbart" umfaßt bei drei Fluiden A, B, C unterschiedliche
Reihenfolgen, wie beispielsweise ABCABC oder ABACABAC. Die
Fluidlamellen oder Fluidkanäle können auch in mehr als einer Ebene
abwechselnd benachbart liegen, beispielsweise in zwei Dimensionen
schachbrettartig zueinander versetzt liegen. Die den unterschiedlichen Fluiden
zugehörigen Fluidlamellen und Fluidkanäle sind vorzugsweise gleichgerichtet
oder entgegengerichtet parallel zueinander angeordnet. Die letztgenannte
Variante der Strömungsanordnung ist im Prinzip aus mikrostrukturierten
Interdigitalstrukturen aus ineinandergreifenden Fluid-Kanälen bekannt. Die
beiden zu mischenden Fluide werden durch die Fluid-Kanäle in einer Vielzahl
voneinander getrennter Fluidlamellen aufgeteilt, die entgegengesetzt parallel
zueinander strömend und alternierend zueinander angeordnet sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Fluiden
umfaßt mindestens vier Verfahrensschritte. Im 1. Schritt wird eine Vielzahl
getrennter Fluidströme der beiden Fluide zusammengeführt, wobei sich
abwechselnd benachbarte Fluidlamellen der beiden Fluiden bilden. Im 2.
Schritt werden die so vereinigten Fluidlamellen unter Ausbildung eines
fokussierten Gesamtfluidstroms abgeführt. Im 3. Schritt wird der so erhaltene
Gesamtfluidstrom als Fluidstrahl in eine Wirbelkammer unter Ausbildung einer
nach innen strömenden Fluidspirale eingeleitet. Im letzten Verfahrensschritt
wird die so gebildete Mischung aus dem Zentrum der Fluidspirale abgeleitet.
Das Zusammenführen erfolgt derart, daß die zunächst getrennten Fluidströme
in einen Raum einströmen. Hierbei können die Fluidströme parallel zueinander
oder ineinanderführend, beispielsweise radial nach innen, ausgerichtet sein.
Beim Zusammenführen bilden sich Fluidlamellen aus, deren
Querschnittsflächen zunächst denen der Fluidströme entsprechen. Durch das
Abführen als fokussierter Gesamtfluidstrom findet eine Reduzierung der Breite
und oder der Querschnittsfläche der Fluidlamellen statt, bei gleichzeitiger
Erhöhung der Fließgeschwindigkeit. Der so beschleunigte fokussierte
Gesamtfluidstrom wird als Fluidstrahl in die Wirbelkammer eingeleitet. Der in
die Wirbelkammer eintretende Fluidstrahl strömt entlang einer spiralförmigen
Linie nach innen zum Zentrum der Wirbelkammer, wo die Mischung abgeleitet
wird. Der Fluidstrom weist durch die vorherige Fokussierung entsprechend eng
abwechselnd benachbarte Fluidlamellen auf.
Lediglich das in der äußersten Windung strömende Fluid grenzt an die
seitlichen Innenflächen der Wirbelkammer an; die inneren Windungen der
Fluidspirale grenzen zu beiden Seiten an das in gleicher Richtung strömende
Fluid der vorhergehenden und der nachfolgenden Windung. Daher trägt zur
Reibung im wesentlichen lediglich der Kontakt mit der oberen und unteren
Innenfläche der Wirbelkammer bei. Der mit diesem Mischer erzielte
Druckverlust ist daher geringer als der bei einem Mischer mit einem
entsprechend lang ausgebildeten Fokussierungskanal. Darüber hinaus ist durch
den spiralförmigen Verlauf eine kompakte Bauform bei langer Mischstrecke
und damit langer Verweilzeit realisiert.
Ein weiterer Vorteil ist der Kontakt einer Windung der Fluidspirale mit der
vorhergehenden und der nachfolgenden Windung, was zur schnelleren
diffusiven Mischung der Fluidlamellen untereinander beiträgt.
Vorteilhaft herrschen im Innern der Wirbelkammer laminare
Strömungsverhältnisse vor. Es ist jedoch auch denkbar, in Teilbereichen
turbulente Strömungsverhältnisse bei einem sich insgesamt spiralförmig nach
innen fließenden Fluidstrom vorliegen zu haben.
Im Hinblick auf eine vollständige Mischung durch Diffusion weist der
spiralförmig nach Innen fließende Fluidstrom eine ausreichende Länge und
damit eine ausreichende Anzahl an Windungen auf, um je in die
Wirbelkammer einströmendem Fluidvolumen eine ausreichende Verweilzeit zu
erzielen.
Die Einstellung der gewünschten Verhältnisse kann insbesondere durch eine
entsprechende Wahl der Querschnittsfläche des einströmenden fokussierten
Gesamtfluidstroms, der Form und Abmessungen der Wirbelkammer sowie der
Querschnittsfläche des Auslasses für die gebildete Mischung aus der
Wirbelkammer erreicht werden.
Vorzugsweise werden Fluidströme mit jeweils einer Breite im Bereich von 1 µm
bis 1 mm und einer Tiefe im Bereich von 10 µm bis 10 mm
zusammengeführt.
Bevorzugt werden die vereinigten Fluidströme derart fokussiert, daß das
Verhältnis der Querschnittsfläche des fokussierten Gesamtfluidstroms zu der
Summe der Querschnittsflächen der zusammenzuführenden Fluidströme jeweils
senkrecht zur Strömungsrichtung im Bereich von 1 zu 1,5 bis 1 zu 500,
vorzugsweise im Bereich von 1 zu 2 bis 1 zu 50, liegt. Je kleiner das
Verhältnis ist, desto stärker wird die Lamellenbreite reduziert und desto stärker
wird die Fließgeschwindigkeit erhöht, mit der der fokussierte Gesamtfluidstrom
als Fluidstrahl in die Wirbelkammer eingeleitet wird. Gemäß einer
Ausführungsvariante weist der fokussierte Gesamtfluidstrom einen über seine
Länge gleichbleibenden Querschnitt auf. Nach einer anderen
Ausführungsvariante nimmt die Querschnittsfläche des fokussierten
Gesamtfluidstroms vom Bereich des Zusammenführens der Fluidströme hin zur
Einmündung in die Wirbelkammer ab, wobei obiges Verhältnis für den Bereich
mit kleinster Querschnittsfläche gilt.
Bevorzugt liegt das Verhältnis der Länge des fokussierten Gesamtfluidstroms
zu seiner Breite im Bereich von 1 zu 1 bis 30 zu 1, vorzugsweise im Bereich
1,5 zu 1 bis 10 zu 1. Hierbei soll der fokussierte Gesamtfluidstrom möglichst
ausreichend lang sein, um eine ausreichend fokussierende Wirkung unter
Beibehaltung der laminaren Strömungsverhältnisse zu erzwingen. Jedoch sollte
der fokussierte Gesamtfluidstrom kurz ausgebildet werden, um im Hinblick auf
einen geringen Druckverlust und eine kompakte Bauform den
Gesamtfluidstrom möglichst rasch als Fluidstrahl in die Wirbelkammer
einleiten zu können.
Vorteilhaft besitzt die Wirbelkammer in der Ebene der Fluidspirale eine im
wesentlichen runde oder ovale Form, um ein Ausbilden der Fluidspirale bei
laminaren Strömungsverhältnissen und geringem Druckverlust zu ermöglichen.
Nach einer Ausführungsform wird der fokussierte Gesamtfluidstrom in spitzem
Winkel oder bevorzugt tangential in die Wirbelkammer eingeleitet,
insbesondere um möglichst viele Windungen der Fluidspirale zu generieren,
und um Totwasserbereiche, d. h. Bereich, die nicht ständig durchströmt
werden, zu vermeiden.
Bei der Kontaktierung nicht mischbarer Fluide (z. B. flüssig-gasförmig) kann es
günstig sein, die disperse Phase in einem steileren Winkel als die
kontinuierliche Phase in die Wirbelkammer einströmen zu lassen. Durch eine
benachbarte tangentiale Einströmung der kontinuierlichen Phase können
entstehende Tropfen oder Blasen abgeschert werden, wodurch man kleinere
Tropfen/Blasen erhält. Da im Falle der Mischung flüssiger und gasförmiger
Fluide die Flüssigkeit eine wesentlich höhere Masse als das Gas aufweist, wird
die Spiralbildung durch die Einleitung der Gase in einem steileren Winkel nur
wenig gestört.
Es kann von Vorteil sein, in die vereinigten Fluidströme und/oder in die
Wirbelkammer ein weiteres Fluid einzuleiten. Das weitere Fluid kann einen die
Mischung stabilisierenden Hilfsstoff, beispielsweise einen Emulgator,
aufweisen. Es ist auch denkbar, daß die Fluidströme bereits einen solchen
Hilfsstoff beigemischt enthalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die ersten beiden
Verfahrensschritte an mindestens zwei räumlich getrennten Orten jeweils
gleichzeitig durchgeführt und die so erhaltenen fokussierten Gesamtfluidströme
in einer Ebene der Wirbelkammer derart eingeleitet, daß sich eine gemeinsame
nach innen strömende Fluidspirale bildet, die aus mindestens zwei einzelnen
ineinanderliegenden Fluidspiralen gebildet wird. Die sich ausbildenden
Fluidspiralen liegen derart gemeinsam in einer Ebene und um ein Zentrum,
daß die jeweiligen Windungen benachbart zueinander liegen. So resultiert bei
beispielsweise zwei oder drei eingeleiteten fokussierten Gesamtfluidströmen
eine Art Doppel- oder Dreifachspirale.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die ersten beiden
Verfahrensschritte an mindestens zwei räumlich getrennten Orten jeweils
gleichzeitig durchgeführt und die somit erhaltenen fokussierten
Gesamtfluidströme in unterschiedlichen Ebenen der Wirbelkammer derart
zugeführt, daß sich übereinanderliegende nach innen strömende Fluidspiralen
bilden.
So ist es beispielsweise möglich in einer ersten Ebene einen oder mehrere
fokussierte Gesamtgasströme und Gesamtflüssigkeitsströme abwechselnd
benachbart in die Wirbelkammer einzuleiten und in den darauffolgenden
Ebenen jeweils weitere Gesamtflüssigkeitsströme in die Wirbelkammer
einzuleiten. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, daß die Höhe
der Wirbelkammer vergrößert wird, wobei sich z. B. der Auslaß am Boden und
die Einlässe nahe der Decke der Wirbelkammer befinden, so daß der ebenen
Fluidbewegung eine vertikale Bewegung überlagert wird. Anstatt
spiralförmiger Trajektorien werden helikale Trajektorien erhalten. Dadurch
kann z. B. die Verweil- und Kontaktzeit von Gasblasen in bzw. mit einer
Flüssigphase erhöht werden. Werden in den weiteren nach unten folgenden
Ebenen weitere Gesamtfluidströme in die Wirbelkammer eingeleitet, so bilden
diese weniger Windungen bis zur Ableitung aus der Wirbelkammer aus. Durch
diese Ausführungform wird durch die Verlängerung des Fluidstroms und der
höheren Anzahl an Windungen der sich ausbildenden Fluidspirale eine noch
größere Verweilzeit der Gesamtfluidströme in der Wirbelkammer erreicht.
Besonders vorteilhaft werden die fokussierten Gesamtfluidströme symmetrisch
in einer oder mehreren Ebenen um die Wirbelkammer verteilt in diese
eingeleitet. Die einzuleitenden Gesamtfluidströme können die gleichen Fluide
oder auch unterschiedliche Fluide aufweisen, die dann erst in dem
gemeinsamen Raum kontaktiert und gemischt werden. Die zuvor beschriebenen
unterschiedlichen Ausführungen können analog auch bei dieser
Ausführungsform vorteilhaft eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform werden die fokussierten Gesamtfluidströme
in unterschiedlichen Winkeln in die Wirbelkammer eingeleitet. Besonders
vorteilhaft wird diese Ausführungsform zum Mischen von Gasen mit
Flüssigkeiten in der Wirbelkammer eingesetzt. Hierbei werden die
Gesamtgasströme in einem steileren Winkel als die Gesamtflüssigkeitsströme in
die Wirbelkammer eingeleitet, wobei die Gesamtflüssigkeitsströme auch gas
flüssig-Dispersionen aufweisen können. Hierdurch werden die in die
Wirbelkammer einströmenden Gesamtgasströme von den
Gesamtflüssigkeitsströmen in kleine Gasbläschen zerteilt.
Der erfindungsgemäße statische Mikrovermischer zum Mischen mindestens
zweier Fluide ist gekennzeichnet durch eine Wirbelkammer, in die der
Fokussierungskanal derart einmündet, daß der fokussierte Gesamtfluidstrom als
Fluidstrahl eintritt unter Ausbildung einer nach innen strömenden Fluidspirale,
und mindestens einen mit der Wirbelkammer fluidisch in Verbindung
stehenden Auslaßkanal zum Ableiten der gebildeten Mischung.
Die Vielzahl abwechselnd benachbarter Fluidkanäle weist vorzugsweise eine
Breite im Bereich von 1 µm bis 1 mm und eine Tiefe im Bereich von 10 µm
bis 10 mm zur getrennten Zuführung der Fluide als Fluidströme auf.
Die Einlaßkammer, in die die Fluidkanäle einmünden, dient dem
Zusammenführen der Vielzahl getrennter Fluidströme der beiden Fluide. Der
Fokussierungskanal ist zum Abführen der in der Einlaßkammer vereinigten
Fluidströme unter Ausbildung eines fokussierten Gesamtfluidstroms fluidisch
mit der Einlaßkammer verbunden. Der Fokussierungskanal mündet derart in
die Wirbelkammer ein, daß der fokussierte Gesamtfluidstrom als Fluidstrahl
eintritt unter Ausbildung einer konzentrisch nach Innen strömenden
Fluidspirale. Der mindestens eine mit der Wirbelkammer fluidisch in
Verbindung stehende Auslaßkanal dient zum Ableiten der gebildeten Mischung.
Bezüglich der mit diesem Mikrovermischer verbundenen Vorteile wird auf
obige Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere zu
geringem Druckverlust, Erhöhung der für die schnellere diffusive Mischung
zur Verfügung stehenden Kontaktfläche und kleine Bauform verwiesen.
Die schnelle Mischung wird durch die Erzeugung sehr dünner Fluidlamellen
und damit durch eine Reduktion des Diffusionswegs erreicht. Die
Fluidlamellen werden der Wirbelkammer zugeführt, die eine weitere Reduktion
des Diffusionswegs durch Verkippung der Fluidlamellen und Verringerung der
Lamellenbreite bewirkt. Die Wirbelkammer kann relativ großskalig ausgelegt
werden (großer Durchmesser, große Höhe), dennoch werden sehr dünne
Lamellen erzeugt. Der Druckverlust in der Wirbelkammer kann durch den
großen hydraulischen Durchmesser gering gehalten werden. Nur die
Einschnürung durch den Fokussierungskanal trägt zum Druckverlust bei. Diese
Einschnürung kann jedoch sehr lokal, d. h. auf einer sehr kleinen
Strömungslänge, geschehen, so daß es nur zu einem moderaten Druckverlust
kommt.
Vorzugsweise weist die Einlaßkammer eine den Fluidkanälen
gegenüberliegende, konkave Wand auf, in die der Fokussierungskanal
vorteilhafterweise mittig einmünde.
Durch die konkave Wand wird ein rasches Zusammenführen verbunden mit
einer Fokussierung und Abführen in den Fokussierungskanal unter Erhalt der
Fluidlamellen erreicht.
Es ist jedoch auch denkbar, die vereinigten Fluidlamellen allmählich auf den
Fokussierungskanal zuzuführen, wozu die Einlaßkammer in zumindest einer in
Strömungsrichtung Ebene dreieckförmig-zulaufend oder trichterförmig
ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Einlaßkammer einen in
Strömungsrichtung konstanten Querschnitt auf. Eine Fokussierung findet in der
Einlaßkammer dann nicht statt, sondern erst in dem Fokussierungskanal, der
beispielsweise einen sich verjüngenden Querschnitt in Strömungsrichtung
aufweisen kann. In diesem Fall wird vorzugsweise der Querschnitt der
Eintrittsöffnung des Fokussierungskanals dem Querschnitt der Einlaßkammer
entsprechen.
Der Fokussierungskanal kann in Strömungsrichtung auch einen konstanten
Querschnitt aufweisen, was insbesondere dann eingesetzt wird, wenn die
Einlaßkammer bereits eine Fokussierung gewährleistet, so daß die
Fokussierung in dem Fokussierungskanal lediglich fortgeführt wird.
Zwei bevorzugte Ausführungsformen, wie die Fluidkanäle in die
Einlaßkammer einmünden, sind eine zueinander parallele Ausrichtung und eine
radial in Richtung Einlaßkammer zulaufende Ausrichtung.
Im Sinne einer einfachen technischen Realisierung ist es von Vorteil, wenn die
Fluidkanäle, die Einlaßkammer, der Fokussierungskanal und/oder die
Wirbelkammer die gleiche Tiefe aufweisen. Hierbei ist es ebenfalls von
Vorteil, wenn die Einmündungen der Fluidkanäle zumindest im Bereich der
Einlaßkammer in einer Ebene liegen.
Bevorzugt ist der Fokussierungskanal derart ausgebildet, daß das Verhältnis
der Querschnittsfläche des Fokussierungskanals zu der Summe der
Querschnittsflächen der in die Einlaßkammer einmündenden Fluidkanäle
jeweils senkrecht zur Kanalachse im Bereich von 1 zu 1,5 bis 1 zu 500,
vorzugsweise im Bereich von 1 zu 2 bis 1 zu 50, liegt. Hierdurch wird ein im
Vergleich zur vorgegebenen Breite der Fluidkanäle weiteres Reduzieren der
Lamellenbreite und/oder Querschnittsfläche und damit einhergehend ein
Erhöhen der Fließgeschwindigkeit erzielt. Gemäß einer Ausführungsvariante
weist der Fokussierungskanal über seine gesamte Länge einen im wesentlichen
gleichbleibenden Querschnitt auf.
Nach einer anderen Ausführungsvariante nimmt die Querschnittsfläche des
Fokussierungskanals von der Einlaßkammer hin zur Wirbelkammer ab, wobei
obiges Verhältnis der Querschnittsflächen für den Bereich mit kleinster
Querschnittsfläche anzuwenden ist. Die Querschnittsfläche des
Fokussierungskanals im Bereich der Einmündung in die Wirbelkammer
bestimmt mit die Breite und damit die Anzahl der Windungen des spiralförmig
gewundenen Fluidstroms. Vorteilhaft ist das Verhältnis der Breite des in die
Wirbelkammer einmündenden Fokussierungskanals zum Durchmesser der
Wirbelkammer in der Ebene, in der sich die Fluidspirale ausbildet, kleiner
oder gleich 1 zu 10.
Bevorzugt liegt das Verhältnis der Länge des Fokussierungskanals zu seiner
Breite zumindest im Bereich der Einmündung in die Wirbelkammer im Bereich
von 1 zu 1 bis 30 zu 1, vorzugsweise im Bereich von 1,5 zu 1 bis 10 zu 1.
Hierbei wird die Länge des Fokussierungskanals vorteilhaft so gewählt, daß ein
Fokussieren auf kleine Fluidlamellenbreiten unter Erhalt der Fluidlamellen
sowie im Sinne eines geringen Druckverlusts ein rasches Einleiten in die
Wirbelkammer erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Fokussierungskanal in einem
spitzen Winkel oder tangential in die Wirbelkammer einmündend angeordnet.
Dies ermöglicht insbesondere ein Einleiten des Fluidlamellenstroms unter
Beibehaltung laminarer Strömungsverhältnisse und ein Ausbilden einer
Fluidspirale mit einer Vielzahl von Windungen.
Bevorzugt weist die Wirbelkammer in einer Ebene, in der der
Fokussierungskanal liegt, einen im wesentlichen runden oder ovalen
Querschnitt auf. Hierdurch werden Totwasserbereiche vermieden. Besonders
bevorzugt weist die Wirbelkammer eine im wesentlichen zylindrische Form
auf. Vorteilhaft ist hierbei die Höhe des Fokussierungskanals, zumindest im
Bereich der Einmündung, kleiner oder gleich der Höhe der Wirbelkammer.
Der oder die Auslaßkanäle münden vorzugsweise unter- und/oder oberhalb
eines zentralen Bereichs, insbesondere im Bereich des Mittelpunkts, in die
Wirbelkammer. Die Querschnittsfläche des oder der Auslaßkanäle ist
vorteilhaft im Vergleich zum Durchmesser der Wirbelkammer und zur
Querschnittsfläche des einmündenden Fokussierungskanals so bemessen, daß
sich eine Fluidspirale mit einer Vielzahl von Windungen ausbilden kann.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis des Durchmessers des Auslaßkanals zum
Durchmesser der Wirbelkammer kleiner gleich 1 zu 5.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform münden in die Einlaßkammer, den
Fokussierungskanal oder die Wirbelkammer ein oder mehrere
Zuführungskanäle zum Zuführen eines weiteren Fluids ein. Solche Fluide
können einen die Mischung stabilisierenden Hilfsstoff, beispielsweise einen
Emulgator, aufweisen. Vorteilhaft münden die Zuführungskanäle tangential in
die Wirbelkammer, so daß zwischen benachbarte Windungen der Fluidspirale
jeweils ein Strom des weiteren fluid liegt. Besonders vorteilhaft münden beim
Zuführen eines gasförmigen, weiteren Fluids in eine mindestens eine
Flüssigkeit enthaltende Fluidspirale in der Wirbelkammer die Zuführkanäle für
das weitere Fluid nicht tangential, sondern in einem steileren Winkel in die
Wirbelkammer. Auf diese Weise wird das zugeführte Gas von der Fluidspirale
in kleine Gasbläschen zerteilt und fein verteilt.
Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Vielzahl benachbarter
Fluidkanäle, die Einlaßkammer, in die die Fluidkanäle einmünden, und der mit
der Einlaßkammer fluidisch in Verbindung stehende Fokussierungskanal
jeweils zwei oder mehrfach vorhanden und die zwei oder mehr
Fokussierungskanäle münden in einer Ebene in die eine gemeinsame
Wirbelkammer ein. Die Fokussierungskanäle münden derart, in spitzem
Winkel oder bevorzugt tangential in die Wirbelkammer ein, daß die
Fluidstrahlen entsprechend zwei oder mehr benachbart zueinander konzentrisch
nach Innen strömende Fluidspiralen bilden. Die Fokussierungskanäle sind
hierbei vorteilhaft in einer Ebene äquidistant um die gemeinsame
Wirbelkammer einmündend angeordnet. Die zwei oder mehrfach vorhandene
Vielzahl von benachbarten Fluidkanälen, Einlaßkammern und
Fokussierungskanälen sind räumlich voneinander getrennt angeordnet und
lediglich über die gemeinsame Wirbelkammer fluidisch miteinander in
Verbindung. Diese Strukturen können der Zuführung der gleichen Fluide,
beispielsweise zweifach der Fluide A, B, oder aber auch unterschiedlicher
Fluide, beispielsweise die Fluide A, B und C, D, dienen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Vielzahl benachbarter
Fluidkanäle, die Einlaßkammer, in die die Fluidkanäle einmünden, und der mit
der Einlaßkammer fluidisch in Verbindung stehende Fokussierungskanal
jeweils zwei oder mehrfach vorhanden und die zwei oder mehr
Fokussierungskanäle münden in mehreren Ebenen in die eine gemeinsame
Wirbelkammer ein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform münden die
Fokussierungskanäle für die Gesamtfluidströme in unterschiedlichen Winkeln
in die Wirbelkammer ein. Diese Ausführungsform wird insbesondere für das
Mischen von fokussierten Gesamtgasströmen mit Gesamtfluidströmen, die
mindestens eine Flüssigkeit enthalten, in der Wirbelkammer verwendet. Die
Zuführkanäle für die Gesamtgasströme münden in diesem Fall in einem
spitzeren Winkel als die Zuführkanäle für die mindestens eine Flüssigkeit
enthaltenden Gesamtfluidströme in die Wirbelkammer ein. Auf diese Weise
werden die in steilem eingeleiteten Gesamtgasströme von den in spitzerem
Winkeln eingeleiteten Gesamtflüssigkeitsströmen in feine Gasbläschen zerteilt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die
Fluidführungsstrukturen als Ausnehmungen und/oder Durchbrüche in Platten
aus einem für die zu mischenden Fluide ausreichend inerten Material
eingebracht. Ausnehmungen, wie beispielweise Nuten oder Sacklöcher, sind in
einer Ebene sowie senkrecht hierzu von Material umgeben. Durchbrüche, wie
beispielsweise Schlitze oder Löcher, gehen dagegen durch das Material
hindurch, d. h. sind nur in einer Ebene seitlich von dem Material umgeben. Die
offenen Strukturen der Ausnehmungen und Durchbrüche werden durch
Stapelung mit weiteren Platten zu Fluidführungsstrukturen, wie Fluidkanälen
und -kammern, wobei die den Plattenstapel fluidisch dicht nach Außen
abschließenden Deck und/oder Bodenplatten Zuführungen für die beiden
Fluide und/oder mindestens eine Abführung für die gebildete Mischung
aufweisen.
In einer Variante dieser Ausführungsform sind die Strukturen der Fluidkanäle,
der Einlaßkammer, des Fokussierungskanals und der Wirbelkammer als
Ausnehmungen und/oder Durchbrüche in mindestens einer als Mischerplatte
dienenden Platte eingebracht. Die offenen Strukturen der Mischerplatte sind
durch eine fluidisch dicht mit der Mischerplatte verbundene Deck- und
Bodenplatte abgeschlossen.
Gemäß einer weiteren Variante dieser bevorzugten Ausführungsform weist der
statische Mikrovermischer zwischen der Mischerplatte und der Bodenplatte
eine mit diesen in Verbindung stehende fluidisch dicht angeordnete
Verteilerplatte zum getrennten Zuführen der Fluide von den Zuführungen in
der Bodenplatte zu den Fluidkanälen der Mischerplatte auf. Hierzu weist die
Verteilerplatte vorteilhaft je zuzuführendem Fluid eine Reihe von Löchern auf,
wobei jedes Loch genau einem Fluidkanal zugeordnet ist. So dient bei zwei
Fluiden die erste Reihe der Zuführung des ersten Fluids und die zweite Reihe
der Zuführung des zweiten Fluids.
Als geeignete Materialien kommen in Abhängigkeit von den verwendeten
Fluiden unterschiedliche Materialien, wie beispielsweise Polymermaterialien,
Metalle, Legierungen, Gläser, Quarzglas, Keramik oder Halbleitermaterialien,
wie Silizium, in Frage. Bevorzugt sind Platten einer Stärke von 10 µm bis 5 mm,
besonders bevorzugt von 50 µm bis 1 mm. Geeignete Verfahren zum
fluidisch dichten Verbinden der Platten miteinander sind beispielsweise
aneinander Pressen, Verwenden von Dichtungen, Kleben oder anodisches
Bonden.
Als Verfahren zur Strukturierung der Platten kommen bekannte feinwerk- und
mikrotechnische Herstellungsverfahren in Frage, wie beispielsweise
Laserablatieren, Funkenerodieren, Spritzgießen, Prägen oder galvanisches
Abscheiden. Geeignet sind auch LIGA-Verfahren, die zumindest die Schritte
des Strukturierens mit energiereicher Strahlung und galvanisches Abscheiden
und ggf. Abformen umfassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und der statische Mikrovermischer werden
vorteilhaft zur Durchführung chemischer Umsetzungen von zwei oder mehr
Stoffen verwendet, wobei beide Stoffe in einem eingeleiteten Fluid oder der
erste Stoff in einem ersten Fluid und der zweite Stoff in einem weiteren Fluid
enthalten sind. Hierzu sind in den statischen Mikrovermischer vorteilhaft
Mittel zur Steuerung der chemischen Umsetzung integriert, wie beispielsweise
Temperatur- oder Drucksensoren, Durchflußmesser, Heizelemente,
Verweilrohre oder Wärmetauscher. Diese Mittel können bei einem statischen
Mikrovermischer auf Platten mit den Fluidführungsstrukturen oder weiteren
ober- und/oder unterhalb angeordneten und mit diesen funktionell in
Verbindung stehenden Platten angeordnet sein. Zur Durchführung heterogen
katalysierter chemischer Umsetzungen kann das Material des statischen
Mikrovermischers auch katalytisches Material aufweisen.
Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren und der
erfindungsgemäße Mikrovermischer zur Herstellung einer gas-flüssig-
Dispersion verwendet, wobei mindestens ein eingeleiteter Gesamtfluidstrom ein
Gas oder ein gas-Gemisch und mindestens ein weiterer eingeleiteter
Gesamtfluidstrom eine Flüssigkeit, ein Flüssigkeitsgemisch, eine Lösung, eine
Dispersion oder eine Emulsion enthält.
Nachfolgend werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen statischen
Mikrovermischers an Hand von Zeichnungen exemplarisch erläutert. Es zeigen
Fig. 1a einen statischen Mikrovermischer, bestehend aus einer
Deckplatte, Mischerplatte, Verteilerplatte und Bodenplatte
jeweils voneinander getrennt in perspektivischer Darstellung,
Fig. 1b eine bevorzugte Mischerplatte nach Fig. 1a in Draufsicht,
Fig. 2 eine weitere bevorzugte Mischerplatte in Draufsicht,
Fig. 3 eine weitere bevorzugte Mischerplatte in Draufsicht,
Fig. 4 eine weitere bevorzugte in der Draufsicht,
Fig. 5 einen Teilschnitt durch einen statischen Mikrovermischer gemäß
einer weiteren Ausführungsform.
Die Fig. 1a zeigt einen statischen Mikrovermischer 1 mit einer Deckplatte 21,
einer Mischerplatte 20, einer Verteilerplatte 26 und einer Bodenplatte 22
jeweils voneinander getrennt in perspektivischer Darstellung.
Die Deckplatte 21, die Mischerplatte 20, die Verteilerplatte 26 und die
Bodenplatte 22 weisen jeweils eine Zuführung 23, 23', 23" für das Fluid A
und eine Zuführung 24, 24', 24" für das Fluid B in Form einer Bohrung auf.
Die Bohrungen sind derart angeordnet, daß beim Übereinanderstapeln der
Platten die Zuführungen 23, 23', 23", 24, 24', 24" mit den
Zuführungsstrukturen 23''', 24''' der Bodenplatte 22 fluidisch in Verbindung
stehen. Die Zuführung 23''' für das Fluid A und die Zuführung 24''' für das
Fluid B sind in Form von Nuten 123a, b, 124a, b derart auf der Bodenplatte
22 angeordnet, daß das Fluid A zu der Verteilerstruktur 27 und das Fluid B zu
der Verteilerstruktur 28 der darüber liegenden Verteilerplatte 26 ohne
wesentliche Druckverluste geleitet werden kann. Von den
Zuführungsstrukturen 23''', 24''' führen Verbindungsnuten 123a, 124a zu
Verteilernuten 123b, 124b, wobei sich die Verbindungsnut 124b trichterförmig
erweitert. Die Verteilerplatte 26 weist eine Verteilerstruktur 27 für das Fluid A
und eine Verteilerstruktur 28 für das Fluid B jeweils in Form einer Reihe von
durch die Platte hindurchgehenden Löchern auf, die über den Verteilernuten
123b und 124b liegen.
Die in Fig. 1b in Draufsicht gezeigte Mischerplatte 20 weist Fluidkanäle 2, 3,
eine Einlaßkammer 4, einen Fokussierungskanal 5 und eine Wirbelkammer 6
auf. Die Abführung 25 in Form einer Bohrung in der Deckplatte 21 ist derart
angeordnet, daß beim Übereinanderstapeln der Platten die Abführung 25 mit
einem zentralen Bereich der Wirbelkammer 6 der Mischerplatte 20 fluidisch in
Verbindung steht. Die Kanäle 2 für das Fluid A weisen eine kleinere Länge als
die Kanäle 3 für das Fluid B auf. Die Kanäle 2, 3 sind in ihrer von der
Einlaßkammer 4 abgewandten Seite parallel zueinander ausgerichtet, wobei die
Kanäle 2 für das Fluid A abwechselnd benachbart mit den Kanälen 3 für das
Fluid B liegen. In einem Übergangsbereich verringert sich der Abstand der
Kanäle untereinander in Richtung Einlaßkammer 4. Im Bereich der
Einmündung in die Einlaßkammer 4 sind die Kanäle 2, 3 wiederum parallel
zueinander ausgerichtet. Um einen gleichmäßigen Volumenstrom über alle
Kanäle 2, 3 für jeweils ein Fluid zu erreichen, weisen die Kanäle 2, 3 jeweils
untereinander die gleiche Länge auf. Dies führt dazu, daß die von der
Eintrittskammer 4 entfernt liegenden Enden der Fluidkanäle 2, 3 jeweils auf
einem Bogen liegen. Die Bohrungen der Verteilerstrukturen 27, 28 der
Verteilerplatte 26 sind ebenfalls jeweils in einem Bogen derart angeordnet, daß
die Enden der Kanäle 2, 3 jeweils fluidisch mit einer Bohrung kontaktiert
werden. Die Einlaßkammer 4, in die die Fluidkanäle 2, 3 einmünden, weist in
der Ebene der Fluidkanäle eine konkave Form auf. Im mittleren Bereich der
konkaven Wand 8, die den Einmündungen der Fluidkanäle 2, 3 gegenüberliegt,
geht die Einlaßkammer 4 in den Fokussierungskanal 5 über. Der
Fokussierungskanal 5 mündet tangential in die Wirbelkammer 6 ein, die von
einer in der Ebene der Mischerplatte 20 kreisrunden Kammer gebildet ist. Die
Strukturen der Fluidkanäle 2, 3, der Einlaßkammer 4, des Fokussierungskanals
5 und der Wirbelkammer 6 sind durch das Material der Mischerplatte 20
hindurchgehende Durchbrüche gebildet, wodurch diese Strukturen die gleiche
Tiefe aufweisen. Durch die darunterliegende Verteilerplatte 26 und die
darüberliegende Deckplatte 21 werden diese zu zwei Seiten hin offenen
Strukturen unter Bildung von Kanälen bzw. Kammern abgedeckt.
Beim betriebsfertigen Mikrovermischer 1 sind die hier voneinander getrennt
dargestellten Platten 21, 20, 26 und 22 übereinander gestapelt und fluidisch
dicht miteinander verbunden wodurch die offenen Strukturen, wie Nuten
23''', 24''' und Durchbrüche 2, 3, 4, 5 und 6, unter Bildung von Kanälen und
Kammern abgedeckt sind. Der so erhaltene Stapel aus den Platten 21, 20, 26
und 22 kann in ein Mischergehäuse aufgenommen sein, das geeignete
fluidische Anschlüsse für die Zuführung von zwei Fluiden und die Abführung
des Fluidgemischs aufweist. Darüber hinaus kann durch das Gehäuse eine
Anpresskraft auf den Plattenstapel zum fluidisch dichten Verbinden aufgebracht
werden. Es ist auch denkbar, den Plattenstapel als Mikrovermischer 1 ohne
Gehäuse zu betreiben, wozu mit den Zuführungen 23, 24 und der Abführung
25 der Deckplatte 21 vorteilhaft fluidische Anschlüsse, beispielsweise
Schlauchtüllen, verbunden sind.
Beim eigentlichen Mischvorgang wird in die Zuführungsbohrung 23 und in die
Zuführungsbohrung 24 der Deckplatte 21 jeweils ein Fluid A und ein Fluid B
eingeleitet. Diese Fluide strömen jeweils durch die Zuführungsstrukturen 23',
23", 23''' und 24', 24", 24''' der Platten 20, 26 und 22 und werden von dort
gleichmäßig jeweils in die als Bohrungen ausgebildeten Verteilerstrukturen 27
und 28 verteilt. Von den Bohrungen der Verteilerstruktur 27 strömt das Fluid
A in die exakt darüber angeordneten Kanäle 2 der Mischerplatte 20. Ebenso
gelangt das Fluid B von den Bohrungen der Verteilerstruktur 28 in die exakt
darüber angeordneten Kanäle 3. Die in den Fluidkanälen 2, 3 getrennt
geführten Fluidströme A, B werden in der Einlaßkammer 4 zusammengeführt
unter Bildung abwechselnd benachbarter Fluidlamellen der Folge ABAB.
Bedingt durch die halbkonkave Form der Einlaßkammer 4 werden die
vereinigten Fluidströme rasch in den Fokussierungskanal 5 überführt. Der so
gebildete fokussierte Gesamtfluidstrom wird tangential in die Wirbelkammer 6
als Fluidstrahl eingeleitet. Es bildet sich in der Wirbelkammer 6 eine
konzentrisch nach innen strömende Fluidspirale 100 aus. Die gebildete
Mischung der Fluide A, B wird durch die sich über dem Mittelpunkt der
Wirbelkammer 6 befindliche Abführungsbohrung 25 der Deckplatte 21
abgeleitet.
Die Fig. 2 zeigt eine Mischerplatte 20 mit drei in eine gemeinsame
Wirbelkammer 16 einmündenden Fokussierungskanälen 5, 15, 35 in
Draufsicht. Die Fokussierungskanäle 5, 15, 35 stehen jeweils mit einer
Einlaßkammer 4, 14, 34 fluidisch in Verbindung, in die die abwechselnd
benachbarten Fluidkanäle 2, 3; 12, 13; 32, 33 einmünden. Der
Übersichtlichkeit halber sind die Fluidkanäle 2, 3; 12, 13; 32, 33 gegenüber
der Anordnung in Fig. 1b vereinfacht dargestellt. Im Gegensatz zur
Mischerplatte 20 nach Fig. 1b sind hier die Einlaßkammern 4, 14, 34 in der
Ebene der Mischerplatte 20 trichterförmig von den Einmündungen der
Fluidkanäle 2, 3; 12, 13; 32, 33 auf den Fokussierungskanal 5, 15, 35
zulaufend ausgebildet. Die Fokussierungskanäle 5, 15, 35 selbst verengen sich
in ihrer Breite bis hin zur Einmündung in die gemeinsame Wirbelkammer 16.
Die der Zuführung der einzelnen und der vereinigten Fluidströme dienenden
Anordnungen aus Fluidkanälen 2, 3; 12, 13; 32, 33, aus Einlaßkammern 4,
14, 34 und Fokussierungskanälen 5, 15, 35 sind am Umfang der in der
gezeigten Ebene kreisrunden gemeinsamen Wirbelkammer 16 derart äquidistant
angeordnet, daß die Fokussierungskanäle 5, 15, 35 tangential in diese
einmünden. In der über der Mischplatte 20 befindlichen Deckplatte und über
dem Mittelpunkt der gemeinsamen Wirbelkammer ist ein Auslaßkanal 7
angeordnet, dessen Lage hier mit einer gestrichelten kreisrunden Linie
angedeutet ist. Die getrennte Zuführung der Fluide in die Fluidkanäle erfolgt
durch eine Boden- und Verteilerplatte analog der in der in Fig. 1a gezeigten
Anordnung. Die Zuführungen können so ausgelegt sein, daß den Fluidkanälen
2, 12, 32 für das eine Fluid und den Fluidkanälen 3, 13, 33 für das weitere
Fluid jeweils das gleiche Fluid zugeführt wird, so daß der statische
Mikrovermischer zur Vermischung zweier Fluide verwendbar ist. Es ist
jedoch auch denkbar die Zuführungen so auszulegen, daß mit dem
Mikrovermischer drei oder mehr Fluide gemischt werden können. Hier bieten
sich unterschiedlichste Möglichkeiten der Zuführung an. Als ein Beispiel wird
hier die Ausbildung von Fluidlamellen der Abfolge ABACAB in der
gemeinsamen Wirbelkammer 16 erläutert.
Die Fig. 3 zeigt in Draufsicht eine Mischerplatte 20 mit einer Wirbelkammer
16, in die zwei Fokussierungskanäle 5, 15 und zwei Zuführkanäle 9a, 9b
einmünden. Die Fokussierungskanäle 5, 15 stehen jeweils mit einer
Einlaßkammer 4, 14 fluidisch in Verbindung, in die die abwechselnd
benachbarten Fluidkanäle 2, 3; 12, 13 einmünden. Auch hier sind der
Übersichtlichkeit halber die Fluidkanäle 2, 3; 12, 13 gegenüber der Anordnung
in Fig. 1b vereinfacht dargestellt. Im Gegensatz zur Mischerplatte 20 nach
Fig. 1b sind hier die Einlaßkammern 4, 14 in der Ebene der Mischerplatte 20
trichterförmig von den Einmündungen der Fluidkanäle 2, 3; 12, 13 auf den
Fokussierungskanal 5, 15 zulaufend ausgebildet. Die Fokussierungskanäle 5,
15 selbst verengen sich in ihrer Breite bis hin zur Einmündung in die
gemeinsame Wirbelkammer 16. Die der Zuführung der einzelnen und der
vereinigten Fluidströme dienenden Anordnungen aus Fluidkanälen 2, 3; 12,
13, aus Einlaßkammern 4, 14 Fokussierungskanälen 5, 15 und Zuführkanälen
9a, 9b sind äquidistant am Umfang der in der gezeigten Ebene kreisrunden
gemeinsamen Wirbelkammer 16 derart angeordnet, daß die
Fokussierungskanäle 5, 15 und die Zuführkanäle 9a, 9b jeweils abwechselnd
tangential in diese einmünden. In der über der Mischplatte 20 befindlichen
Deckplatte und über dem Mittelpunkt der gemeinsamen Wirbelkammer ist ein
Auslaßkanal 7 angeordnet, dessen Lage hier mit einer gestrichelten kreisrunden
Linie angedeutet ist. Die getrennte Zuführung der Fluide in die Fluidkanäle
und die Zuführkanäle 9a, 9b erfolgt durch eine Boden- und Verteilerplatte
analog der in der in Fig. 1a gezeigten Anordnung. Die Zuführungen können
so ausgelegt sein, daß den Fluidkanälen 2, 12 ein erstes Fluid, den
Fluidkanälen 3, 13 ein zweites Fluid und den Zuführkanälen 9a, 9b ein drittes
Fluid, beispielsweise ein Hilfsstoff, zugeführt wird, so daß der statische
Mikrovermischer zur Vermischung zweier Fluide unter gleichzeitiger Zugabe
eines die Mischung stabilisierenden Hilfsstoffes verwendbar ist. Auch in
diesem Ausführungsbeipiel ist es denkbar die Zuführungen so auszulegen, daß
mit dem Mikrovermischer drei oder mehr Fluide unter gleichzeitiger Zugabe
eines die Mischungstabilisierenden Hilfsstoffes gemischt werden können. Hier
bieten sich unterschiedlichste Möglichkeiten der Zuführung an. Als ein Beispiel
wird hier die Ausbildung von Fluidlamellen der Abfolge ABACAD in der
gemeinsamen Wirbelkammer 16 erläutert.
Die Fig. 4 zeigt eine Mischerplatte 20 zur Herstellung von gas-flüssig-
Dispersionen mit vier in eine gemeinsame Wirbelkammer 16 einmündenden
Fokussierungskanälen 5, 15, 35, 45 in Draufsicht. Im Gegensatz zur
Mischerplatte 20 nach Fig. 2 münden zwei Fokussierungskanäle 15, 45 für
die Einleitung von Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsmischungen annähernd
tangential und zwei weitere Fokussierungskanäle 5, 35 für die Einleitung von
Gasen oder Gasgemischen in einem steileren Winkel in die Wirbelkammer 6
ein. Die Fokussierungskanäle 5, 15, 35, 45 stehen jeweils mit einer
Einlaßkammer 4, 14, 34, 44 fluidisch in Verbindung, in die die abwechselnd
benachbarten Fluidkanäle 2, 3, 32, 33, 42, 43, 52, 53 einmünden. Der
Übersichtlichkeit halber sind die Fluidkanäle 2, 3, 32, 33, 42, 43, 52, 53 auch
in dieser Figur gegenüber der Anordnung in Fig. 1b vereinfacht dargestellt.
Die Fig. 5 zeigt einen Teilschnitt durch einen statischen Mikrovermischer 1,
der eine zylindrische Wirbelkammer 116 aufweist, in die eine Vielzahl von
Fokussierungskanälen 105, 105'-105''', 115, 115'-115''', 135, 135-135'''
in mehreren Ebenen im wesentlichen tangential münden. Hierzu sind mehrere
Mischerplatten 120, 121, 122 unter Zwischenlegen von Distanzplatten 125
übereinander gestapelt.
Die Zuführung unterschiedlicher Gesamtfluidströme in die Wirbelkammer 116
erfolgt alternierend über die Fokussierungskanäle einer Ebene oder alternierend
über die Fokussierungskanäle unterschiedlicher Ebenen. Um die Ausbildung
spiraliger Strömungsmuster zu unterstützen, werden die Fluidströme annähernd
tangential in die Wirbelkammer 116 eingeleitet. Die Zuführung der vereinigten
Fluidströme von den Einlaßkammern in die Fokussierungskanäle erfolgt durch
senkrechte Bohrungen durch die Mischer- und Distanzplatten 120, 121, 122
bzw. 125. Die Bohrungen durchdringen eine definierte Zahl von Misch- und
Distanzplatten und stellen so die fluidische Verbindung zu einer spezifischen
Ebene von Fokussierungskanälen her. Die Abführung der Fluidströme aus der
Wirbelkammer findet über einen zentralen Auslaß an der unteren Stirnfläche
der Wirbelkammer statt. Dadurch wird der Strömung eine
Geschwindigkeitskomponente entlang der Zylinderachse überlagert und es
kommt zur Ausbildung helikaler statt spiralförmiger Stromlinien.
Der in den Fig. 1a und 1b dargestellte statische Mikrovermischer wurde
mittels mikrostrukturierter Glasplatten realisiert. Die Mischerplatte 20 und die
Verteilerplatte 26 wiesen jeweils eine Stärke von 150 µm und die
abschließenden Bodenplatte 22 und Deckplatte 21 jeweils eine Stärke von 1 mm
auf. Als Zuführungen 23, 23', 23", 24, 24', 24" in der Deckplatte 21,
der Mischerplatte 20 und der Verteilerplatte 26 wurden Bohrungen mit einem
Durchmesser von 1,6 mm gewählt. Die Verteilerplatte 26 wies als
Verteilerstrukturen 27, 28 zwei Reihen von je 15 Langlöchern einer Länge von
0,6 mm und einer Breite von 0,2 mm auf. Die Fluidkanäle 2, 3 der
Mischerplatte 20 wiesen eine Breite von 60 µm bei einer Länge von 11,3 mm
bzw. einer Länge von 7,3 mm auf. Im Bereich der Einmündung der Kanäle
2, 3 in die Einlaßkammer 4 wiesen die sich zwischen den Kanälen 2, 3
befindenden Stege eine Breite von 50 µm auf. Die Breite der Einlaßkammer 4
im Bereich der Einmündung der Fluidkanäle 2, 3 reduzierte sich von 4,3 mm
hin zur gegenüberliegenden Seite auf eine Breite des Fokussierungskanals von
0,5 mm. Da alle Strukturen der Mischerplatte 20 als Durchbrüche realisiert
wurden, weisen die Fluidkanäle 2, 3, die Einlaßkammer 4, der
Fokussierungskanal 5 und die Wirbelkammer 6 eine Tiefe auf, die gleich der
Stärke der Mischerplatte von 150 µm ist. Die Länge der Einlaßkammer 4, d. h.
der Abstand zwischen der Einmündung der Fluidkanäle 2, 3 und der
Einmündung des Fokussierungskanals 5, betrug nur 2,5 mm, um ein rasches
Ableiten und Fokussieren der vereinigten Fluidströme zu ermöglichen. Das
Verhältnis der Querschnittsfläche des Fokussierungskanals zu der Summe der
Querschnittsflächen der Fludikanäle 2, 3 betrug damit 1 zu 3,6. Mit einer
Länge von 2,5 mm des Fokussierungskanals 5 wurde ein Verhältnis von Länge
zu Breite von 5 zu 1 erzielt. Der Fokussierungskanal 5 ging in
Längserstreckung in die kanalartig ausgebildete Wirbelkammer 6 einer Länge
von 24,6 mm und einer Breite von 2,8 mm über. Der Öffnungswinkel der
Seitenflächen der Wirbelkammern 6 im Übergangsbereich zwischen der
Wirbelkammer 6 und des Fokussierungskanals 5 betrug 126,7°. Die vier in der
Fig. 1a dargestellten Platten besaßen eine Außenabmessung von 26 × 76 mm.
Die Platten wurden fotolithographisch unter Verwendung von
fotostrukturierbarem Glas mittels eines Verfahrens, wie es in Microelectronic
Engineering 30 (1996), S. 497-504 beschrieben ist, strukturiert. Die Platten
wurden durch anodisches Bonden fluidisch dicht miteinander verbunden.
1
Statischer Mikrovermischer
2
Fluidkanal für Fluid a
3
Fluidkanal für Fluid b
4
Einlaßkammer
5
Fokussierungskanal
6
Wirbelkammer
7
Auslasskanal
8
Konkave Wand
9
a,
9
b Zuführkanal
12
Fluidkanal für Fluid a
13
Fluidkanal für Fluid b
14
Einlaßkammer
15
Fokussierungskanal
16
Wirbelkammer
20
Mischerplatte
21
Deckplatte
22
Bodenplatte
23
Zuführung für Fluid a
24
Zuführung für Fluid b
25
Abführung
26
Verteilerplatte
27
Verteilerstruktur für Fluid a
28
Verteilerstruktur für Fluid b
32
Fluidkanal für Fluid a
33
Fluidkanal für Fluid b
34
Einlaßkammer
35
Fokussierungskanal
42
Fluidkanal für Fluid c
43
Fluidkanal für Fluid d
44
Einlaßkammer
45
Fokussierungskanal
52
Fluidkanal für Fluid c
53
Fluidkanal für Fluid d
55
Fokussierungskanal
100
Fluidspirale
105
,
105
' Fokussierungskanal
115
,
115
' Fokussierungskanal
116
Wirbelkammer
120
Mischerplatte
121
Mischerplatte
122
Mischerplatte
123
Nut
123a, b Verbindungsnut
123a, b Verbindungsnut
123
a Verteilernut
123
b Verteilernut
124
Nut
124
a Verbindungsnut
125
Distanzplatte
135
,
135
' Fokussierungskanal
Claims (32)
1. Verfahren zum Mischen mindestens zweier Fluide, das folgende
Schritte umfaßt:
- - Zusammenführen einer Vielzahl getrennter Fluidströme der beiden Fluide unter Bildung abwechselnd benachbarter Fluidlamellen der beiden Fluide,
- - Abführen der vereinigten Fluidlamellen unter Ausbildung eines fokussierten Gesamtfluidstroms,
- - Einleiten des fokussierten Gesamtfluidstroms als Fluidstrahl in eine Wirbelkammer unter Ausbildung einer nach innen strömenden Fluidspirale,
- - Ableiten der gebildeten Mischung aus dem Zentrum der Fluidspirale.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Fluidströme
der beiden Fluide mit jeweils einer Breite im Bereich von 1 µm bis 1 mm
und einer Tiefe im Bereich von 10 µm bis 10 mm unter Bildung
von Fluidlamellen zusammengeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
vereinigten Fluidlamellen derart fokussiert werden, daß das Verhältnis
der Querschnittsfläche des fokussierten Gesamtfluidstroms zu der
Summe der Querschnittsflächen der zusammenzuführenden
Fluidlamellen jeweils senkrecht zur Strömungsrichtung im Bereich von
1 : 1,5 bis 1 : 500, vorzugsweise im Bereich von 1 : 2 bis 1 : 50, liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge des fokussierten
Gesamtfluidstroms zu seiner Breite im Bereich von 1 : 1 bis 30 : 1,
vorzugsweise im Bereich von 1,5 : 1 zu 10 : 1, liegt.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der fokussierte Gesamtfluidstrom in eine
Wirbelkammer (6) eingeleitet wird, die in der Ebene der sich
ausbildenden Fluidspirale eine im wesentlichen runde oder ovale Form
besitzt.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der fokussierte Gesamtfluidstrom in einem spitzen
Winkel oder bevorzugt tangential in die Wirbelkammer (6) eingeleitet
wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in die vereinigten Fluidlamellen oder in den
fokussierten Gesamtfluidstrom oder in die Wirbelkammer (6) ein
weiteres Fluid, beispielsweise ein einen die Mischung stabilisierenden
Hilfsstoff aufweisendes Fluid, eingeleitet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden ersten Verfahrensschritte an mindestens zwei
räumlich getrennten Orten jeweils gleichzeitig durchgeführt werden und
die so erhaltenen fokussierten Gesamtfluidströme in eine Ebene der
Wirbelkammer derart eingeleitet werden, daß sich eine gemeinsame
nach innen strömende Fluidspirale bildet, die aus mindestens zwei
einzelnen ineinanderliegenden Fluidspiralen gebildet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß die beiden ersten Verfahrensschritte an mindestens zwei räum
lich getrennten Orten jeweils gleichzeitig durchgeführt werden und die
somit erhaltenen fokussierten Gesamtfluidströme in unterschiedlichen
Ebenen der Wirbelkammer derart zugeführt werden, daß sich überein
anderliegende nach innen strömende Fluidspiralen bilden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, daß in den beiden zwei- oder mehrfach durchgeführten
Verfahrensschritten gleiche und/oder unterschiedliche Fluide verwendet
werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß in den beiden zwei- oder mehrfach durchgeführten
Verfahrensschritten gleiche und/oder unterschiedliche
Gesamtfluidströme in unterschiedlichen Winkeln in die Wirbelkammer
(6, 16) eingeleitet werden.
12. Statischer Mikrovermischer (1) zum Mischen mindestens zweier Fluide
mit
einer Vielzahl abwechselnd benachbarter Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) zur getrennten Zuführung der Fluide als Fluidlamellen,
mindestens einer Einlaßkammer (4, 34, 44), in die die Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) einmünden, und
einem mit der Einlaßkammer (4, 34, 44) fluidisch in Verbindung stehenden Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') zum Abführen der in der Einlaßkammer (4, 14, 34, 44) vereinigten Fluidlamellen unter Ausbildung eines fokussierten Gesamtfluidstroms,
gekennzeichnet durch
eine Wirbelkammer (6, 16, 116), in die der Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') derart einmündet, daß der fokussierte Gesamtfluidstrom als Fluidstrahl eintritt unter Ausbildung einer nach innen strömenden Fluidspirale (100), und
mindestens einen mit der Wirbelkammer (6, 16, 116) fluidisch in Verbindung stehenden Auslaßkanal (7) zum Ableiten der gebildeten Mischung.
einer Vielzahl abwechselnd benachbarter Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) zur getrennten Zuführung der Fluide als Fluidlamellen,
mindestens einer Einlaßkammer (4, 34, 44), in die die Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) einmünden, und
einem mit der Einlaßkammer (4, 34, 44) fluidisch in Verbindung stehenden Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') zum Abführen der in der Einlaßkammer (4, 14, 34, 44) vereinigten Fluidlamellen unter Ausbildung eines fokussierten Gesamtfluidstroms,
gekennzeichnet durch
eine Wirbelkammer (6, 16, 116), in die der Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') derart einmündet, daß der fokussierte Gesamtfluidstrom als Fluidstrahl eintritt unter Ausbildung einer nach innen strömenden Fluidspirale (100), und
mindestens einen mit der Wirbelkammer (6, 16, 116) fluidisch in Verbindung stehenden Auslaßkanal (7) zum Ableiten der gebildeten Mischung.
13. Mikrovermischer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
benachbarten Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) eine
Breite im Bereich von 1 µm bis 1 mm und einer Tiefe im Bereich von
10 µm bis 10 mm aufweisen.
14. Statischer Mikrovermischer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einlaßkammer (4, 14, 34, 44) eine den
Fluidkanälen gegenüberliegende, konkave Wand (8) aufweist, in die der
Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') mittig
einmündet.
15. Mikrovermischer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einlaßkammer (4, 14, 34, 44) einen in Strömungsrichtung
konstanten Querschnitt aufweist.
16. Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105',
115, 115') in Strömungsrichtung einen konstanten oder sich
verjüngenden Querschnitt aufweist.
17. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche des
Fokussierungskanals (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') zumindest
im Bereich der Einmündung in die Wirbelkammer (6, 16, 116) zu der
Summe der Querschnittsflächen der in die Einlaßkammer (4, 14, 34,
44) einmündenden Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53)
jeweils senkrecht zur Kanalachse im Bereich von 1 : 1,5 bis 1 : 500,
vorzugsweise im Bereich von 1 : 2 bis 1 : 50, liegt.
18. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge des
Fokussierungskanals (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') zu seiner
Breite zumindest im Bereich der Einmündung in die Wirbelkammer (6,
16, 116) vorliegenden Breite im Bereich von 1 : 1 bis 30 : 1,
vorzugsweise im Bereich von 1,5 : 1 zu 10 : 1, liegt.
19. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (6, 16, 116) in einer
Ebene, in der der Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115,
115') liegt, einen im wesentlichen runden oder ovalen Querschnitt
aufweist.
20. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (6, 16, 116) eine im
wesentlichen zylindrische Form aufweist.
21. Mikrovermischer nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der
Druckmesser der Wirbelkammer (6, 16, 116) 2 mm bis 20 cm,
vorzugsweise 5 mm bis 10 cm beträgt.
22. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb und/oder oberhalb eines
zentralen Bereichs der Wirbelkammer (6, 16, 116) ein oder mehrere
Auslaßkanäle (7) einmünden.
23. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33,
42, 43, 52, 53), die Einlaßkammer (4, 14, 34, 44), der
Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') und die
Wirbelkammer (6, 16, 116) in einer Ebene angeordnet sind und die
gleiche Tiefe aufweisen.
24. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, daß in die Eintrittskammer (4, 14, 34, 44),
den Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') oder die
Wirbelkammer (6, 16, 116) ein oder mehrere Zuführkanäle (9a, 9b)
zum Zuführen eines weiteren Fluids, beispielsweise ein einen die
Mischung stabilisierenden Hilfsstoff aufweisendes Fluid, einmünden.
25. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, daß der Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45,
105, 105', 115, 115') in einem spitzen Winkel oder bevorzugt
tangential in die Wirbelkammer (6, 16, 116) einmündend angeordnet
ist.
26. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 25,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl benachbarter Fluidkanäle
(2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53), die Einlaßkammer (4, 14, 34,
44), in die die Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53)
einmünden, und der mit der Einlaßkammer (4, 14, 34, 44) fluidisch in
Verbindung stehende Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105',
115, 115') jeweils zwei- oder mehrfach vorhanden sind und die zwei
oder mehr Fokussierungskanäle (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') in
einer Ebene in die eine gemeinsame Wirbelkammer (6, 16, 116)
einmünden.
27. Statischer Mikrovermischer nach den Ansprüchen 12 bis 26, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vielzahl benachbarter Fluidkanäle (2, 3, 12,
13, 32, 33, 42, 43, 52, 53), die Einlaßkammer (4, 14, 34, 44), in die
die Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) einmünden, und
der mit der Einlaßkammer (4, 14, 34, 44) fluidisch in Verbindung
stehende Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115')
jeweils zwei- oder mehrfach vorhanden sind und die zwei oder mehr
Fokussierungskanäle (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') in mehreren
Ebenen in die eine gemeinsame Wirbelkammer (6, 16, 116) einmünden.
28. Statischer Mikrovermischer nach Anspruch 26 oder 28, dadurch
gekennzeichnet, daß die zwei oder mehrfach vorhandenen
Fokussierungskanäle (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') in
unterschiedlichen Winkeln in die Wirbelkammer (6, 16, 116)
einmünden.
29. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 28,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidführungsstrukturen, wie die
Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53), die Einlaßkammern
(4, 14, 34, 44), die Fokussierungskanäle (5, 15, 35, 45, 105, 105',
115, 115'), Zuführungen (23, 23', 23", 23''', 24, 24', 24", 24''') und
die Wirbelkammern (6, 16, 116), als Ausnehmungen und/oder
Durchbrüche in Platten aus einem für die zu mischenden Fluide
ausreichend inerten Material eingebracht sind und diese offenen
Strukturen durch die Stapelung der Platten und durch mindestens eine
mit dem Plattenstapel fluidisch dicht verbundene Deck- und/oder
Bodenplatte (21, 22) abgeschlossen sind, wobei die Deck- und/oder
Bodenplatte (21, 22) mindestens eine Zuführung (23, 23''', 24, 24''')
für die beiden Fluide und/oder mindestens eine Abführung (25) für die
gebildete Mischung aufweisen.
30. Statischer Mikrovermischer nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch
eine zwischen einer Mischerplatte (20) mit Fluidkanälen (2, 3, 12, 13,
32, 33, 42, 43, 52, 53), Einlaßkammer (4, 14, 34, 44),
Fokussierungskanälen (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') und
Wirbelkammer (6, 16, 116) und der Bodenplatte (22) angeordnete und
mit diesen fluidisch dicht verbundene Verteilerplatte (26) mit den
Zuführungen (23", 24") zum getrennten Zuführen der Fluide von den
Zuführungen (23''', 24''') in der Bodenplatte (22) in die Fluidkanäle
(2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) in der Mischerplatte (20).
31. Verwendung des Verfahrens und/oder des statischen Mikrovermischers
nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen zum Reagieren
mindestens zweier Stoffe, wobei beide Stoffe in einem eingeleiteten
Fluid oder ein erster Stoff in einem ersten Fluid und ein zweiter Stoff
in einem weiteren eingeleiteten Fluid enthalten sind.
32. Verwendung des Verfahrens und/oder des statischen Mikrovermischers
nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen zur Herstellung
einer Gas-Flüssig-Dispersion, wobei mindestens ein eingeleitetes Fluid
ein Gas oder ein Gas-Gemisch und mindestens ein weiteres eingeleitetes
Fluid eine Flüssigkeit, ein Flüssigkeitsgemisch, eine Lösung, eine
Dispersion oder eine Emulsion aufweist.
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Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10341110A1 (de) * | 2003-09-05 | 2004-10-28 | Siemens Ag | Einrichtung zur Probennahme und -aufbereitung |
WO2005068064A1 (de) * | 2004-01-13 | 2005-07-28 | Syntics Gmbh | Verfahren und vorrichtung zum mischen wenigstens zweier fluide in einem mikromischreaktor |
DE102004062074A1 (de) * | 2004-12-23 | 2006-07-06 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Statischer Mikrovermischer |
DE102004062076A1 (de) * | 2004-12-23 | 2006-07-06 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Statischer Mikrovermischer |
DE102005015433A1 (de) * | 2005-04-05 | 2006-10-12 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Mischersystem, Reaktor und Reaktorsystem |
WO2017129177A1 (de) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | Instillo Gmbh | Verfahren zum herstellen von emulsionen |
EP3372308A1 (de) * | 2017-03-10 | 2018-09-12 | Little Things Factory GmbH | Fokussiereinrichtung, tropfengenerator und verfahren zum erzeugen einer vielzahl von tröpfchen |
WO2019240653A1 (en) * | 2018-06-12 | 2019-12-19 | Martin Andersson | Microfluidic mixing system and method |
EP3903921A4 (de) * | 2019-08-14 | 2022-09-21 | Inventage Lab Inc. | Mehrkanalige herstellungsvorrichtung für die massenproduktion von mikrosphären |
US12023645B2 (en) | 2019-08-14 | 2024-07-02 | Inventage Lab. Inc. | Multichannel manufacturing device for mass production of microspheres |
Families Citing this family (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4346893B2 (ja) | 2002-11-01 | 2009-10-21 | 株式会社日立製作所 | 化学反応装置 |
JP4432104B2 (ja) | 2003-05-30 | 2010-03-17 | 富士フイルム株式会社 | マイクロリアクター |
US7160025B2 (en) * | 2003-06-11 | 2007-01-09 | Agency For Science, Technology And Research | Micromixer apparatus and methods of using same |
JP2005077219A (ja) | 2003-08-29 | 2005-03-24 | Fuji Photo Film Co Ltd | マイクロデバイスの流体混合反応促進方法及びマイクロデバイス |
EP1737567A1 (de) | 2004-03-02 | 2007-01-03 | Velocys, Inc. | Mikrokanal-polymerisationsreaktor |
JP4715403B2 (ja) * | 2005-09-08 | 2011-07-06 | 株式会社日立プラントテクノロジー | マイクロ化学反応装置 |
DE102008029676A1 (de) | 2008-06-24 | 2009-12-31 | Pommersheim, Rainer, Dr. | Sonnenkollektor mit mikrostrukturierter Absorberfläche |
US20100093098A1 (en) * | 2008-10-14 | 2010-04-15 | Siemens Medical Solutions | Nonflow-through appratus and mehod using enhanced flow mechanisms |
CN102188944B (zh) * | 2011-05-16 | 2013-08-28 | 利穗科技(苏州)有限公司 | 一种混沌型多级涡流微反应器 |
CN102974255B (zh) * | 2012-10-31 | 2015-07-01 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种被动式螺旋微结构混合装置及应用 |
WO2019190823A1 (en) | 2018-03-28 | 2019-10-03 | Vtv Therapeutics Llc | Pharmaceutically acceptable salts of [3-(4- {2-butyl-1-[4-(4-chlorophenoxy)-phenyl]-1h-imidazol-4-yl} -phenoxy)-propyl]-diethyl-amine |
WO2019190822A1 (en) | 2018-03-28 | 2019-10-03 | Vtv Therapeutics Llc | Crystalline forms of [3-(4- {2-butyl-1-[4-(4-chloro-phenoxy)-phenyl]-1h-imidazol-4-yl} -phenoxy)-propyl]-diethyl-amine |
CA3110582A1 (en) | 2018-10-10 | 2020-04-16 | Vtv Therapeutics Llc | Metabolites of [3-(4-{2-butyl-1-[4-(4-chloro-phenoxy)-phenyl]-1h-imidazol-4-yl}-phenoxy)-propyl]-diethyl-amine |
CN115178199B (zh) * | 2022-05-31 | 2024-04-30 | 清华大学 | 无源微流控微反应器以及微流控芯片 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10041823A1 (de) * | 2000-08-25 | 2002-03-14 | Inst Mikrotechnik Mainz Gmbh | Verfahren und statischer Mikrovermischer zum Mischen mindestens zweier Fluide |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63304133A (ja) * | 1987-06-05 | 1988-12-12 | Hitachi Ltd | 混合ガスを用いる分析計 |
EP0688242B1 (de) * | 1993-03-19 | 1998-09-02 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Integrierte vorrichtung für chemische verfahrensschritte und herstellungsverfahren dafür |
DE19917433C2 (de) * | 1999-04-19 | 2003-05-22 | Fraunhofer Ges Forschung | Mikroreaktorsystem zum Erzeugen und Testen von Substanzen und Wirkstoffen |
-
2001
- 2001-05-07 DE DE10123092A patent/DE10123092B4/de not_active Expired - Fee Related
-
2002
- 2002-05-04 WO PCT/EP2002/004906 patent/WO2002089965A1/de not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10041823A1 (de) * | 2000-08-25 | 2002-03-14 | Inst Mikrotechnik Mainz Gmbh | Verfahren und statischer Mikrovermischer zum Mischen mindestens zweier Fluide |
Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10341110A1 (de) * | 2003-09-05 | 2004-10-28 | Siemens Ag | Einrichtung zur Probennahme und -aufbereitung |
WO2005068064A1 (de) * | 2004-01-13 | 2005-07-28 | Syntics Gmbh | Verfahren und vorrichtung zum mischen wenigstens zweier fluide in einem mikromischreaktor |
DE102004001852A1 (de) * | 2004-01-13 | 2005-08-04 | Syntics Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum Mischen wenigstens zweier Fluide in einer Mikrostruktur |
DE102004062074A1 (de) * | 2004-12-23 | 2006-07-06 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Statischer Mikrovermischer |
DE102004062076A1 (de) * | 2004-12-23 | 2006-07-06 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Statischer Mikrovermischer |
DE102005015433A1 (de) * | 2005-04-05 | 2006-10-12 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Mischersystem, Reaktor und Reaktorsystem |
US7829039B2 (en) | 2005-04-05 | 2010-11-09 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Mixer system, reactor and reactor system |
WO2017129177A1 (de) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | Instillo Gmbh | Verfahren zum herstellen von emulsionen |
EP3372308A1 (de) * | 2017-03-10 | 2018-09-12 | Little Things Factory GmbH | Fokussiereinrichtung, tropfengenerator und verfahren zum erzeugen einer vielzahl von tröpfchen |
DE102017105194A1 (de) | 2017-03-10 | 2018-09-13 | Little Things Factory Gmbh | Fokussiereinrichtung, Tropfengenerator und Verfahren zum Erzeugen einer Vielzahl von Tröpfchen |
WO2019240653A1 (en) * | 2018-06-12 | 2019-12-19 | Martin Andersson | Microfluidic mixing system and method |
EP3903921A4 (de) * | 2019-08-14 | 2022-09-21 | Inventage Lab Inc. | Mehrkanalige herstellungsvorrichtung für die massenproduktion von mikrosphären |
US12023645B2 (en) | 2019-08-14 | 2024-07-02 | Inventage Lab. Inc. | Multichannel manufacturing device for mass production of microspheres |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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WO2002089965A1 (de) | 2002-11-14 |
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