DE19540292C1 - Statischer Mikrovermischer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen statischen Mikrovermischer mit einer Mischkammer und einem vorgeschalteten Führungsbauteil für die getrennte Zufuhr von zu mischenden oder zu dispergie­ renden Fluiden zu der Mischkammer gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Aus der WO 91/16970 A1 ist eine Mischeranordnung in einer Kolonne mit Misch-, Katalysator- bzw. Kanalelementen bekannt, die in Schichten oder Lagen ange­ ordnet sein können. Benachbarte Elemente innerhalb einer Lage oder Schicht sind gegeneinander zur Hauptströmungsrichtung ge­ neigt angeordnet. Hierzu können die Elemente die Form eines schiefen Prismas haben, das von im Querschnitt quadratischen, gerade und parallel zueinander verlaufenden Kanälen durchzogen ist und das durch Zusammenfügen strukturierter Platten gefer­ tigt werden kann. Bei einer so getroffenen Anordnung wird ein gleichmäßiger Strömungswiderstand bezüglich der zu mischenden Fluide erzielt, die Mischungseffektivität fällt jedoch vom Zentrum zu den Randzonen hin des als Mischkammer dienenden Ko­ lonnenraumes am abströmseitigen Ende der Elemente stark ab.

Aus der DE 31 14 195 C2 ist eine gattungsgemäße Mischvorrich­ tung zur Vermischung strömender Medien mit mindestens zwei Einlaßkanälen, mit einem sich an diese anschließenden Kanal­ körper sowie mit einem an die gemeinsame Auslaßseite des Ka­ nalkörpers angeschlossenen Auslaßkanal bekannt. Der von Ein­ zelkanälen durchzogene Kanalkörper, der zur getrennten Zufuhr der zu mischenden Medien zum Auslaßkanal dient, ist aus auf­ einander aufgeschichteten Einzelwell-Einheiten aufgebaut, die aus je einer Trennwand und einem Wellbogen bestehen. Die Ein­ zelkanäle jeder Einheit werden von den Wellungen des Wellbo­ gens und der zugehörigen Trennwand gebildet. Die Einheiten sind so aufeinander geschichtet, daß die Einzelkanäle benach­ barter Einheiten vorbestimmte Winkel zueinander bilden. In ei­ nem Ausführungsbeispiel ist die Anordnung so getroffen, daß der Kanalkörper gleich lange, parallele Einzelkanäle hat, wo­ bei die Einzelkanäle der jeweiligen Einheiten abwechselnd an je einen von zwei Einlaßkanälen angeschlossen sind, auf der Auslaßseite des Kanalkörpers mit ihren Mündungen jedoch über­ einander liegen. Da das jeweilige Medium nur in jeden zweiten Einzelkanal, in der Höhenerstreckung des Kanalköpers gesehen, einströmen darf, muß der Einlaß zu der jeweils dazwischenlie­ genden Einheit geschlossen sein (s. Spalte 6, Zeilen 26 bis 33 in Verbindung mit Fig. 7a, 7b), wodurch Totvolumina entstehen. Aber auch bei dieser Bauart ergibt sich nur im Zentrum der Auslaßseite des Kanalkörpers eine optimale Durchmischung; zu den Randzonen hin nimmt die Mischungseffektivität ab. Auch ist das Ausformen oder Anbringen der erforderlichen Einlaß-Ver­ schlüsse aufwendig und stößt mit kleiner werdenden Kanalquer­ schnitten auf fertigungstechnische Schwierigkeiten.

Ausgehend von dem vorstehend erörterten Stand der Technik hat die Erfindung zur Aufgabe, bei einem statischen Vermischer der gattungsgemäßen Bauart das Führungsbauteil für die getrennte Zufuhr der zu mischenden Fluide zur Mischkammer so zu gestal­ ten, daß eine erhöhte örtliche und zeitliche Effektivität der Vermischung in der Mischkammer erzielt wird. Darüber hinaus soll der Vermischer hinsichtlich der Kanäle in dem Führungs­ bauteil eine vakuumdichte und druckfeste Ausführung ermögli­ chen, so daß er insbesondere in der chemischen Technik einge­ setzt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen von Pa­ tentanspruch 1 gelöst. Die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen dieser Lösung.

Durch die bogenförmig gestalteten, parallel zueinander und zur Hauptströmungsrichtung in die Mischkammer ausmündenden Kanäle der Elemente A und B des Führungsbauteils wird über dem ge­ samten Ausströmquerschnitt eine gleichmäßig hohe Vermischung bei Vermeidung von Totvolumina im Führungsbauteil erzielt. Aufgrund der Mikrostrukturierung der Kanalreihen werden die zu vermischenden oder zu dispergierenden Fluide in eine Vielzahl feinster benachbarter Stromfäden oder Lamellen unterteilt, die beim Eintritt in die Mischkammer sich auf schnellstem und kürzestem Wege durchmischen können oder in eine Tropfen oder Blasen bildende Dispersphase und eine die kontinuierliche Phase bildende Hüllphase zerteilt werden. Die Dichte der Kanalmündungen und damit der Stromfäden am Eintritt in die Mischkammer beträgt einige tausend Mündungen bzw. Stromfäden pro cm².

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrovermischers sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben werden im fol­ genden anhand der Zeichnungen erläutert.

Die Fig. 1 zeigt perspektivisch und in starker Vergrößerung zwei übereinander zu schichtende, genutete Folien und eine Deckplatte;

die Fig. 2 zeigt den Mikrovermischer schematisch in der Draufsicht;

die Fig. 3 veranschaulicht das Herstellungsverfahren für die genuteten Folien.

Gemäß Fig. 1 bestehen die plattenförmigen, übereinanderzu­ schichtenden Elemente abwechselnd jeweils aus dünnen Folien 1A und 1B mit einer Dicke von 30 bis 1000 µm, vorzugsweise < 250 µm bei einer lateralen Ausdehnung im Millimeterbereich. In die Folien 1A, 1B ist je eine Schar eng benachbarter, bogenförmig gekrümmter Nuten 2A, 2B eingearbeitet, so daß beim Übereinan­ derschichten der Folien 1A, 1B abwechselnd je eine Reihe von Kanälen 3A und 3B entsteht (siehe Fig. 2).

Die Nuten haben Tiefen von < 1000 µm, vorzugsweise < 250 µm, Breiten von 10 µm bis in den Millimeterbereich, vorzugsweise jedoch < 500 µm, bei Wanddicken der Zwischenstege 4A, 4B und Nutböden 5A, 5B von < 1000 µm, vorzugsweise < 250 µm. Die Nutenschar 2B verläuft von der linken, hinteren Stirnfläche 6B bogenförmig zum mittleren Bereich 6C der vorderen Stirnfläche 8B der Folie 1B, die Nutenschar 2A verläuft bogenförmig von der rechten, hinteren Stirnfläche 6A zum mittleren Bereich 6C der vorderen Stirnfläche 8A der Folie 1A, wobei beide Folien­ arten 1A und 1B den gleichen Grundriß haben. Dieser Grundriß hat die geometrische Form eines Fünfecks, gebildet aus einem Rechteck mit hieran angeschlossenem, gleichschenkeligem Drei­ eck, wobei eine Seite des Rechtecks die Grundseite des gleich­ schenkeligen Dreiecks bildet.

Schichtet man eine Vielzahl dieser Folien 1A und 1B abwech­ selnd und deckungsgleich übereinander, so entsteht ein Führungsbauteil 6, wie es in der Draufsicht schematisch aus Fig. 2 hervorgeht. An die beiden von den Schenkeln des Drei­ ecks gebildeten Flächen 6A, 6B sind die Zufuhrkammern 7A, 7B für die Fluide A′, B′ angeschlossen. An den mittleren Bereich 6C der gegenüberliegenden Fläche 8, in den die Kanäle 3A, 3B parallel zueinander ausgerichtet ausmünden, ist die Misch­ kammer 9C angeschlossen, über die die miteinander zu ver­ mischenden oder zu dispergierenden Fluide A′, B′ bzw. deren Reaktionsprodukte C′ abgeführt werden.

Die Schenkelflächen 6A, 6B sind gegenüber der Fläche 8 bzw. den beiden Seitenflächen 10, 11 des Führungsbauteils 6 so ge­ neigt, daß die vom mittleren Bereich 6C der Fläche 8, an den die Mischkammer 9C angeschlossen ist, ausgehenden, von Folie 1A zu Folie 1B abwechselnd zu der Zufuhrkammer 7A und der Zufuhrkammer 7B führenden Scharen von bogenförmigen Kanälen 3A bzw. 3B annähernd gleiche Längen aufweisen.

Bei kreisbogenförmigen Nuten bzw. Kanälen bedeutet dies, daß die Bogenlänge

sein soll, wobei r den jeweiligen Krümmungsradius und α den zugehörigen Bogenwinkel der betreffenden Nuten bzw. Kanäle be­ deutet. Dies würde an sich zu gekrümmten Schenkelflächen 6A, 6B führen. In der Praxis ist es jedoch im allgemeinen ausrei­ chend, diese gekrümmten Flächen durch eine Näherungsgerade "einzuebnen", z. B. nach der Vorschrift

wobei r₁ den größten und r₂ den kleinsten Radius und α₁ bzw. α₂ die zugehörigen Bogenwinkel zur äußersten und innersten Nut bedeuten.

Nach dem Übereinanderschichten werden die Folien 1A, 1B mit Deckplatten 15 versehen und vakuumdicht und druckfest mitein­ ander verbunden, z. B. diffusionsverschweißt, so daß das so entstandene Führungsbauteil 6 die Gestalt eines homogenen Mikrostrukturkörpers erhält, der an die Kammern 7A, 7B und 9C angeschlossen wird.

Zur Herstellung der Folien 1A, 1B kann eine drehbare Sinterme­ tallplatte 12 mit geschliffener Oberfläche eingesetzt werden, auf der eine Rohfolie 13 aus einem Metall wie z. B. Kupfer oder Silber mittels Unterdruck aufgespannt wird (siehe Fig. 3). In die sich drehende Rohfolie 13 werden mittels einem Formdiamanten (nicht dargestellt) in einem mittleren Bereich zwischen Drehmittelpunkt M und Peripherie der Rohfolie 13 eine Schar konzentrischer Nuten 14 eingearbeitet. Sodann wird die Rohfolie 13 in vier Einzelfolien 1A, 1B unterteilt in der Weise, daß vier mit dem mittleren Durchmesser der konzentri­ schen Nutenschar übereinstimmende Längsseiten 8, von deren mittlerem Bereich die kreisbogenförmige Nutenschar 14 ihren Ausgang nimmt, je zwei, also insgesamt acht Schmalseiten 10, 11 sowie je zwei Schenkelpaare 6A, 6B entstehen, wobei die Nu­ tenschar 14 jeweils in einen der beiden Schenkel 6A bzw. 6B ausmündet. Es entstehen also aus vier Segmenten die vorerwähn­ ten vier deckungsgleichen Fünfecke. Die Nuten haben vorzugs­ weise rechteckige Querschnitte. Es können auch mehrere genu­ tete Rohfolien übereinander geschichtet und gemeinsam in die Fünfecke zerschnitten werden.

Claims (4)

1. Statischer Mikrovermischer mit einer Mischkammer und einem vorgeschalteten Führungsbauteil für die getrennte Zufuhr von zu mischenden oder zu dispergierenden Fluiden zu der Mischkammer, wobei
das Führungsbauteil aus mehreren, plattenartigen, überein­ andergeschichteten Elementen zusammengesetzt ist, die von je einer Reihe langgestreckter, benachbart zueinander verlaufender Kanäle durchzogen sind;
dabei sind wenigstens zwei Arten von Elementen A und B vor­ gesehen, die abwechselnd übereinandergeschichtet sind und deren Reihen von Kanälen mit ihren an die Mischkammer an­ grenzenden Mündungen übereinander liegen und dort einen ge­ meinsamen Querschnitt bilden, wobei abwechselnd die Reihen von Kanälen der Elementart A zu einer Zufuhrkammer eines Fluids A′ und die Reihen von Kanälen der Elementart B zu einer Zufuhrkammer eines Fluids B′ führen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die plattenartigen Elemente A und B für das Führungsbau­ teil bestehen jeweils aus dünnen Folien (1A, 1B) mit ei­ ner Dicke von 30 bis 1000 µm, vorzugsweise < 250 µm, bei einer lateralen Ausdehnung im Millimeterbereich, in die je eine Schar benachbarter Nuten (2A, 2B) eingearbeitet sind, so daß beim Übereinanderschichten der Folien (1A, 1B) je eine Reihe von Kanälen (3A, 3B) für die Führung der zu mischenden Fluide A′ und B′ entsteht;
• b) die Nuten (2A, 2B) haben Tiefen von < 1000 µm, vorzugs­ weise < 250 µm, Breiten von 10 µm bis in den Millimeterbereich, vorzugsweise jedoch < 500 µm, bei Wanddicken der Zwischenstege (4A, 4B) und Nutböden (5A, 5B) von < 1000 µm, vorzugsweise < 250 µm;
• c) die jeweiligen Scharen von Nuten (2A, 2B) in den übereinandergeschichteten Folien (1A, 1B) verlaufen je­ weils bogenförmig gekrümmt und abwechselnd von der Mischkammer (9C) zu je einer Zufuhrkammer (7A, 7B) für das Fluid A′ bzw. B′ in der Weise, daß alle Scharen von Nuten (2A, 2B) der Folien (1A, 1B) parallel zueinander ausgerichtet in die Mischkammer (9C) ausmünden.

2. Statischer Mikrovermischer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die übereinandergeschichteten Folien (1A, 1B) haben in der Draufsicht die geometrische Form eines Fünfecks, das durch ein Rechteck mit hieran angeschlossenem gleich­ schenkeligem Dreieck gebildet wird, wobei eine Seite des Rechtecks die Grundseite des gleichschenkeligen Dreiecks bildet;
• b) an die beiden von den Schenkeln des Dreiecks gebildeten Flächen (6A, 6B) sind die Zufuhrkammern (7A, 7B) für die Fluide A′ bzw. B′ und an die von der gegenüberliegenden Längsseite des Rechtecks gebildete Fläche (8) die Misch­ kammer (9C) angeschlossen,
• c) die Schenkel (6A, 6B) des Dreiecks sind gegenüber seiner Grundseite so geneigt, daß die von der Mischkammer (9C) ausgehenden, von Folie (1A) zu Folie (1B) abwechselnd zu der Zufuhrkammer (7A) bzw. der Zufuhrkammer (7B) führen­ den bogenförmigen Nuten (2A, 2B) jeweils annähernd glei­ che Längen aufweisen.

3. Statischer Mikrovermischer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die übereinandergeschichteten Folien (1A, 1B) zu einem vakuumdichten und druckfesten Mikrostrukturkörper (6) miteinander verbunden, z. B. diffusionsverschweißt, sind, der an die Zufuhrkammer (7A bzw. 7B) und die Misch­ kammer (9C) angeschlossen ist.

4. Verfahren zur Herstellung der Folien nach Anspruch 2, ge­ kennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) eine Rohfolie (13) wird mittels Unterdruck auf eine drehbare, geschliffene Metallsinterplatte (12) gespannt;
• b) in die sich drehende Rohfolie (13) werden mittels einem Formdiamanten in einem mittleren Bereich der Rohfolie (13) zwischen deren Drehmittelpunkt (M) und deren Peri­ pherie eine Schar konzentrischer Nuten (14) eingearbei­ tet;
• c) die Rohfolie (13) wird in vier Einzelfolien (1A, 1B) unterteilt in der Weise, daß durch zwei aufeinander senkrecht stehende, sich im Dreh­ mittelpunkt (M) kreuz ende Schnitte vier Segmente entste­ hen, und daß durch weitere Schnitte an jedem Segment vier deckungsgleiche Fünfecke gemäß Anspruch 2 gebildet werden.