DE102005060280A1 - Integrierbarer Mikromischer sowie dessen Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen integrierbaren und demontierbaren Mikromischer sowie dessen Verwendung.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen integrierbaren und demontierbaren Mikromischer sowie dessen Verwendung.
  • Als Mikromischer bezeichnet man gemeinhin fluidische Bauelemente, die eine Anordnung von Kanälen und/oder durchströmbaren Öffnungen mit wenigstens einer quer zur Durchströmungsrichtung auf Werte von unter einem Millimeter beschränkten Abmessung (Mikrostrukturen) enthalten, welche geeignet ist, mindestens zwei einströmende fluide Medien (Edukte) in ein Bündel aus mehreren Teilströmen von jeweils höchstens wenigen Zehntelmillimetern Dicke zu überführen, so dass ein schneller diffusiver Stoffaustausch zwischen diesen Teilströmen stattfinden kann. Mikromischer dienen somit der schnellen kontinuierlichen Vermischung von Strömen fluider Medien und sind damit in vorteilhafter Weise geeignet, durch Vermischung initiierte Prozesse zeitlich sehr genau definiert einzuleiten. Handelt es sich bei den einströmenden Fluiden um nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten, so sind viele Mikromischer darüber hinaus geeignet, aus diesen Flüssigkeiten eine feine Emulsion mit mitunter sehr enger Tröpfchengrößenverteilung zu erzeugen.
  • Die meisten bekannten Mikromischer arbeiten im Wesentlichen nach einem von zwei Grundprinzipien: Bei den Multilaminationsmischern erfolgt über ein System sich aufteilender Fluidpfade zunächst eine Aufteilung der mindestens zwei Eingangsströme in eine größere Zahl meist wenigstens näherungsweise gleich großer Teilströme, die dann in alternierender Anordnung in einer gemeinsamen Kontaktzone wieder zusammenlaufen. Bei den sog. Split-and-Recombine- oder Querströmungs-Mischern werden hingegen die mindestens zwei Eingangsströme zunächst ohne Aufteilung am Eingang der Mischstrecke zusammengeführt, entlang derer der resultierende Gesamtstrom dann wiederholt in wenige Teilströme aufgeteilt wird, die jeweils vor der nächsten Teilung in gegeneinander verschobener Anordnung wieder zusammengeführt werden. Neben diesen beiden Mischergrundformen werden in einigen Anwendungen, z.B. zur Emulsionserzeugung, ferner Mikromischer eingesetzt, bei denen einer der Eingangsströme nicht aufgeteilt wird und der zweite bzw. die weiteren durch mehrere Öffnungen in diesen Hauptstrom eingeleitet werden. Diese Mischer seien im Folgenden als Zuströmungsmischer bezeichnet.
  • Bei den zahlreichen bekannten und z.T. auch geschützten Ausführungsformen von Mikromischern werden die hier genannten Grundprinzipien im Wesentlichen hinsichtlich ihrer geometrischen bzw. (fertigungs-) technischen Ausführung variiert bzw. durch spezielle Strömungsführungen des Gemischs in oder nach dem Austritt aus der ersten Kontaktzone der zu vermischenden Medien erweitert. So beschreiben z.B. die US 5,803,600 , WO 00/76648, DE 202 09 009 U1 (Kamm mischer) und die WO 2004/052518 A3 (Schlitzplattenmischer) verschiedene Realisierungsmöglichkeiten von Multilaminationsmischern. Split-and Recombine-Mischer sind beispielsweise in der US 5,904,424 , WO 97/13075 und der US 6,457,854 B1 sowie in Hessel/Hardt/Löwe, „Chemical Micro Process Engineering", Wiley-VCH, Weinheim (2004), S. 401 („Caterpillar Mini Mixer", im Folgenden als Kaskadenmischer bezeichnet) beschrieben. Bei den Zuströmungsmischern kann noch zwischen solchen Ausführungsformen unterschieden werden, bei denen die Zuführung der Nebenströme an mehreren entlang des Hauptstromes hintereinander liegenden Stellen erfolgt, wie dies z.B. in der US A 6,281,254 beschrieben wird, und solchen, bei denen die Teilströme des Nebenstroms in einer Ebene angeordnet sind, wie es z.B. in bestimmten Ausführungsformen der PCT/EP2005/001227 (Ventilmischer) der Fall ist. Schließlich sind noch Mikromischerformen bekannt, wie z.B. in der DE 199 27 556 A1 oder in der WO 02/089966 A2 beschrieben, die als Mischformen zwischen Multilaminations- und Zuströmungsmischern aufgefasst werden können.
  • Für viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der Chemie bzw. Verfahrenstechnik und hier vor allem im Bereich der Produktion, werden solche Mikromischer bevorzugt, bei denen die zur Vermischung genutzten Mikrostrukturen durch Demontage des Mischers für Wartungs- (Inspektions-/Reinigungs-) Zwecke zugänglich gemacht werden können. Um solche Mischer als frei stehende Bauteile sicher und ohne Kontamination der Umgebung durch die sie durchströmenden Prozessmedien verwenden zu können, müssen die einzelnen Fluid führenden Komponenten entlang geschlossener Linien auf ihren Berührungsflächen zur Umgebung hin hermetisch abgedichtet oder Teile des Mischers müssen in einem öffenbaren fluiddichten Gehäuse mit entsprechenden Fluidein- und Auslässen untergebracht werden. Viele Bauformen von Mikromischern, beispielsweise Kamm-, Schlitzplatten- oder Ventilmischer sowie beispielsweise auch die in der WO 00/76648 oder der DE 199 27 556 A1 beschriebenen Mikromischer setzen sich aus mehr als zwei lösbar miteinander verbundenen Komponenten zusammen und erfordern somit entsprechend entweder den Einsatz mehrerer gedichteter Verbindungen innerhalb des Bauteils oder die Verpressung bzw. sehr präzise Einpassung der mikrostrukturierten inneren Komponenten innerhalb eines Gehäuses. In jeder dieser Ausführungsformen generiert die Forderung nach einer vollständig demontierbaren und damit optimal wartungsfreundlichen Ausführung gegenüber einer Ausführung, bei der einige Komponenten fluiddicht und unlösbar miteinander verbunden sind, zusätzlichen Aufwand, dessen Reduzierung anzustreben ist.
  • Aufgrund der kontinuierlichen Betriebsweise und des daraus resultierenden geringen aktiven Prozessvolumens ermöglichen Mikromischer ein besonders hohes Maß an Prozesskontrolle, wodurch sie vor allem für die Durchführung von Prozessen mit ausgeprägter Wärmetönung und kurzen Prozesszeiten von Interesse sind. In solchen Fällen werden Mikromischer oft mit Wärmetauschern, üblicherweise mit Mikrowärmetauschern, kombiniert und/oder selbst mit einer Tempe riereinrichtung versehen. Derartige Kombinationen von Mikromischern mit (Mikro-)Wärmetauschern sind ebenfalls bereits in unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben worden. In vielen Fällen, wie z.B. in der WO 00/76648, DE 199 27 556 A1 oder der US 6,457,854 steht hierbei der Mikromischer im Zentrum der Beschreibung, dessen Temperierung, oder alternativ die ggf. selektive Temperierung der Zuführungskanäle, der Kontaktzone oder einer sich daran anschließenden Verweilstrecke, welche als optionale Ergänzung des jeweiligen Bauteils in dieses integriert oder – in meist nicht näher beschriebener Weise – an dieses angeschlossen werden kann. Vielfach beschrieben sind auch Kombinationen von Mikromischern und Mikrowärmetauschern zu integrierten Einheiten, sog. Mikroreaktoren, z.B. basierend auf gestapelten und miteinender unlösbar verbundenen mikrostrukturierten Platten, welche neben dem Vermischen und Wärmeaustausch oft auch noch weitere Prozessschritte in einer oder mehreren Ebenen eines Bauelements implementieren, dabei allerdings den zuvor angesprochenen Anforderungen an die Demontier- und Wartungsfreundlichekteit der Bauelemente gar nicht oder nur mit hohem konstruktivem Aufwand gerecht werden. Beispiele hierfür finden sich u.a. in der WO 02/08577 A2 DE oder der US 5,534,328 . Bekannt sind schließlich ferner modular aufgebaute Mikroreaktionssysteme, wie z.B. die in der WO 2004/012864 A1 oder der EP 01 031 375 A1 beschriebenen, bei denen u.a. Mikromischer mit Mikrowärmetauschern über lösbare Fluidverbindungen hintereinander geschaltet werden können.
  • Das erforderliche temperierte Prozessvolumen wie auch das erforderliche volumenspezifische Produkt aus Wärmedurchgangskoeffizient und temperierter Fläche des Wärmetauschers kann bei den interessierenden vermischungs-initiierten Prozessen mit starker Wärmetönung sehr stark variieren. Ein Mikromischer, der für derartige Prozesse eingesetzt werden soll, sollte daher mit einer breiteren Auswahl an Wärmetauschern kombiniert werden können, also ein einerseits eigenständiges, d.h. nicht von vornherein fest integriertes, aber mit gängigen Anschlussstandards kompatibles Bauelement darstellen. Insbesondere in Produktionsanwendungen, bei denen oft einige 10 bis viele 1000 Liter Prozessmedium pro Stunde durchgesetzt werden, können Prozessvolumina von einigen hundert Millilitern bis zu einigen hundert Litern erforderlich sein. Die Realisierung solch großer temperierter Prozessvolumina durch Mikrowärmetauscher, wie sie meist in Verbindung mit Mikromischern genannt wird oder nahe liegend erscheint, kann natürlich schnell sehr aufwändig und teuer werden, und ist auch in vielen Fällen gar nicht notwendig, da die Erfordernisse sehr vieler Prozesse, deren Wärmetönung und Prozessgeschwindigkeit zwar zu hoch ist, als dass sie in höhervolumigen Batch-Reaktoren sicher und mit gutem Ergebnis durchgeführt werden könnten, durch Wärmetauscher mit Kanaldimensionen im Millimeterbereich aber durchaus erfüllt werden können. Solche „konventionellen" Wärmetauscher gehören seit langem zum Stand der Technik und können in aller Regel mit deutlich geringerem Kostenaufwand bereitgestellt werden als Mikrowärmetauscher mit entsprechendem Prozessvolumen. Es erscheint daher wünschenswert, eine Bauform von Mikrowärmetauschern bereitzustellen, welche nicht nur mit möglichst geringem Konstruktions-Fertigungs- und Montageaufwand ein hohes Maß an Wartungsfreundlichkteit erreicht, sondern darüber hinaus geeignet ist, mit einer breiten Auswahl von Mikro- wie auch konventionellen Wärmetauschern zu Prozess- bzw. Reaktoreinheiten kombiniert zu werden und dabei insbesondere den Erfordernisse vermischungs-initiierter Prozesse mit starker Wärmetönung optimal gerecht zu werden.
  • Während das erforderliche temperierte Prozessvolumen für einen gegebene Prozess u.U. recht groß ausfallen kann, sollte das nicht temperierte Verbindungsvolumen zwischen der Mischzone des Mikromischers und dem temperierten Prozessvolumen des Wärmetauschers in den meisten Fällen, insbesondere bei vermischungs-initiierten Prozessen mit starker Wärmetönung, so klein wie möglich gehalten werden. Gerade bei solchen stark exothermen vermischungs-initiierten Reaktionen mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit kann ein Reaktionsgemisch, welches aus einem Mikromischer austritt und über eine Fluidverbindung nach dem Stand der Technik in einen konventionellen (oder Mikro-) Wärmetauscher geleitet wird, auf diesem Weg aufgrund der frei werdenden Reaktionswärme bereits eine sich auf das Ergebnis des Reaktion nachteilig auswirkende Temperaturerhöhung erfahren. Zu dem hierfür verantwortlichen nicht temperierten Verbindungsvolumen trägt dabei sowohl der Mischer selbst mit seiner Kontakt- bzw. Mischzone, dem Auslasskanal und dem Fluidanschluss für die Ableitung des Gemischs als auch der Wärmetauscher mit seinem Fluidanschluss und Eingangskanal bei.
  • Zusammenfassend ist festzustellen, dass nach dem benannten Stand der Technik keine Ausführungsform von Mikromischern bekannt ist, die eine flexible Kombination mit einer breiten Auswahl an Mikro- sowie konventionellen Wärmetauschern bei minimalem ungekühltem Verbindungsvolumen und einem hohen Maß an Wartungsfreundlichkeit ermöglicht. Es stellt sich damit die Aufgabe, einen ebensolchen Mikromischer bereitzustellen.
    •
  • Die Aufgabe wird überraschenderweise durch den erfindungsgemäßen integrierbaren Mikromischer gelöst, der wenigstens eine Einlasskomponente (6) und wenigstens eine Abschlusskomponente (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskomponente (6) ein Verbindungselement (3) enthält, über welches der Mikromischer (1) in eine Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien (2) in einer Weise eingebaut werden kann, dass die Mündungen aller Auslässe (9) sowie die Abschlusskomponente (8) vollständig innerhalb des Prozessmedienvolumens (11/12) dieser Vorrichtung liegen.
  • Gegenstand der Erfindung sind daher Mikromischer (1) mit wenigstens eine Einlasskomponente (6) und wenigstens eine Abschlusskomponente (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskomponente (6) ein Verbindungselement (3) enthält, über welches der Mikromischer (1) in eine Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien (2) in einer Weise eingebaut werden kann, dass die Mündungen aller Auslässe (9) sowie die Abschlusskomponente (8) vollständig innerhalb des Prozessmedienvolumens (11/12) dieser Vorrichtung liegen.
  • Als Einlasskomponente (6) wird dabei diejenige Komponente des Mikromischers bezeichnet, welche die Anschlüsse und Einlasskanäle (5) für die Zuführung der durch den Mischer zu vermischenden Edukte enthält. Die Abschlusskomponente (8) ist lösbar mit wenigstens einem weiteren Bestandteil des Mikromischers in einer Weise verbunden, dass durch Demontage dieser Abschlusskomponente die Mikrostrukturen des Mikromischers – ggf. auch durch deren dann mögliche Entnahme – sichtbar zutage treten und somit vollständig inspiziert werden können (z.B. hinsichtlich Verunreinigungen oder Beschädigungen). Die Mikrostrukturen selbst können dabei Bestandteil der Einlasskomponente, der Abschlusskomponente, einer weiteren oder auch mehrer Komponenten des Mikromischers sein.
  • Als lösbar im Sinne der Erfindung gelten dabei solche Verbindungen zwischen Komponenten des Mikromischers, welche durch Zusammensetzen, An- oder Einpressen im Sinne der DIN 8593 zustande kommen. Bevorzugt sind hierbei Verbindungen durch Einlegen, Einsetzen, Schrauben oder Klemmen.
  • Das Verbindungselement des erfindungsgemäßen Mikromischers kann prinzipiell in der Form jedes bekannten Fluidanschlusses ausgeführt werden, also beispielsweise in einer Form, dass der Mischer über einen losen Flansch, einen Vorschweißflansch, einen Stehbolzenanschluss, eine Klemm-, Keil-, Schneidring- oder andere Rohrverschraubung, eine Schnellverschlusskupplung, Überwurfverschraubung, Quetsch- oder Muffenverschraubung druck- bzw. fluiddicht an eine Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien angeschlossen bzw. in eine solche eingebaut werden kann. Bevorzugt sind hierbei solche Ausführungen des Verbindungselements, bei denen der Mikromischer über einen Flansch- oder Stehbolzenanschluss, eine Überwurf- oder eine Rohrverschraubung druck- bzw. fluiddicht angeschlossen bzw. eingebaut werden kann. Besonders bevorzugt ist der Anschluss bzw. Einbau über eine Flansch-, Stehbolzen-, Schneidring- oder Klemmringverbindung.
  • Vorrichtungen zur Prozessierung fluider Medien (2) im Sinne der Erfindung sind solche Vorrichtungen, die ein gewisses, mit wenigstens einer verschließbaren Öffnung zur Befüllung und/oder Entleerung bzw. Durchströmung versehenes inneres Volumen (Prozessmedienvolumen) zur Auf nahme wenigstens eines fluiden Mediums (Prozessmedium) enthalten und dazu bestimmt sind, den thermodynamischen Zustand (z.B. Temperatur, Druck, Innere Energie, Entropie etc.) und/oder die chemische Zusammensetzung dieses darin enthaltenen bzw. dieses Volumen durchströmenden Prozessmediums zu verändern. Die bestimmungsgemäße Funktion einer solchen Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien ist dabei zunächst unabhängig vom möglichen Einbau eines erfindungsgemäßen Mikromischers zu sehen, d.h. Vorrichtungen, welche im Wesentlichen als Gehäuse eines Mikromischers dienen und somit integraler Bestandteil eines solchen sind, sind nicht als Vorrichtungen zur Prozessierung fluider Medien im Sinne der Erfindung aufzufassen.
  • Das Prozessmedienvolumen in einer solchen Vorrichtungen zur Prozessierung fluider Medien im Sinne der Erfindung umfasst wenigstens deren eigentliches Prozessvolumen (12), innerhalb dessen die Zustands- bzw. Zusammensetzungsänderung des Prozessmediums stattfindet, ggf. darüber hinaus ein zwischen dem Prozessvolumen und der Einlassöffnung der Vorrichtung gelegenes (passives) Fluidzuführungsvolumen (11) und ggf. ferner ein zwischen dem Prozessvolumen und der Auslassöffnung gelegenes Fluidabführungsvolumen. Ist ein erfindungsgemäßer Mikromischer in die Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien eingebaut, erstreckt sich das Fluidzuführungsvolumen im Sinne der Erfindung ggf. über die Einlassöffnung der Vorrichtung hinaus bis zur prozessmedienseitigen Oberfläche des Verbindungselements (3) des Mischers (als Beispiel siehe 2f). In nicht kontinuierlich durchströmten Vorrichtungen zur Prozessierung fluider Medien können Ein- und Auslassöffnung und damit Fluidzu- und Abführungsvolumina jeweils miteinander übereinstimmen. Beispiele für Vorrichtungen zur Prozessierung fluider Medien im Sinne der Erfindung sind im Weiteren bei den bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mikromischers aufgeführt.
  • Aufgrund seiner Bauform ist der erfindungsgemäße Mikromischer bei entsprechender Wahl seiner äußeren Abmessungen und der Anschlussform des Verbindungselements (3) unter anderem besonders geeignet, um in eine breite Auswahl von Wärmetauschern eingebaut zu werden, insbesondere in solche mit größeren Prozessvolumina und dementsprechend auch größeren nicht temperierten Fluidzuführungsvolumina (11 bzw. 32), und dabei eben dieses nicht temperierte Volumen und folglich auch die Verweilzeit des durch den Mikromischer gebildeten Gemischs darin durch die Anwesenheit des dieses Volumen teilweise ausfüllenden Mischers wesentlich zu verringern. In diesem Fall bildet der Mikromischer mit dem als Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien bevorzugten Wärmetauscher einen Reaktor bzw. eine Prozesseinheit. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung füllt der erfindungsgemäße Mikromischer das Fluidzuführungsvolumen (11 bzw. 32) des Wärmetauschers dabei im Einbauzustand wenigstes zur Hälfte, besonders bevorzugt zu mehr als zwei Dritteln aus.
  • Die geometrische Gestaltung des Mikromischers ermöglicht bei Einbau in einen Wärmetauscher zusätzlich ein gewisses Maß an Einflussnahme auf die Strömungsführung des Prozessmediums auf dem Weg von der Mischzone des Mischers bis zum Eintritt in das temperierte Prozessvolumen (12 bzw. 33) des Wärmetauschers. Die Anpassung der beiden Reaktorkomponenten erfolgt hierbei also im Wesentlichen seitens des Mikromischers und nicht, wie nach dem Stand der Technik meist üblich, seitens des Wärmetauschers. Somit kann eine große Vielfalt an Mikromischern bei Ausführung in der erfindungsgemäßen Form in optimaler Weise an eine große Vielfalt unabhängig hiervon bereits verfügbarer Wärmetauscher angepasst werden.
  • Durch die mit dem erfindungsgemäßen Aufbau des integrierbaren Mikromischers verbundene Verlagerung wenigstens einer der zur Erreichung der Wartungsfreundlichkeit notwendigen Trennfläche(n) zwischen der Abschlusskomponente (8) und wenigstens einer der restlichen Komponenten des Mikromischers in das Prozessmedienvolumen (11/12) der mit ihm verbundenen Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien entfällt darüber hinaus die Notwendigkeit einer hermetischen Abdichtung zwischen diesen Komponenten durch mitunter aufwändige und teure Dichtelemente oder ein umschließendes Gehäuse. Auf diese Weise werden sowohl die Konstruktion, Fertigung und Montage als auch die Wartung (Inspektion, Reinigung, ggf. Reparatur) des Mischers vereinfacht. Fragestellungen hinsichtlich der Druckfestigkeit und der medienbeständigen Abdichtung zur Umgebung beschränken sich seitens des Mikromischers auf dessen Verbindungselement (3) und die Durchführung der Fluideinlasskanäle des Mikromischers durch dieses. Die bei vielen Mikromischer-Bauarten erforderliche Verspannung bzw. Verpressung von Komponenten kann ohne Erzeugung von Totvolumina oder Maßkonflikten mit Vorrichtungen zur Abdichtung gegenüber der Umgebung realisiert werden. Aufgrund dieser Vorteile kann der Einbau von erfindungsgemäßen Mikromischern nicht nur in Wärmetauscher sondern grundsätzlich in beliebige Vorrichtungen zur Prozessierung fluider Medien gegenüber dem Einbau von Mikromischern mit eigenem Gehäuse in das Zuleitungssystem der jeweiligen Vorrichtung vorteilhaft sein.
  • Bevorzugt ist hierbei der Einbau des erfindungsgemäßen Mikromischers in ggf. beheiz- und/oder kühlbare Apparate zur Durchführung chemischer oder physikalischer Prozesse wie z.B. Rührwerkskessel, Kneter, Extruder oder kontinuierlich durchströmte Wärmetauscher. Besonders bevorzugt ist dabei wiederum die Kombination des erfindungsgemäßen Mikromischers mit kontinuierlich durchströmten Wärmetauschern, beispielsweise mit Plattenwärmetauschern, Rohrbündelwärmetauschern, Doppelrohrwärmetauschern, Spiralwärmetauschern, Taschenwärmetauschern, Schlangenkühlern oder Mikrowärmetauschern zu einer kontinuierlich durchströmten Prozess- bzw. Reaktoreinheit.
  • Wird der erfindungsgemäße Mikromischer in einen kontinuierlich durchströmten Wärmetauscher eingebaut, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, um damit einen vermischungs-initiierten Prozess mit starker Wärmetönung durchzuführen, sind hierbei solche Wärmetauscher bevorzugt, die über ein sehr hohes volumenspezifisches Produkt aus Wärmeaustauschfläche und Wärmedurchgangskoeffizient verfügen, wie z.B. Rohrbündel-Platten- oder Mikrowärmetauscher. Wird hierbei ein besonders großes und ggf. variables temperiertes Prozessvolumen benötigt, ist eine Kombination mit einem Plattenwärmetauscher als besonders bevorzugt und die Kombination mit einem wenigstens prozessmedienseitig verschraubten Plattenwärmetauscher als dem gegenüber ganz besonders bevorzugt anzusehen. Wird dagegen ein besonders hohes volumenspezifisches Produkt aus Wärmeaustauschfläche und Wärmedurchgangskoeffizient bei nicht zu großem Prozessvolumen benötigt, ist ggf. die Kombination mit einem Mikrowärmetauscher besonders zu bevorzugen. Besonders bevorzugt sind daneben auch Kombinationen eines erfindungsgemäßen integrierbaren Mikromischers mit mehrstufigen Wärmetauscheranordnungen, ganz besonders bevorzugt mit solchen, bei denen das Prozessvolumen und der Strömungsquerschnitt für das Prozessmedium in dessen Strömungsrichtung von Stufe zu Stufe zunehmen.
  • In dem Falle, dass ein erfindungsgemäßer Mikromischer in einen Wärmetauscher eingebaut wird, kann die Führung des Prozessmediums gegenüber dem Temperiermedium innerhalb des Wärmetauschers im Gegenstrom, Kreuzstrom, Gleichstrom sowie in Mischformen dieser Strömungsformen erfolgen. Dient der Wärmetauscher dabei primär der Abführung von Wärme aus einem durch den Mikromischer eingeleiteten exothermen Prozess, so ist eine Führung des Prozessmediums gegenüber dem Temperiermedium im Kreuzgleich- oder Gleichstrom bevorzugt, eine solche im Gleichstrom besonders bevorzugt. Wird der Wärmetauscher innerhalb der Prozesseinheit primär zur Temperierung des Prozessmediums eingesetzt, ohne dass im Prozess eine nennenswerte Wärmetönung auftritt, ist eine Führung der Medien im Gegen- oder Kreuzgegenstrom bevorzugt und eine solche im Gegenstrom besonders bevorzugt.
  • Grundsätzlich sollte sich jede Art von Mikromischern, welche wenigstens eine Einlasskomponente (6) und wenigstens eine Abschlusskomponente (8) aufweisen, vorteilhaft in der erfindungsgemäßen Bauform ausführen lassen. Bevorzugt geeignet zur Ausführung als erfindungsgemäße integrierbare Mikromischer sind hierbei allerdings Multilaminationsmischer, Split-and-Recombine-Mischer oder Zuströmungsmischer, hierbei wiederum besonders bevorzugt Schlitzplattenmischer, Kammmischer, Kaskadenmischer oder Ventilmischer.
  • Insbesondere bei Verwendung niedrigviskoser Edukte eigenen sich für die Ausführung als – erfindungsgemäße integrierbare Mikromischer ganz besonders bevorzugt Schlitzplatten- oder Kammmischer, im Falle höherviskoser Edukte Kaskadenmischer und in dem Falle, dass beim Mischungsvorgang Feststoffe, insbesondere feste Partikel entstehen, sind ganz besonders bevorzugt Kaskaden- oder Ventilmischer als integrierbare Mikromischer einzusetzen.
  • Die Mündung(en) (15) des oder der Auslässe (9), durch die das im erfindungsgemäßen Mikromischer gebildete Gemisch den Mikromischer verlässt, können grundsätzlich an jeder Stelle an dessen Oberfläche eingebracht sein, die im eingebauten Zustand des Mischers innerhalb des Prozessmedienvolumens (11/12) der ihn aufnehmenden Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien liegt. Sofern dieses Volumen im Betrieb bestimmungsgemäß vollständig mit dem Gemisch ausgefüllt ist und das Gemisch eine niedrige bis mittlere Viskosität aufweist, ist eine Positionierung der Auslassöffnungen an einer möglichst weit stromaufwärts gelegenen Stelle des Mischers bevorzugt derart, dass die prozessmedienseitige Oberfläche des Mischers im Betrieb möglichst vollständig von dem in ihm gebildeten Gemisch umströmt wird und folglich Totvolumina vermieden werden. Ist in diesem Fall eine Einströmung des Gemischs in die Vorrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Befestigungsebene des Verbindungselements (3) vorgesehen, so ist eine umlaufende oder unterbrochen umlaufende Anordnung der Auslassmündungen (15) möglichst nahe und parallel zur Befestigungsebene des Verbindungselements besonders bevorzugt (z.B. 7c). Soll das Gemisch hingegen im Wesentlichen in einer Richtung parallel zur Befestigungsebene des Verbindungselements abströmen, so ist eine Anordnung der Auslassmündungen auf der dem Abstrom des Gemischs abgewandten Seite und eine gleichmäßige Verteilung dieser Mündungen auf dieser Seite entlang des Mischers besonders bevorzugt (vgl. 7a). Ist das Einbauvolumen des Mischers im Betrieb bestimmungsgemäß nicht vollständig mit dem Gemisch erfüllt und/oder weist das Gemisch eine hohe Viskosität auf, so ist eine Anordnung der Auslassmündungen auf der der Abströmungsrichtung zugewandten Seite des Mischers bevorzugt. Die besonders bevorzugten Anordnungen ergeben sich analog dem Umströmungsfall. Verläuft z.B. die Hauptströmungsrichtung im Einbauvolumen in diesem Fall senkrecht zur Befestigungsebene des Verbindungselements, ist dabei eine Anordnung der Auslassöffnungen auf der dem Trägerflansch abgewandten Stirnfläche des Mischers ganz besonders bevorzugt (z.B. 7d) und e)).
  • Hinsichtlich der Gestaltung des prozessmedienseitigen Teils des integrierbaren Mikromischers, also desjenigen Teils, welcher im eingebauten Zustand innerhalb des Prozessmedienvolumens der Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien liegt, sind ferner solche Ausführungen bevorzugt, die sich aufgrund eines modularen Aufbaus und/oder der Möglichkeit der Erweiterung durch Anbringung von Füllkörpern oder Komponenten zur Strömungsführung an Vorrichtungen zur Prozessierung fluider Medien mit unterschiedlich geformtem oder in seiner Längenausdehnung bzw. seinem Querschnitt verschiedenem Prozessmedienvolumen angepasst werden können.
  • Bevorzugt sind daher solche Mikromischer bei denen Volumen und/oder äußere Form des prozessmedienseitigen Teils des integrierbaren Mikromischers durch Anbringung lösbar mit diesem verbindbarer Füllkörper variiert werden kann (z.B. 8).
  • Ebenfalls bevorzugt sind solche Mikromischer bei denen der Gesamtströmungsquerschnitt der Mikrostrukturen durch Einbau einer variablen Anzahl gleichartiger Mischermodulkomponenten gleichzeitig in ihrer Länge wie auch im durchströmbaren Querschnitt der Mikrostrukturen an das Einbauvolumen angepasst werden kann. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, wenn der erfindungsgemäße Mikromischer eingebaut in einen Plattenwärmetauscher betrieben werden soll, ist eine solche Ausführungsform ganz besonders bevorzugt, da hierdurch eine gleichzeitige Anpassung des Verdrängungsvolumens wie auch des Strömungsquerschnitts des integrierbaren Mikromischers an die jeweils durch Dicke und Anzahl der Wärmetauscherplatten variierbar vorgegebene Länge des Einlasskanals (32) des Wärmetauschers angepasst werden kann (z.B. 9).
  • Als vorteilhaft erwiesen sich des weiteren solche Ausführungsformen integrierbarer Mischer oder Kombinationen solcher Mischer mit einer Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien, bei denen in die Fluideinlasskanäle des Mischers, die Mikrostrukturen und/oder die Vorrichtung zur Prozessierung eines fluiden Mediums Sensoren zur Bestimmung physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften eines oder mehrerer Prozess- und/oder ggf. Temperiermedien eingebaut sind. Bevorzugt sind hierbei Sensoren zur Bestimmung der Temperatur, des Drucks und/oder des Massen- bzw. Volumenstroms des einströmenden, durchströmenden oder ausströmenden Prozess- und/oder ggf. Temperiermediums wie auch Sensoren zur Bestimmung des pH-Werts, der elektrischen Leitfähigkeit, der Viskosität, des ggf. spektral aufgelösten Lichtstreu-, Absorptions- oder Fluoreszenzverhaltens, des Brechungsindexes, der Dielektrizitätskonstanten, der magnetischen Permeabilität, des Absorptionsverhaltens gegenüber Ultra- oder Megaschallwellen oder anderer chemischer oder physikalischer Eigenschaften wenigstens eines der Prozessmedien. Besonders bevorzugt sind dabei Sensoren zur Bestimmung der Temperatur und/oder des Drucks wenigstens eines der im Mischer bzw. Der Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien enthaltenen bzw. diese durchströmenden Fluide, insbesondere der ein- und auslaufenden Prozessmedien.
  • Als bevorzugt erweisen sich des weiteren solche Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Mikromischern bzw. deren Kombinationen mit Vorrichtungen zur Prozessierung fluider Medien, die einen inneren Regelkreis enthalten oder bei denen der Mikromischer bzw. der mit ihm gebildete Reaktor oder die mit ihm gebildete Prozesseinheit Bestandteil eines äußeren Regelkreises ist. In dem Falle, dass der Mischer bzw. Reaktor/Prozesseinheit gemäß der o.a. Beschreibung mit Sensoren ausgestattet ist, können deren Ausgangssignale vorteilhaft zur Regelung äußerer oder innerer Parameter (Stellgrößen), wie beispielsweise der Temperatur, des Massen- oder Volumen stroms, des Drucks, der Zusammensetzung oder anderer Eigenschaften wenigstens eines der den Mikromischer durchströmenden bzw. im Reaktor/Prozesseinheit befindlichen Medien eingesetzt werden. Bevorzugt sind dabei solche Regelstrecken, bei denen wenigstens ein Signal eines im Mikromischer bzw. Reaktor/Prozesseinheit oder außerhalb dessen angebrachten Sensors zur Regelung einer äußeren oder inneren Stellgröße eingesetzt wird, die mittelbaren oder unmittelbaren Einfluss auf wenigstens eine Eigenschaft des den Mikromischer bzw. Reaktor verlassenden Prozessmediums (Produkt) hat. Unter diesen bevorzugten Regelstrecken sind wiederum solche besonders bevorzugt, bei denen eine quantitative Abhängigkeit zwischen derjenigen Eigenschaft des Produkts, welche durch die Variation der Stellgröße beeinflusst wird, und dem Signal des im Mikromischer bzw. Reaktor/Prozesseinheit oder außerhalb dessen angebrachten Sensors besteht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Mikromischer bzw. der aus diesem durch Kombination mit einer Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien gebildete Reaktor als Bestandteil eines Systems oder einer Anlage eingesetzt, die der Untersuchung und/oder der chemischen oder physikalischen Veränderung bzw. Umsetzung fluider Medien bzw. in solche Medien eingebrachter Stoffe dient. Bevorzugt ist hierbei der Einsatz des Mikromischers bzw. Reaktors innerhalb eines Systems oder einer Anlage, die der chemischen Synthese von Substanzen in fluider Form oder in einer fluiden Trägerphase dient. Besonders bevorzugt hierbei ist wiederum die chemische Synthese von Substanzen im kontinuierlichen Prozessbetrieb bei Volumenströmen des Prozessmediums im Bereich oberhalb von 10 Litern pro Stunde. Bevorzugte Anwendungsbereiche können hierbei z.B. die Chemische, Petrochemische, Pharmazeutische oder auch die Lebensmittelindustrie sein.
  • Als Konstruktionswerkstoffe für die Herstellung erfindungsgemäßer integrierbarer Mikromischer oder von Komponenten davon kommen bevorzugt aus der Verfahrenstechnik bekannte metallische oder keramische Werkstoffe sowie Gläser, Kunststoffe oder Verbundwerkstoffe infrage. Insbesondere wenn der Mikromischer in Kontakt mit korrosiven Medien bzw. unter korrosiven Prozessbedingungen oder bei erhöhten Anforderungen an die thermische und/oder mechanische Stabilität betrieben werden soll, sind metallische Materialien, wie beispielsweise Edelstahl, Nickel, Nickelbasislegierungen, Titan, Niob oder Tantal oder aber, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, bei besonders hoher thermischer Belastung, auch keramische Materialien wie z.B. Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Siliziumcarbid besonders bevorzugt. Soweit es die Prozessbedingungen zulassen, sind von den bevorzugten Materialien Edelstahl, Nickelbasislegierungen und Tantal ganz besonders bevorzugt. Bei geringen Anforderungen an die thermische und mechanische Stabilität des Mikromischers können auch Kunststoffe wie z.B. PEEK, PTFE, PP, PMMA, PSU, PES, PPSU, PPS, PAI, PEI, Polyester- oder Epoxid-Harze besonders bevorzugte Konstruktionswerkstoffe darstellen.
  • Die Herstellung der erfindungsgemäßen Mikromischer erfolgt bevorzugt durch abtragende, umformende, abformende, aufbauende oder Fügeverfahren, wie sie dem Fachmann bekannt sind, bzw. aus Kombinationen dieser Verfahren. Werden metallische Werkstoffe für die Anfertigung des Mikromischers bzw. seiner Komponenten eingesetzt, erfolgt diese bevorzugt durch spanabhebende und/oder funkenerosive Fertigungsverfahren, ggf. in Kombination mit Ab/Umformtechniken wie Prägen, Spritz-, Druck-, Fein- oder Pulverspritzguss und/oder Fügetechniken wie z.B. Lichtbogen-, Wolfram-Inertgas- oder Laserschweißen bzw. durch Mikrostrukturierungsverfahren wie Laser-Mikromaterialbearbeitung, Formätzen oder LIGA-Technik. Bei Einsatz keramischer Konstruktionswerkstoffe werden insbesondere Abformtechniken wie z.B. Pulverspritzguss, spanabhebende Bearbeitungstechniken sowie Mikrostrukturierungsverfahren wie Funkenerosion und Laser-Mikromaterialbearbeitung als besonders bevorzugte Fertigungstechniken betrachtet. Bei der Fertigung erfindungsgemäßer Mikromischer aus Kunststoffen sind bevorzugt Abformtechniken wie Spritzguss und Heißprägen, thermische oder chemische Fügeverfahren und/oder spanabhebende Bearbeitungsverfahren sowie Laser-Mikromaterialbearbeitung als besonders bevorzugte Fertigungstechniken anzusehen.
  • Als Prozessmedien, für deren Vermischung die erfindungsgemäßen Mikromischer eingesetzt werden können, kommen zunächst grundsätzlich alle fluiden Medien infrage, wie z.B. Gase, Flüssigkeiten, Emulsionen, Suspensionen, Gele, kolloidale Gemische, Aufschwämmungen bzw. Aufschlämmungen von Nanopartikeln in einem fluiden Trägermedium, überkritische Medien oder Plasmen. Eine jeweils gegebene Ausführungsform eines erfindungsgemäßen wärmetauscherintegrierbaren Mikromischers wird bevorzugt zur Vermischung solcher fluider Medien eingesetzt, welche die Materialien, aus denen der Mischer aufgebaut ist und welche im Betrieb in Kontakt mit den Prozessmedien gelangen, innerhalb des beabsichtigten Betriebs nicht maßgeblich angreifen oder abtragen, sich bei dem beabsichtigten Volumenstrom mit einem der Anwendung angemessenen Druckverlust durch den gegebenen Mikromischer befördern lassen und welche innerhalb des beabsichtigten Betriebs weder den Mikromischer noch die ggf. daran angeschlossene Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien durch Ablagerungen in nicht akzeptabler Weise in ihrer Funktionsweise einschränken. Besonders bevorzugte Prozessmedien sind in diesem Sinne partikelarme Gase oder Flüssigkeiten mit niedriger bis mittelhoher Viskosität (bis ca. 500 mPas) und geringer Korrosivität gegenüber den Materialien der medienberührenden Komponenten der jeweiligen Ausführung des erfindungsgemäßen Mikromischers.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Mikromischer-Bauform bzw. eines durch Kombination eines erfindungsgemäßen Mischers mit einer Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien, bevorzugt mit einem kontinuierlich durchströmten Wärmetauscher, gebildeten Reaktors für Prozesse, bei denen während oder unmittelbar nach der Vermischung der in den Mischer eingebrachten fluiden Medien eine exotherme Reaktion abläuft, bei der das reagierende Prozessmedium eine gewisse Grenztemperatur nicht überschreiten soll, sowie für solche Prozesse, bei denen dem Prozessmedium während oder unmittelbar nach der Vermischung Wärme zugeführt werden soll.
  • Demnach bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Mikromischers bzw. eines durch Kombination eines erfindungsgemäßen Mischers mit einer Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien, bevorzugt mit einem kontinuierlich durchströmten Wärmetauscher, gebildeten Reaktors für vermischungs-initiierte exotherme Prozesse, bevorzugt vermischungs-initiierte exotherme chemische Reaktionen, für Prozesse, die eine schnelle Abkühlung oder Erwärmung nach der Vermischung mindestens zweier fluider Medien erfordern, für Prozesse, bei denen nach der Vermischung mindestens zweier fluider Medien eine Phasenänderung durch Zufuhr oder Entzug von Wärme hervorgerufen werden soll oder für Prozesse, bei denen zwei nicht oder nur wenig ineinander lösliche fluide Medien in innigen Kontakt gebracht werden sollen, wie z.B. Extraktionsprozesse oder Phasentransferreaktionen.
  • Als besonders vorteilhaft wird beispielsweise, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, die Verwendung von erfindungsgemäßen Mikromischern bzw. Reaktoren für Säure-Base-Reaktionen, Umsetzungen mit metallorganischen Verbindungen, sowie Nitrierungs- oder schnelle Polymerisationsreaktionen angesehen, ferner der Einsatz für Prozesse, bei denen das Prozessmedium unmittelbar nach der Vermischung durch Wärmezufuhr oder -entzug in eine andere Phase überführt (z.B. verdampft oder kondensiert) oder ein durch die Vermischung initiierter Prozess durch Änderung der Temperatur des Mischungsprodukts innerhalb kurzer Zeit in seinem Ablauf beeinflusst oder gestoppt werden soll. Als Beispiel für einen Prozess im letztgenannten Sinne kann die Fällung von Partikeln oder Nanopartikeln genannt werden, bei der durch rasche Abkühlung des Vermischungsprodukts unmittelbar nach dem Vermischen der Ausgangslösungen das Partikelwachstum in einem frühen Stadium gehemmt und damit ein Fällungsprodukt mit besonders geringer Partikelgröße und enger Partikelgrößenverteilung erzielt werden kann.
  • Des weiteren Gegenstand der Erfindung und als vorteilhaft erachtet ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Mikromischer-Bauform bzw. eines durch Kombination eines erfindungsgemäßen Mischers mit einem Wärmetauscher gebildeten Reaktors für heterogen katalysierte Reaktionen in der Weise, dass der für die Reaktion eingesetzte Katalysator z.B. durch Beschichtung, in Form einer Schüttung oder aufgebracht auf einem geeignet gearteten Trägermaterial in den Wärmetauscher eingebracht und von dem den Mischer verlassenden Prozessmedium um- bzw. durchströmt wird.
  • Ferner Gegenstand der Erfindung und als vorteilhaft erachtet ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Mikromischer-Bauform eingebaut in eine Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien, welche eine motorisch angetriebene Mischereinheit enthält, zur Vorvermischung der in diesen Apparat eingespeisten Medien. Diese Art der Verwendung der erfindungsgemäßen Mikromischer-Bauform wird insbesondere dann als bevorzugt betrachtet, wenn in dem Apparat mit motorisch angetriebener Mischereinheit höherviskose Medien bzw. Medien mit stark unterschiedlicher Viskosität gemischt werden sollen. Als besonders bevorzugt gelten dabei solche Anwendungen, bei denen der Apparat zur Verarbeitung fluider Medien ein Rührwerkskessel, Extruder oder Kneter ist.
  • Gegenstand der Erfindung ist zudem die Verwendung der erfindungsgemäßen Mikromischer-Bauform für die Erzeugung von Emulsionen bzw. Gemischen von nicht oder nur unvollständig ineinander löslichen fluiden Medien. Als vorteilhaft erachtet wird hierbei die Verwendung der erfindungsgemäßen Mikromischer-Bauform für die Durchführung von Extraktionsprozessen sowie für chemische Reaktionen, bei denen ein Stofftransport an oder über eine Phasengrenze zwischen nicht oder unvollständig ineinander löslichen Fluiden erforderlich ist, wie z.B. Phasentransferreaktionen zwischen Flüssigkeiten, Gas-Flüssigkeits-Reaktionen oder Reaktionen in fluider Phase, welche unter Einsatz eines flüssigen, im Reaktionsgemisch jedoch nicht oder nur geringfügig lösbaren Katalysators stattfinden. Besonders bevorzugt für die Durchführung derartiger Prozesse ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Mikromischer-Bauform, eingebaut in einen statischen Mischer, einen Wärmetauscher oder eine Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien mit motorisch angetriebener Mischereinheit.
  • Ebenfalls bevorzugt ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Mikromischer als Vormischer zur mischenden Befüllung bzw. Medieneinspeisung in eine Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien mit motorisch angetriebener Fluidumwälzung und/oder motorisch angetriebenem Fluidtransport mit zu vermischenden Medien, von denen vorzugsweise wenigstes eines eine dynamische Viskosität von 500 mPas oder mehr aufweist oder deren dynamische Viskositäten sich um wenigstens einen Faktor von 10 unterscheiden.
    •
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren beispielhaft erläutert ohne sie jedoch darauf zu beschränken.
  • Es zeigen:
  • 1a und b den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Mikromischers im Längsschnitt,
  • 2a–f verschiedene vorteilhafte Anordnungen der Trennflächen (4) zwischen den lösbar verbundenen Komponenten erfindungsgemäßer Mikromischer,
  • 3a–e verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen der Verbindung und Abdichtung zwischen dem Verbindungselement (3) und der Einlasskomponente (6) erfindungsgemäßer Mikromischer,
  • 4a–c eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikromischers als Schlitzplattenmischer
  • 5 ein Beispiel für eine Ausführungsform und den möglichen Einbau eines erfindungsgemäßen Mikromischers in einen gedichteten Plattenwärmetauscher,
  • 6a–d verschiedene vorteilhafte Anordnungen der Auslässe (9) an erfindungsgemäßen Mikromischern,
  • 7a–e verschiedene vorteilhafte Kombinationsmöglichkeiten von in 6a–d dargestellten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Mikromischer bzw. der dabei auftretenden Anordnungen der Auslassöffnungen (9) mit verschiedenen Vorrichtungen zur Prozessierung fluider Medien,
  • 8a–c verschiedene Beispiele für vorteilhafte Anordnungen bzw. Ausführungsformen von optional zur Anpassung des erfindungsgemäßen Mischers an unterschiedliche Einbauvolumina eingesetzten Füllkörpern (21),
  • 9a und b eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikromischers, welche sich aus mehreren, in verschiedener Anzahl kombinierbaren Modulkomponenten aufbaut,
  • 1a) zeigt schematisch den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen integrierbaren Mikromischers (1) im Längsschnitt. Der Mischer setzt sich zusammen aus der Einlasskomponente (6), den Mikrostrukturen (7), in denen der Mischprozess stattfindet bzw. eingeleitet wird, sowie einer Abschlusskomponente (8), der im gezeigten Beispiel die Auslässe (9) für das Mischungsprodukt enthält. Diese können alternativ auch in der Einlasskomponente (6) oder einem der Mikrostrukturen tragenden Bestandteile eingebracht sein. Die Einlasskomponente ist lösbar oder unlösbar mit dem Verbindungselement (3) verbunden, ggf. sind beide auch in einem Stück gefertigt. Das Verbindungselement trägt auf der der Mikrostruktur (7) abgewandten Seite die Einlasskanäle (5), von denen aus die zu vermischenden Medien durch die Einlasskomponente zu den Mikrostrukturen (7) gelangen. Die Mikrostrukturen (7) können in der Einlasskomponente (6), in der Abschlusskomponente (8) oder einem oder mehreren, lösbar oder unlösbar mit wenigstens einem der beiden Teile verbundenen Bauteil(en) eingebracht sein. In jedem Fall setzt die geforderte Wartungsfreundlichkeit des erfindungsgemäßen Mikromischers voraus, dass die Mikrostrukturen durch Demontage für Inspektions- und Reinigungsarbeiten zugänglich gemacht werden können, also wenigstens eine lösbare Verbindung besteht, deren Trennfläche (4) durch oder entlang der Mikrostruktur bzw. einer diese tragenden lösbaren Komponente verläuft.
  • In 2a–f sind beispielhaft verschiedene vorteilhafte Anordnungen der wesentlichen lösbaren Komponenten des erfindungsgemäßen Mikromischers und der zwischen ihnen verlaufenden Trennlinien (4) dargestellt. 2a zeigt eine Ausführungsform, bei der die Mikrostrukturen (7) sowie der Auslass (9) in der Abschlusskomponente (8) des Mikromischers angeordnet sind. Die Trennlinie (4) verläuft dabei an der Grenze zwischen Einlasskomponente (6) und Mikrostruktur (7) in dem Bereich, in dem der Einlasskanal in die Mikrostruktur mündet.
  • Bei der in 2b dargestellten Ausführungsform ist der Auslass (9) ebenfalls in der Abschlusskomponente (8) angeordnet, die Mikrostrukturen (7) sind hier Bestandteil der Einlasskomponente (6). In dieser Ausführungsform befindet sich die Trennlinie (4) zwischen den Mikrostrukturen (7) und der Abschlusskomponente (8).
  • 2c zeigt eine Ausführungsform, bei der die Mikrostrukturen (7) in einer separat lösbaren Komponente eingebracht sind, die zwischen der Einlasskomponente (6) und der Abschlusskomponente (8) eingebaut ist. Bei unterschiedlichen Varianten dieser Ausführungsform ist für die Herstellung der Zugänglichkeit der Mikrostrukturen entweder deren Verbindung zur Einlasskomponente (6), zur Abschlusskomponente (8) oder zu beiden zu lösen.
  • Bei der in 2d dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikromischers sind die Mikrostrukturen (7) ebenfalls Bestandteil einer separat lösbaren Komponente, die hier in einen Hohlraum zwischen der Einlass- (6) und der Abschlusskomponente (8) formschlüssig eingeschoben ist. Die Auslässe (9) sind hier beispielhaft radial nach außen führend entlang des Umfangs des Mikromischers angeordnet.
  • Bei der in 2e dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikromischers sind die Mikrostrukturen (7) Bestandteil der Abschlusskomponente (8), welche lösbar in einen entsprechend geformten Hohlraum der Einlasskomponente eingeschoben und dort lösbar fixiert ist.
  • 2f zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikromischers, bei der die Mikrostrukturen (7) Bestandteil der Einlasskomponente (6) sind und diese Einlasskomponente bzw. das Verbindungselement (3) prozessmedienseitig derart geformt ist, dass sich das Fluidzuführungsvolumen (11) der Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien (2) im eingebauten Zustand des Mischers ein Stück weit über deren Einlassöffnung (gepunktete Linie) hinaus bis zur Trennfläche (4) zwischen der Einlasskomponente (6) und der Abschlusskomponente (8) erstreckt.
  • 3a–e stellt beispielhaft verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen der Verbindung zwischen dem Verbindungselement (3) und der Einlasskomponente (6) eines erfindungsgemäßen Mikromischers dar. In 3a sind diese beiden Komponenten als ein zusammenhängendes Bauteil ausgeführt, wie es beispielsweise durch abtragende oder umformende Bearbeitung aus einem einteiligen Halbzeug, durch abformende Bearbeitung aus einem einheitlichen Material bzw. Verbundmaterial oder durch Herstellen einer unlösbaren Fügeverbindung aus zwei oder mehr Einzelkomponenten gefertigt werden kann. Die in den 3b–3e beispielhaft dargestellten Ausführungsformen verfügen demgegenüber über eine lösbare Verbindung zwischen Verbindungselement (3) und Einlasskomponente (6). So zeichnet sich die in 3b beispielhaft dargestellte Ausführungsform dadurch aus, dass die Einlasskanäle (5) des Mischers in ihrer Gesamtheit durch eine gemeinsame Öffnung im Verbindungselement (3) durch dieses hindurchgeführt sind. Diese Ausführungsform ermöglicht eine lösbare Verbindung von Verbindungselement (3) und – Einlasskomponente (6) mit nur einer Ringdichtung (10) und sowie Schraubenverbindungen (17) ohne Kontakt zum Prozessmedium. Die in 3c beispielhaft dargestellte Ausführungsform benötigt wenigstens zwei Ringdichtungen (10), die Mischeranschlüsse (5) sind hierbei allerdings unmittelbar an das Verbindungselement angebracht. Alternativ zu der in der Figur dargestellten gemeinsamen Abdichtung der Fluideinlasskanäle (5) können diese auch individuell gegenüber dem Bereich der Grenzfläche zwischen den beiden Mischerkomponenten abgedichtet sein, durch welchen die Verbindungsschrauben (17) geführt sind (vgl. 3e) wodurch die innere der beiden Ringdichtungen (10) durch zwei kleinere Ringdichtungen ersetzt würde. Bei der in 3d beispielhaft gezeigten Ausführungsform dienen zum Verbindungselement (3) hin gedichtete Einschraubanschlüsse (16) gleichzeitig als Mischeranschlüsse als auch als Verbindungselemente zur lösbaren Verbindung des Verbindungselements (3) mit der Einlasskomponente (6). 3e zeigt beispielhaft eine Ausführungsform, bei der die Einlasskomponente prozessmedienseitig mit dem Verbindungslement (3) verschraubt ist und die äußeren Anschlüsse des Mischers Bestandteil des Verbindungselements sind. Diese Ausführungsform kommt grundsätzlich ohne zusätzliche Dichtungen für die Verbindung dieser beiden Komponenten aus, optional kann aber beispielsweise eine individuelle Abdichtung (10) der Fluideinlasskanäle (5) nach dem gezeigten Schema erfolgen.
  • 4a–c zeigt beispielhaft eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikromischers als Schlitzplattenmischer (gem. WO 2004/052518 A3). Hierbei gehen von den im Grundkörper parallel verlaufenden Fluideinlasskanälen (5) in alternierender Abfolge einander parallel über lappende (siehe Schnittzeichnung 4b), zur planen Oberseite der Einlasskomponente (6) hin offene Zuführkanäle (27) ab. Auf der Einlasskomponente (6) liegt in präziser Ausrichtung zu den Fluideinlasskanälen die Mischplatte (26) und darauf die Blendenplatte (25) auf, welche die die Mischung einleitenden Mikrostrukturen tragen. Beide Platten werden durch die mit Halteschrauben (28) auf der Einlasskomponente lösbar befestigten Abschlusskomponente (8), welche auch die Auslässe (9) für das Mischungsprodukt trägt, auf der Einlasskomponente (6) angepresst. Die Funktionsweise dieser Anordnung ist in 4c dargestellt. Die zu vermischenden Fluide treten aus den jeweiligen Zuführkanälen (27a/b) in die einander überlappenden Mikrostrukturen in der Mischplatte (26) ein und verlassen diese in einer Anordnung alternierender Lamellen durch die Blendenschlitze in der Blendenplatte (25).
  • In 5 ist beispielhaft der Einbau eines erfindungsgemäßen Mikromischers in den prozessmedienseitigen Einlasskanal eines gedichteten Plattenwärmetauschers gezeigt. Zum besseren Verständnis des Aufbaus des Wärmetauschers ist dieser in partiell demontiertem Zustand mit zurückgezogener beweglicher Deckplatte (41) und teilweise auseinander geschobenem Plattenstapel (37)/(39) dargestellt. Die Spannschrauben zur Verspannung des Plattenstapels und die diese aufnehmenden Aussparungen in den Druckplatten (40)/(41) sind zur Vereinfachung nicht eingezeichnet. Der integrierbare Mikromischer ist im dargestellten Beispiel prozessmedienseitig in zylindrischer Form ausgebildet und füllt hierdurch den Einlasskanal des Wärmetauschers im eingebauten Zustand bis auf einen schmalen Überströmspalt aus (vgl. auch 7a). Das Verbindungselement ist als Flansch ausgebildet, welcher den prozessmedienseitigen Eingangsflansch des Wärmetauschers bis auf die Einlasskanäle (5) des Mischers dicht abschließt. Das Gemisch durchläuft das temperierte Prozessvolumen (33) zwischen den Platten (37) innerhalb des Plattenstapels (39) des Wärmetauschers und verlässt diesen über dessen Auslasskanal durch den Ausgangsflansch (35).
  • In 6a–d sind beispielhaft verschiedene vorteilhafte Anordnungen der Auslassöffnungen an erfindungsgemäßen Mikromischern dargestellt. 2a zeigt eine Ausführungsform, bei der die Auslässe (9) in der Abschlusskomponente (8) des Mischers entlang einer zum Verbindungselement (3) im Wesentlichen senkrechten Seite angeordnet sind. Bei der in 6b dargestellten Ausführungsform sind die Auslässe (9) ebenfalls in der Abschlusskomponente (8), entlang mehrerer zum Verbindungselement (3) im Wesentlichen senkrechten Seiten, z.B. einander gegenüber oder ggf. auch umlaufend um den prozessmedienseitigen Teil des Mischers angeordnet. Bei der in 6d dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikromischers liegen die Auslässe (9) in der Einlasskomponente (6) des Mischers und sind umlaufend um diesen angeordnet. Die Abströmung erfolgt in radialer Richtung vom Mischer weg. 6d zeigt eine Ausführungsform, bei der die Auslässe (9) in der stirnseitig liegenden Abschlusskomponente (8) eingebracht sind. Die Abströmung erfolgt hier im Wesentlichen senkrecht zum Verbindungselement (3) von diesem weg.
  • 7a–e zeigt beispielhaft verschiedene vorteilhafte Kombinationsmöglichkeiten von in 6 dargestellten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Mikromischer bzw. der dabei auftretenden Anordnungen der Auslässe mit verschiedenen Vorrichtungen zur Prozessierung fluider Medien. In 9a ist beispielsweise eine Ausführungs- (entspr. 6a) bzw. Einbauform dargestellt, wie sie u.a. vorteilhaft in einen Plattenwärmetauscher eingebaut werden kann. In diesem wie auch in anderen Fällen, bei denen das Prozessvolumen der Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien (hier: Strömungskanäle zwischen den Platten des Wärmetauschers; 33) in einer Richtung quer zu deren Fluidzuführungsvolumen (11) (entspr. hier Eingangskanal (32)) verläuft, so ist es vorteilhaft, wenngleich nicht die einzig denkbare Möglichkeit der Anordnung, den Mikromischer in einer Weise einzubauen, dass seine Auslassöffnungen in die dem temperierten Prozessvolumen (12) (entspr. hier 33) abgewandte Richtung zeigen, so dass der prozessmedienseitige Teil des Mischers im Betrieb vom Mischungsprodukt aktiv umströmt wird und somit Totzonen mit geringer Medienbewegung minimiert werden. Geht dagegen das Prozessvolumen (12) (entspr. hier 33) der Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien in mehreren Richtungen im Wesentlichen symmetrisch von deren Fluidzuführungsvolumen (11 bzw. 32) ab, so ist auch eine Anordnung der Auslassöffnungen (9) in mehrere Richtungen, wie sie in 7b beispielhaft dargestellt ist, vorteilhaft (entspr. Ausführungsform aus 6b). 7c zeigt eine insbesondere bei Verwendung niedrig viskoser, das Fluidzuführungsvolumen (11) der Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien vollständig erfüllender Mischungsprodukte vorteilhafte, da totvolumenarme Einbauform eines erfindungsgemäßen Mikromischers gemäß 6c, bei dem das Einbauvolumen für den Mischer im Wesentlichen durch einen Einlassstutzen der Vorrichtung zur Prozessierung Fluider Medien gegeben ist, dessen Länge der des prozessmedienseitigen Teils des Mischers in etwa entspricht oder diese überschreitet. 7d und e zeigen beispielhaft zwei vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikromischers gemäß 6d. In 7d ist diese mit einem Extruder zu einer Prozesseinheit kombiniert. Eine solche Kombination kann beispielsweise zur Prozessierung von Mischungsprodukten mit höheren Viskositäten vorteilhaft sein. Ein weiterer vorteilhafter Einsatz dieser Ausführungsform ist z.B. dann gegeben, wenn das Einbau- (11) bzw. Prozessvolumen (12) im Betrieb nicht vollständig mit dem Mischungsprodukt ausgefüllt ist, wie es beispielsweise bei dem in 7b dargestellten Einsatz eines erfindungsgemäßen Mikromischers als Vormischer zur mischenden Befüllung eines Rührwerkskessels (51) der Fall ist.
  • 8a–c gibt drei Beispiele für vorteilhafte Anordnungen bzw. Ausführungsformen von optional zur Anpassung des erfindungsgemäßen Mischers an unterschiedliche Fluidzuführungsvolumina (11) der Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien eingesetzten Füllkörpern (20). Beispielsweise zeigt 8a eine Ausführungsform mit einem Längenfüllkörper (20), der neben der verbesserten Ausfüllung des Fluidzuführungsvolumens (11) der Verlängerung des Grundkörpers (6) dient, um dessen Auslassöffnungen (9) näher an das Prozessvolumen (12) zu versetzen. 8b zeigt beispielhaft eine Ausführungsform mit minimiertem Totvolumen, bei der ein angeschraubter, im Betrieb vom Prozessmedium umspülter Füllkörper (20) der verbesserten Ausfüllung des Fluidzuführungsvolumens (11) in seiner Länge dient. Der in 8c beispielhaft dargestellte Füllkörper (20) dient demgegenüber vorwiegend der Ausfüllung des Einbauvolumens (11) hinsichtlich seines Querschnitts. Allgemein können aber auch Mischformen der in den 8b und 8c dargestellten Füllkörpertypen vorteilhaft sein, welche sowohl die Länge als auch den Einbauquerschnitt des erweiterten Mischers vergrößern.
  • In 9a und b ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikromischers beispielhaft dargestellt, welche sich aus mehreren, in verschiedener Anzahl kombinierbaren Modulkomponenten (22) aufbaut und so auf vorteilhafte Weise gleichzeitig an unterschiedliche, insbesondere unterschiedlich lange Einbauvolumina wie auch an unterschiedlich hohe Durchsätze der Prozessmedien angepasst werden kann. Eine solche Ausführungsform ist beispielsweise in besonders vorteilhafter Weise kombinierbar mit Plattenwärmetauschern, bei denen eine Durchsatzanpassung unter Beibehaltung der Plattengeometrie üblicherweise über die eine Variation der Anzahl der Wärmetauscherplatten (37) im Stapel erfolgt und damit gleichzeitig eine Längenänderung des Einlassvolumens (32) zur Folge hat.
    • 1
    Erfindungsgemäßer Mikromischer
    2
    Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien
    3
    Verbindungselement
    4
    Trennfläche zwischen lösbar verbundenen Komponenten des Mischers
    5
    Einlasskanäle des Mikromischers
    5a
    Einlasskanal für Fluid A
    5b
    Einlasskanal für Fluid B
    6
    Einlasskomponente
    7
    Mikrostruktur
    8
    Abschlusskomponente
    9
    Auslass
    10
    Dichtung
    11
    Fluidzuführungsvolumen der Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien
    12
    Prozessvolumen der Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien
    13
    Eingangsflansch der Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien
    14
    Gehäusewand der Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien
    15
    Mündung des Mischerauslasses
    16
    Schraube/Einschraubanschluss
    17
    Verbindungsschraube für Einlasskomponente
    20
    Füllkörper
    21
    Halteschraube für Füllkörper
    22
    Mischermodulkomponente
    25
    Blendenplatte
    26
    Mischplatte
    27
    Zuführkanäle
    27a
    Zuführkanal für Fluid A
    27b
    Zuführkanal für Fluid B
    28
    Halteschraube für Abschlusskomponente
    30
    Eingangsflansch des Wärmetauschers (prozessmedienseitig)
    32
    Einlasskanal des Wärmetauschers (prozessmedienseitig; entspr. 11)
    33
    temperiertes Prozessvolumen des Wärmetauschers (entspr. 12)
    34
    Eingangsflansch des Wärmetauschers (temperiermedienseitig; entspr. 13)
    35
    Ausgangsflansch des Wärmetauschers (prozessmedienseitig)
    36
    Ausgangsflansch des Wärmetauschers (temperiermedienseitig)
    37
    Wärmetauscherplatte
    38
    Dichtung zwischen Wärmetauscherplatten
    39
    Wärmetauscherplattenstapel
    40
    feststehende Druckplatte
    41
    bewegliche Druckplatte
    42
    obere Tragstange
    43
    Stütze
    50
    Extruderschnecke
    51
    Rührwerkskessel
    52
    Rührer

Claims (11)

  1. Mikromischer (1) mit wenigstens einer Einlasskomponente (6) und wenigstens einer Abschlusskomponente (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskomponente (6) ein Verbindungselement (3) enthält, über welches der Mikromischer (1) in eine Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien (2) in einer Weise eingebaut werden kann, dass die Mündungen aller Auslässe (9) sowie die Abschlusskomponente (8) vollständig innerhalb des Prozessmedienvolumens (11/12) dieser Vorrichtung liegen.
  2. Mikromischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien ein Wärmetauscher ist und durch den Einbau des Mikromischers mit diesem ein Reaktor bzw. eine Prozesseinheit gebildet wird.
  3. Mikromischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Platten-, Spiral-, Rohrbündel-, Doppelrohr- oder Mikrowärmetauscher ist.
  4. Mikromischer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser das Fluidzuführungsvolumen (11) des Wärmetauschers zu wenigstes der Hälfte, bevorzugt zu mehr als zwei Dritteln ausfüllt.
  5. Mikromischer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Multilaminations-, Split-and-Recombine- oder ein Zuströmungsmischer ist.
  6. Mikromischer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Schlitzplattenmischer, ein Kammmischer, ein Kaskadenmischer oder ein Ventilmischer ist.
  7. Mikromischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtströmungsquerschnitt der Mikrostrukturen des Mikromischers durch Einbau einer variablen Anzahl gleichartiger Mischermodulkomponenten (22) variiert werden kann.
  8. Mikromischer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen und/oder die äußere Form desjenigen Teils des Mikromischers, welcher im eingebauten Zustand innerhalb des Fluidzuführungs- (11) bzw. Prozessvolumens (12) – der Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien liegt, durch Anbringung lösbar mit dem Mikromischer verbindbarer Füllkörper variiert werden kann.
  9. Mikromischer nach Anspruch 1 und/oder einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in eine Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien mit motorisch angetriebener Fluidumwälzung und/oder motorisch angetriebenem Fluidtransport eingebaut ist.
  10. Verwendung des Mikromischers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 für die Durchführung vermischungs-initiierter exothermer Prozesse, bevorzugt vermischungs-initiierter exothermer chemischer Reaktionen, für Prozesse, die eine schnelle Abkühlung oder Erwärmung nach der Vermischung mindestens zweier fluider Medien erfordern, für Prozesse, bei denen nach der Vermischung mindestens zweier fluider Medien eine Phasenänderung durch Zufuhr oder Entzug von Wärme hervorgerufen werden soll oder für Prozesse, bei denen zwei nicht oder nur wenig ineinander lösliche fluide Medien in innigen Kontakt gebracht werden sollen, wie z.B. Extraktionsprozesse oder Phasentransferreaktionen.
  11. Verwendung des Mikromischers nach Anspruch 1 und/oder einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9 als Vormischer zur mischenden Befüllung bzw. Medieneinspeisung in eine Vorrichtung zur Prozessierung fluider Medien mit motorisch angetriebener Fluidumwälzung und/oder motorisch angetriebenem Fluidtransport mit zu vermischenden Medien, von denen wenigstes eines eine dynamische Viskosität von 500 mPas oder mehr aufweist und/oder deren dynamische Viskositäten sich um wenigstens einen Faktor von 10 voneinander unterscheiden.
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