DE19748481A1 - Micro-mixer for production of ethyl-oxide - Google Patents
Micro-mixer for production of ethyl-oxideInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen statischen Mikrovermischer mit einer Mischkammer und einem vorgeschalteten Führungsbauteil für die getrennte Zufuhr von zu mischenden oder zu dispergierenden Fluiden zu der Mischkammer gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Mikro reaktor zur Durchführung heterogen katalysierter Gasphasenreaktionen, der ein Führungsbauteil für die getrennte Zufuhr mindestens zweier gasförmiger Edukte A' und B', eine Mischkammer und einen Katalysator umfaßt, wobei das Führungsbauteil und die Mischkammer von einem erfindungsgemäßen statischen Mikrovermischer gebildet werden.The invention relates to a static micromixer with a mixing chamber and an upstream guide component for the separate supply of fluids to be mixed or dispersed to the mixing chamber according to the Preamble of the main claim. The invention further relates to a micro reactor for performing heterogeneously catalyzed gas phase reactions, the one Guide component for the separate supply of at least two gaseous Educts A 'and B', a mixing chamber and a catalyst, the Guide component and the mixing chamber of an inventive static micromixers are formed.
Aus der WO 95/30476 ist ein statischer Mikrovermischer bekannt, der eine Mischkammer und ein Führungsbauteil für die getrennte Zufuhr der zu mischenden Stoffe vorsieht. Das Führungsbauteil besteht aus dünnen Folien mit jeweils einer Schar paralleler, geradliniger Nuten, die als plattenartige Elemente übereinandergeschichtet sind. Die Nuten der übereinanderliegenden Folien weisen eine zur Mikro-Vermischer-Längsachse abwechselnde Schräge auf, so daß die an die Mischkammer angrenzenden Öffnungen der Kanäle fluchtend übereinander liegen und an der Fluideintrittsseite hin zu getrennten Eintrittskammern divergieren. Die Kanäle des Führungsbauteils weisen jeweils die gleiche Länge und damit den gleichen Strömungswiderstand auf. Da die Fluide zu unterschiedlichen Seiten gerichtet in die Mischkammer einströmen, ist die Mischungseffektivität an den Randzonen der Mischkammer geringer als im Zentrum.A static micromixer is known from WO 95/30476, the one Mixing chamber and a guide component for the separate supply of the provides mixing substances. The guide component consists of thin foils each with a group of parallel, straight-line grooves, which are plate-like Elements are stacked. The grooves of the superimposed Films have an incline that alternates with the longitudinal axis of the micro-mixer so that the openings of the channels adjoining the mixing chamber lie flush one above the other and separate on the fluid inlet side Entry chambers diverge. The channels of the guide component each point the same length and therefore the same flow resistance. Since the Fluids flowing into the mixing chamber are directed to different sides the mixing effectiveness at the edge zones of the mixing chamber less than in Center.
Zur Erhöhung der örtlichen Effektivität der Vermischung wird in der DE 195 40 292 C1 vorgeschlagen, daß die jeweiligen Scharen von Nuten in den überein andergeschichteten Folien jeweils bogenförmig gekrümmt und abwechselnd von der Mischkammer zu je einer der beiden Zufuhrkammern verlaufen, so daß alle Nuten parallel zueinander ausgerichtet in die Mischkammer münden. Zur Erzielung gleicher Strömungswiderstände wird angegeben, die Seiten des Führungsbauteils, die an die Zufuhrkammern grenzen, gegenüber der an die Mischkammer grenzende Seite so zu neigen, daß die Kanäle eine annähernd gleiche Länge aufweisen. Zur Vermeidung gekrümmter Eintrittsflächen wird angegeben, die Flächen entsprechend einer nach einer angegebenen Formel zu bestimmenden Näherungsgeraden auszurichten. Dies erlaubt jedoch nur kleine Bogenwinkel der Nuten, so daß eine Anordnung der Zufuhrkammern an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Führungsbauteils oder eine getrennte Zufuhr von mehr als zwei Fluiden kaum realisierbar ist.To increase the local effectiveness of the mixing is in DE 195 40 292 C1 suggested that the respective sets of grooves match in the other layered films each curved and alternating run from the mixing chamber to one of the two feed chambers, so that all grooves aligned parallel to each other open into the mixing chamber. For Achieving equal flow resistances is indicated, the sides of the Guide member that border the feed chambers, opposite to that Mixing chamber bordering side to incline so that the channels approximate have the same length. To avoid curved entrance surfaces specified, the areas according to a given formula align the approximation line to be determined. However, this only allows small arc angle of the grooves, so that an arrangement of the feed chambers two opposite sides of the guide member or one separate supply of more than two fluids is hardly feasible.
Aus der DE 39 26 466 A1 ist ein Mikroreaktor zur Durchführung chemischer Reaktionen mit starker Wärmetönung bekannt, in dem Stoff-, Reaktions- und Wärmeführung in übereinandergeschichteten, plattenartigen Elementen statt findet, die durch ein System aus durch Zerspanung hergestellten Rillen durch zogen und verbunden sind. Von Vorteil ist die extreme Wärmeabfuhrleistung, so daß die reagierenden Substanzen (Edukte) in hohen Konzentrationen gemischt und zur Reaktion gebracht werden können. Der Mikroreaktor selbst kann aus einem Katalysatormaterial gefertigt sein. Ein entscheidender Nachteil der Erfindung sind die unterschiedlichen Längen der Rillen zwischen den jeweiligen Eintrittsöffnungen und der Mischzone. Hierdurch weist der Mikroreaktor von der Länge der Rillen abhängige Strömungswiderstände auf, so daß unterschiedliche Volumenströme zur Mischung kommen, was eine über den Bereich der Mischzone inhomogene Mischung zur Folge hat. Uner wünschte Folge- und Nebenreaktionen können somit stattfinden. Ein weiterer entscheidender Nachteil der Erfindung, insbesondere wenn der Mikroreaktor aus einem Katalysatormaterial besteht, ist, daß die Reaktion schon mit der Vermischung der Stoffströme einsetzt. Dadurch ist es nicht möglich, Edukte in gezielten Mischungsverhältnissen zur Reaktion zu bringen und Folge- und Nebenreaktionen zu vermeiden.DE 39 26 466 A1 describes a microreactor for carrying out chemical processes Reactions with strong exothermicity are known, in which substance, reaction and Heat conduction in layered, plate-like elements instead takes place through a system of grooves made by machining moved and connected. The extreme heat dissipation performance is an advantage, so that the reacting substances (educts) in high concentrations can be mixed and reacted. The microreactor itself can be made from a catalyst material. A crucial disadvantage of the invention are the different lengths of the grooves between the respective inlet openings and the mixing zone. As a result, the Flow resistance depending on the length of the grooves, so that different volume flows come to mix, which one about results in inhomogeneous mixing in the area of the mixing zone. Our desired secondary and side reactions can thus take place. Another decisive disadvantage of the invention, especially when the microreactor consists of a catalyst material, is that the reaction with the Mixing of the material flows begins. As a result, it is not possible to feed in to bring targeted mixing ratios to reaction and follow-up and Avoid side reactions.
Weiterhin wird in der WO 95/30476 ein Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen vorgestellt. Dadurch, daß die Edukte in Fluidfäden aufgeteilt werden, gelangen die Edukte eng benachbart als Freistrahlen in einen Raum, der als Misch- und Reaktionsraum dient, wo sie durch Diffusion und Turbulenz vermischen und zur Reaktion kommen. Der Vorteil hierbei ist, daß durch die Aufteilung in Fluidfäden die Edukte schnell homogen vermischt werden, wodurch eine folge- und nebenproduktfreie Reaktion stattfindet. Eine Durchführung heterogen katalysierter Gasphasenreaktionen ist nach diesem Verfahren nicht möglich. Furthermore, WO 95/30476 describes a method for carrying it out chemical reactions presented. Because the educts in fluid threads are divided, the starting materials come in close proximity as free jets in a space that serves as a mixing and reaction space, where by diffusion and mix turbulence and react. The advantage here is that the educts are quickly mixed homogeneously by the division into fluid threads be, whereby a subsequent and by-product-free reaction takes place. A Carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions is according to this Procedure not possible.
Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik hat die Erfindung zur Aufgabe, bei einem statischen Mikrovermischer und einem Mikroreaktor der zuvor genannten Bauart das Führungsbauteil für die getrennte Zufuhr der zu mischenden Fluide so zu gestalten, daß beliebige Bogenwinkel der Nuten und damit beliebige Anordnungen der Zufuhrkammern und eine getrennte Zufuhr von mehr als zwei Fluiden realisierbar sind, bei einer über die gesamte Fläche des an die Mischkammer grenzenden Führungsbauteils gleich hohen Mischungseffektivität.Based on the above-mentioned prior art, the invention has Task with a static micromixer and a microreactor The aforementioned type of guide component for the separate supply of the mixing fluids so that any arc angle of the grooves and thus any arrangement of the feed chambers and a separate feed of more than two fluids can be realized, with one covering the entire area of the guide component adjacent to the mixing chamber is of the same height Mixing effectiveness.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und des Anspruchs 18 gelöst, wobei die abhängigen Ansprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben.The task is characterized by the features of the main claim and the claim 18 solved, the dependent claims advantageous embodiments of the Describe invention.
Trotz der Verwendung gekrümmter Nuten unterschiedlicher Länge ist es mit dem erfindungsgemäßen Führungsbauteil möglich, die an die Mischkammer grenzende Stirnfläche des Elementes A bzw. B so in gleich große Teilflächen zu unterteilen, daß aus jeder Teilfläche pro Zeiteinheit im wesentlichen das gleiche Fluidvolumen in die Mischkammer austritt, womit eine über die gesamte Stirnfläche gleich hohe Mischungseffektivität erreicht wird. Gemäß einer Aus führungsform wird dies durch Nuten gleichen Querschnitts erreicht, wobei die längeren Nuten kürzere Abstände zueinander aufweisen als die kürzeren Nuten.Despite the use of curved grooves of different lengths, it is with the guide component according to the invention possible to the mixing chamber bordering end face of element A or B in partial areas of equal size to subdivide that from each partial area per unit of time essentially same volume of fluid exits into the mixing chamber, making one over the entire Face area equal high mixing effectiveness is achieved. According to an out this is achieved by grooves of the same cross-section, the longer grooves have shorter distances from each other than the shorter Grooves.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Querschnitte der Nuten des Führungsbauteils so bemessen, daß aus jedem von den Nuten einer Elementart gebildeten Kanal pro Zeiteinheit das gleiche Fluidvolumen aus dem Führungsbauteil in die Mischkammer austritt. Dies bedeutet, daß die längeren Nuten einen größeren Querschnitt aufweisen als die kürzeren Nuten. Hierbei sind die sich von den kürzeren zu den längeren Nuten hin verkleinernden Wanddicken der Zwischenstege so zu bemessen, daß die Mitten der Nuten einen gleichen Abstand aufweisen.According to a preferred embodiment, the cross sections of the grooves of the guide member so that one of each of the grooves Element type channel formed the same fluid volume from the unit of time Guide component emerges into the mixing chamber. This means that the longer Grooves have a larger cross section than the shorter grooves. Here are those that shrink from the shorter to the longer grooves To measure wall thicknesses of the intermediate webs so that the centers of the grooves have the same distance.
Vorteilhaft ist die hohe Freiheit der Anordnung der Zufuhrkammern. So können bei Bogenwinkeln der Nuten von 90° die Zufuhrkammern auf zwei sich gegen überliegenden Seiten des Führungsbauteils angeordnet werden. Damit wird es auch möglich, eine weitere Zufuhrkammer für die getrennte Zufuhr eines dritten Fluids vorzusehen. Der erfindungsgemäße Mikrovermischer läßt sich vorteilhaft in der Mikroreaktionstechnologie zur Zuführung und Vermischung hochreaktiver Fluide einsetzen. Darüberhinaus kann dieser Mikrovermischer auch als zünd durchschlagsicheres Bauteil dienen.The high freedom of arrangement of the feed chambers is advantageous. So can at 90 ° arc angles of the grooves, the feed chambers counter on two overlying sides of the guide member are arranged. So it will also possible a further feed chamber for the separate feed of a third To provide fluids. The micromixer according to the invention can be used advantageously in microreaction technology for feeding and mixing highly reactive Use fluids. In addition, this micromixer can also be used as an ignition puncture-proof component.
Mit dem erfindungsgemäßen Mikroreaktor lassen sich mindestens zwei Edukte durch Multilamination zeitlich und örtlich effektiv mischen und die so in der Mischkammer erhaltene, homogene Mischung an dem Katalysator zur Reaktion bringen. Durch die laminare Strömung in den Kanälen der plattenartigen Elemente des Katalysators liegt ein enges Verweilzeitspektrum der Edukte bzw. Produkte vor. Durch die Bemessung des Querschnitts und der Länge der Kanäle läßt sich die Verweilzeit genau einstellen, so daß die Ausbeute und die Selektivität einer heterogen katalysierten Gasphasenreaktion maximiert, und ein Ablauf von unerwünschten Neben- und Folgereaktionen vermieden werden kann. Durch die kleinen Abmessungen, die Durchschlagsicherheit und die gute Wärmeleitung des aus plattenartigen Elementen aufgebauten Katalysators eignet sich der erfindungsgemäße Mikroreaktor insbesondere für stark exotherme Reaktionen, die auch bei stöchiometrischen Mischungsverhältnissen ohne die Verwendung von Inertgasen durchgeführt werden können. Die plattenartigen Elemente des Mikrovermischers und des Mikroreaktors lassen sich austauschen, so daß ein variabler Laboreinsatz möglich wird. Eine parallele Anordnung vieler Mikrovermischer bzw. Mikroreaktoren erlaubt einen Durchsatz größerer Stoffmengen und damit einen industriellen Einsatz.With the microreactor according to the invention, at least two starting materials can be by multilamination effectively and spatially mix and so in the Mixing chamber obtained homogeneous mixture on the catalyst for reaction bring. Due to the laminar flow in the channels of the plate-like Elements of the catalyst have a narrow residence time spectrum of the starting materials or Products before. By dimensioning the cross section and the length of the Channels, the dwell time can be set precisely, so that the yield and the Selectivity of a heterogeneously catalyzed gas phase reaction is maximized, and a sequence of undesirable secondary and subsequent reactions can be avoided can. Due to the small dimensions, the puncture resistance and the good Thermal conduction of the catalyst built up from plate-like elements The microreactor according to the invention is particularly suitable for strong exothermic reactions, even with stoichiometric mixing ratios can be carried out without the use of inert gases. The Leave plate-like elements of the micromixer and the microreactor exchange information, so that a variable laboratory use is possible. A parallel arrangement of many micromixers or microreactors allows one Throughput of larger quantities of material and thus an industrial application.
Der Mikroreaktor eignet sich besonders für heterogen katalysierte Gasphasen reaktionen bei hohen Temperaturen von 300 bis 1100°C. Insbesondere lassen sich ungesättigte Verbindungen, beispielsweise Ethen oder Propen, mit Luft oder molekularem Sauerstoff zu Oxiranen umsetzen. Vorteilhaft können hierbei stöchiometrische Mischungsverhältnisse gewählt werden, die sich bei her kömmlichen Anlagen aus Sicherheitsgründen verbieten.The microreactor is particularly suitable for heterogeneously catalyzed gas phases reactions at high temperatures from 300 to 1100 ° C. In particular let unsaturated compounds, for example ethene or propene, with air or convert molecular oxygen to oxiranes. Can be advantageous here stoichiometric mixing ratios can be chosen, which are at forth Prohibit conventional systems for safety reasons.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Mikrovermischers und Mikro reaktors werden anhand der folgenden schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the micromixer and micro according to the invention Reactor will be closer using the following schematic drawings explained. Show it:
Fig. 1 zwei plattenartige Elemente der Art A und B mit Nuten gleichen Querschnitts in perspektivischer Darstellung, Fig. 1 shows two plate-like elements of the type A and B with grooves same cross section, in perspective view,
Fig. 2 zwei plattenartige Elemente der Art A und B mit Nuten unter schiedlichen Querschnitts in perspektivischer Darstellung, Fig. 2, two plate-like elements of the type A and B with grooves difference union cross section in perspective view,
Fig. 3 einen Mikrovermischer mit zwei Zufuhrkammern für die Fluide A' und B' in Draufsicht, Fig. 3 is a micromixer with two feed chambers for the fluids A 'and B' in plan view,
Fig. 4 drei plattenartige Elemente der Art A, B und C in perspektivischer Darstellung, Fig. 4 shows three sheet-like elements of the type A, B and C in a perspective view;
Fig. 5 einen Mikrovermischer mit drei Zufuhrkammern für die Fluide A', B' und C' in Draufsicht, Fig. 5 is a micromixer with three feed chambers for the fluids A ', B' and C 'in plan view,
Fig. 6 ein Führungsbauteil für drei Fluide A', B' und C' in Draufsicht mit angedeutetem Verlauf der Kanäle, Fig. 6 is a guide member for three fluids A ', B' and C 'in plan view with indicated course of the channels,
Fig. 7 einen Mikrovermischer für zwei Fluide A' und B' mit einem in das Führungsbauteil integrierten Wärmetauscher in Draufsicht, Fig. 7 is a micromixer for the two fluids A 'and B' with a built-in heat exchanger, the guide member in plan view,
Fig. 8 drei plattenartige Elemente mit geradlinig verlaufenden Nuten gleichen Abstands in perspektivischer Darstellung, Fig. 8, three plate-like members having rectilinearly extending grooves equally spaced in a perspective view;
Fig. 9 einen Mikroreaktor in Draufsicht. Fig. 9 shows a microreactor in plan view.
Gemäß Fig. 1 weisen die plattenartigen Elemente 1, 2 eine Schar 3 von Nuten 4, 5 auf. Die in Fig. 1 nach vorne zeigende Stirnfläche 7 grenzt in dem Mikro vermischer an die Mischkammer an, während die Nuten 4 des plattenartigen Elementes 1 der Art A und die Nuten 5 des plattenartigen Elementes 2 der Art B gekrümmt in Richtung entgegengesetzt liegender Zufuhrkammern verlaufen. Die plattenartigen Elemente 1, 2 bestehen aus Folien mit Dicken bis zu einigen Millimetern, vorzugsweise < 1 mm, besonders bevorzugt < 500 µm. Dadurch, daß die plattenartigen Elemente 1, 2, die einen gleichen Grundriß haben, abwechselnd übereinander gestapelt und oben mit einer Deckplatte versehen werden, sind die Nuten jedes Elementes nach oben abgeschlossen, wodurch in Viertelkreisbögen verlaufende Kanäle gebildet werden. In Fig. 1 weisen die Nuten 4, 5 jedes Elementes 1, 2 einen gleichen Querschnitt auf, während die Wanddicken der Zwischenstege 6 von den kürzeren Nuten mit einem kleinen Krümmungsradius hin zu den längeren Nuten mit einem größeren Krümmungs radius abnehmen. Dies ermöglicht, daß die Stirnfläche 7 jedes Elementes 1, 2 so in gleich große Teilflächen unterteilt werden kann, daß trotz des größeren Strömungswiderstandes der längeren Kanäle pro Zeiteinheit aus jeder gedachten Teilfläche das gleiche Fluidvolumen in die Mischkammer austreten kann.According to Fig. 1 2, the plate-like elements 1, 3 a band of grooves 4, 5. In Fig. 1 forwardly facing end face 7 adjacent in the micro-blender to the mixing chamber, while the grooves 4 run of the plate-like element 1 of the type A and the grooves 5 of the plate-like element 2 of the type B curved in the direction opposite lying feed chambers. The plate-like elements 1 , 2 consist of foils with thicknesses of up to a few millimeters, preferably <1 mm, particularly preferably <500 μm. The fact that the plate-like elements 1 , 2 , which have the same layout, are alternately stacked one above the other and provided with a cover plate at the top, the grooves of each element are closed at the top, thereby forming channels running in quarter-circle arcs. In Fig. 1, the grooves 4 , 5 of each element 1 , 2 have the same cross-section, while the wall thicknesses of the intermediate webs 6 decrease from the shorter grooves with a small radius of curvature to the longer grooves with a larger radius of curvature. This enables the end face 7 of each element 1 , 2 to be divided into partial areas of equal size such that, despite the greater flow resistance of the longer channels per unit of time, the same volume of fluid can exit the mixed chamber from each imaginary partial area.
In Fig. 2 sind zwei plattenartige Elemente 1, 2 der Art A und B dargestellt, wobei jedes Element eine Schar 3 von Nuten 4, 5 aufweist. Die längeren Nuten, d. h. die Nuten mit einem größeren Krümmungsradius, weisen einen größeren Querschnitt auf als die kürzeren Nuten, d. h. als die Nuten mit einem kleineren Krümmungsradius. Die Dicken der Zwischenstege 6 sind so bemessen, daß die Mitten der Querschnittsflächen der Nuten jedes Elementes einen gleichen Abstand aufweisen. Damit verringern sich die Dicken der Zwischenstege 6 von den kürzeren Nuten hin zu den längeren Nuten und beim Übereinander schichten der plattenartigen Elemente liegen die Nuten der Elementart A und die Mitten der Nuten der Elementart B genau übereinander. Die Querschnitte der Nuten sind so bemessen, daß trotz der unterschiedlichen Längen der Kanäle pro Zeiteinheit aus jedem Kanal eines Elementes das gleiche Fluid volumen in die Mischkammer austritt. Damit kann über die gesamte Stirnfläche 7 für jedes Fluid A' und B' ein gleichmäßig hoher Fluidstrom und damit eine gleichmäßig hohe Mischungseffektivität erzielt werden.In Fig. 2, two plate-like elements 1 , 2 of type A and B are shown, each element having a family 3 of grooves 4 , 5 . The longer grooves, ie the grooves with a larger radius of curvature, have a larger cross section than the shorter grooves, ie as the grooves with a smaller radius of curvature. The thicknesses of the intermediate webs 6 are dimensioned such that the centers of the cross-sectional areas of the grooves of each element are equidistant. This reduces the thickness of the intermediate webs 6 from the shorter grooves to the longer grooves, and when the plate-like elements are layered one on top of the other, the grooves of element type A and the centers of the grooves of element type B lie exactly one above the other. The cross sections of the grooves are dimensioned such that, despite the different lengths of the channels per unit of time, the same fluid volume emerges from each channel of an element into the mixing chamber. A uniformly high fluid flow and thus a uniformly high mixing effectiveness can thus be achieved over the entire end face 7 for each fluid A 'and B'.
Ein statischer Mikrovermischer 11 mit einem Führungsbauteil 13, das aus den in Fig. 2 dargestellten, übereinandergeschichteten, plattenartigen Elementen 1, 2 besteht, ist in Fig. 3 schematisch gezeigt. Der Mikrovermischer 11 umfaßt Ausnehmungen für die Zufuhrkammern 14, 15, für das Führungsbauteil 13 und für die Mischkammer 12. Die von der Zufuhrkammer 14 des Fluids A' und von der Zufuhrkammer 15 des Fluids B' verlaufenden Kanäle 4, 5 sind in ihrer Lage angedeutet. Beide Zufuhrkammern sind in ihrer Tiefe derart ausgelegt, daß aufgrund des vom Führungsbauteil 13 erzeugten Druckabfalls der Strahldruck der Zuleitung der Fluide A' bzw. B' über die ganze Eintrittsfläche 16 bzw. 17 homogenisiert wird. Die plattenartigen Elemente sind entsprechend der beiden Arten A und B alternierend zu einem Führungsbauteil übereinandergeschichtet und druckdicht in die entsprechende Ausnehmung des Mikrovermischerbauteils eingepaßt. Nach oben sind die plattenartigen Elemente mit einer hier nicht dargestellten Deckplatte abgedeckt, die die obersten Nuten abschließt und den Folienstapel druckdicht zusammenhält. Mit diesem Mikrovermischer ist es möglich, zwei Fluide A' und B' von getrennten Seiten 16, 17 an das Führungs bauteil heranzuführen und durch übereinanderliegende Kanäle als Fluidfäden in die Mischkammer zu leiten. Dadurch, daß in die Mischkammer alternierend Lagen von Fluidfäden der Art A und der Art B einströmen, und pro Zeiteinheit aus jedem Kanal einer Art das gleiche Fluidvolumen austritt, ist eine gute Vermischung bzw. Dispergierung der Fluide gewährleistet.A static micromixer 11 with a guide member 13, shown in from Fig. 2, the stacked plate-like elements 1, 2 there is shown schematically in Fig. 3. The micro-mixer 11 comprises recesses for the feed chambers 14 , 15 , for the guide component 13 and for the mixing chamber 12. The channels 4 , 5 extending from the feed chamber 14 of the fluid A 'and from the feed chamber 15 of the fluid B' are indicated in their position . The depth of both feed chambers is designed in such a way that, due to the pressure drop generated by the guide component 13 , the jet pressure of the supply of the fluids A 'or B' is homogenized over the entire inlet surface 16 or 17 . In accordance with the two types A and B, the plate-like elements are alternately layered to form a guide component and fitted pressure-tightly into the corresponding recess in the micro-mixer component. At the top, the plate-like elements are covered with a cover plate, not shown here, which closes off the uppermost grooves and holds the film stack together in a pressure-tight manner. With this micromixer, it is possible to bring two fluids A 'and B' from separate sides 16 , 17 to the guide component and to guide them through superimposed channels as fluid threads into the mixing chamber. The fact that layers of fluid threads of type A and type B flow alternately into the mixing chamber and the same volume of fluid emerges from each channel of one type per unit of time ensures good mixing or dispersion of the fluids.
Drei unterschiedliche plattenartige Elemente 20, 21, 22 der Arten A, B, C sind in Fig. 4 dargestellt. Das oberste Element 20 und das unterste Element 21 entsprechen den in Fig. 2 dargestellten Elementen 1 bzw. 2. Das mittlere Element 22 der Art C weist eine Schar 3 geradliniger Nuten 25 mit gleichem Querschnitt auf, die durch Zwischenstege 6 gleicher Dicke gleich beabstandet sind.Three different plate-like elements 20 , 21 , 22 of types A, B, C are shown in FIG. 4. The uppermost element 20 and the lowermost element 21 correspond to the elements 1 and 2 shown in FIG. 2. The middle element 22 of type C has a set 3 of straight grooves 25 with the same cross-section, which are equally spaced by intermediate webs 6 of the same thickness .
Ein Mikrovermischer, in dessen Führungsbauteil die in Fig. 4 dargestellten plattenartigen Elemente 20, 21, 22 integriert sind, ist in Fig. 5 schematisch gezeigt. Der Verlauf der den Elementarten A, B und C zugehörigen Nuten 23, 24 und 25 ist in Fig. 5 angedeutet. Die aus Folien bestehenden plattenartigen Elemente können in der sich wiederholenden Reihenfolge A, B, C angeordnet sein. Eine Reihenfolge A, C, B, C kann vorteilhaft sein, wenn durch die Kanäle der Elementart C ein Fluid C' geleitet werden soll, das im Überschuß, beispielsweise als inertes Gas oder Flüssigkeit, die zu mischenden Fluide A' und B' verdünnen soll. An das Führungsbauteil 13 grenzen die Zufuhrkammern 30, 31, 32 für die Fluide A, B und C. Die Eintrittsfläche 28 des Fluids C' liegt parallel zu der Austrittsfläche 18. Die beiden Eintrittsflächen 26, 27 der Fluide A' und B' liegen sich parallel gegenüber und bilden mit der Eintrittsfläche 28 des Fluids C' einen Winkel von 90°. In dieser Darstellung haben die plattenartigen Elemente 20, 21, 22 einen quadratischen Grundriß. Die zu mischenden Fluide A', B' und C' gelangen als eine Vielzahl von Fluidfäden aus den Kanälen der Stirnfläche 18 in die Mischkammer 12. A micromixer, in the guide component of which the plate-like elements 20 , 21 , 22 shown in FIG. 4 are integrated, is shown schematically in FIG. 5. The course of the grooves 23 , 24 and 25 belonging to the element types A, B and C is indicated in FIG. 5. The plate-like elements consisting of foils can be arranged in the repeating sequence A, B, C. A sequence A, C, B, C can be advantageous if a fluid C 'is to be passed through the channels of element type C and is to dilute the fluids A' and B 'to be mixed in excess, for example as an inert gas or liquid . The supply chambers 30 , 31 , 32 for the fluids A, B and C adjoin the guide component 13. The inlet surface 28 of the fluid C 'lies parallel to the outlet surface 18. The two inlet surfaces 26 , 27 of the fluids A' and B 'lie parallel opposite and form an angle of 90 ° with the inlet surface 28 of the fluid C '. In this illustration, the plate-like elements 20 , 21 , 22 have a square plan. The fluids A ', B' and C 'to be mixed pass as a plurality of fluid threads from the channels of the end face 18 into the mixing chamber 12.
Ein weiteres Führungsbauteil für die getrennte Zufuhr von drei Fluiden A', B' und C' ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Der Verlauf, der sich aus den Nuten 23, 24, 25 der hier nicht einzeln dargestellten plattenartigen Elemente 20, 21, 22 ergebenden Kanäle, ist angedeutet. Der Grundriß der übereinander geschichteten plattenartigen Elemente ist derart, daß die den Fluidarten A' und B' zugeordneten Eintrittsflächen 26 und 27 in Ebenen liegen, die zueinander einen Winkel α = 90° bilden, und diese mit der Eintrittsfläche 28 des Fluids C' einen Winkel von β = 135° bilden. Die Eintrittsfläche 28 liegt parallel zu der Austrittsfläche 18, in der die Kanäle parallel ausgerichtet einmünden. Aufgrund der unterschiedlichen Abstände der Kanäle bzw. der unterschiedlichen Bemessung der Querschnitte der Kanäle und der Zwischenstege lassen sich unterschiedliche Verläufe der Kanäle in dem Führungsbauteil realisieren, ohne daß es an der Austrittsfläche 18 zur Mischkammer Gebiete unterschiedlich hoher Mischungseffektivität gibt.Another guide component for the separate supply of three fluids A ', B' and C 'is shown schematically in FIG. 6. The course of the channels resulting from the grooves 23 , 24 , 25 of the plate-like elements 20 , 21 , 22 , which are not shown individually here, is indicated. The floor plan of the stacked plate-like elements is such that the inlet surfaces 26 and 27 assigned to the fluid types A 'and B' lie in planes which form an angle α = 90 ° to one another, and this forms an angle with the inlet surface 28 of the fluid C ' form of β = 135 °. The entry surface 28 is parallel to the exit surface 18 , in which the channels open aligned parallel. Due to the different spacing of the channels or the different dimensioning of the cross sections of the channels and the intermediate webs, different courses of the channels can be realized in the guide component without there being areas of differently high mixing effectiveness at the outlet surface 18 to the mixing chamber.
Ein Mikrovermischer, der ein Führungsbauteil mit integriertem Wärmetauscher aufweist, ist in Fig. 7 dargestellt. Das Führungsbauteil 13 weist neben den plattenartigen Elementen 1, 2 der Art A und B, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, zusätzlich plattenartige Elemente 40 mit zu den Nuten 4, 5 der Arten A und B quer verlaufenden Nuten 43 auf. Der Verlauf der Nuten 4, 5, 43 ist in Fig. 7 angedeutet. Diese plattenartigen Elemente 40 sind zwischen den die Fluide A bzw. B führenden Elemente 1, 2 angeordnet und können Kühl- bzw. Heizmittel führen. Der Mikrovermischer weist neben den Zufuhrkammern 14, 15 für die Fluide A und B eine zusätzliche Kammer 41 für die Zufuhr eines Kühl- bzw. Heizmittels und eine entsprechende Austrittskammer 42 auf. Mit diesem Mikrovermischer ist es möglich, die Fluide A und B vor ihrer Vereinigung in der Mischkammer 12 auf eine durch das Kühl- bzw. Heizmittel einstellbare Temperatur zu bringen. Damit eignet sich dieses Bauteil ideal in der Mikro reaktionstechnologie zur gezielten Einstellung der Temperatur von miteinander reagierenden Edukten A und B.A micromixer, which has a guide component with an integrated heat exchanger, is shown in FIG. 7. In addition to the plate-like elements 1 , 2 of types A and B, as shown in FIG. 2, the guide component 13 also has plate-like elements 40 with grooves 43 running transversely to the grooves 4 , 5 of types A and B. The course of the grooves 4 , 5 , 43 is indicated in Fig. 7. These plate-like elements 40 are arranged between the elements 1 , 2 carrying the fluids A and B and can guide coolant or heating means. In addition to the supply chambers 14 , 15 for the fluids A and B, the micro-mixer has an additional chamber 41 for the supply of a cooling or heating agent and a corresponding outlet chamber 42 . With this micromixer it is possible to bring the fluids A and B to a temperature that can be set by the coolant or heating medium before they are combined in the mixing chamber 12 . This component is therefore ideally suited in micro-reaction technology for the targeted setting of the temperature of reacting reactants A and B.
Fig. 8 zeigt drei plattenartige Elemente 52, von denen der Katalysator des erfindungsgemäßen Mikroreaktors mehrere enthalten kann. Die plattenartigen Elemente 52 bestehen aus dünnen Folien, die geradlinig verlaufende Nuten 53 gleichen Abstandes aufweisen. Durch das Übereinanderschichten dieser Folien bilden sich von der Mischkammer zur Auslaßkammer verlaufende Kanäle aus. Die Kanäle weisen ein hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis auf. Die Folien selbst können aus einem katalytisch aktiven Material gefertigt sein oder die Kanäle weisen auf ihrer Oberfläche ein katalytisch aktives Material auf, das beispielsweise durch CVD- oder PVD-Verfahren aufgebracht werden kann. Die Edukte bzw. Produkte weisen innerhalb des Katalysators bedingt durch die laminaren Strömungsverhältnisse ein enges Verweilzeitspektrum auf. Durch Variation der Querschnitte und Längen der Kanäle läßt sich die Verweilzeit der Edukte bzw. Produkte bezogen auf eine hohe Ausbeute und Selektivität optimieren. Die Katalysatorfolien stehen im thermischen Kontakt zu dem Mikro reaktorbauteil, in das die Folien eingepaßt sind. Hierdurch ist bei exothermen Reaktionen ein guter Wärmeabtransport durch Wärmeleitung gewährleistet. Es kann vorteilhaft sein, zusätzlich in den Katalysator einen Wärmetauscher zur Abfuhr der Reaktionswärme zu integrieren. Bei endothermen Reaktionen kann über einen Wärmetauscher die notwendige Reaktionswärme hinzugeführt werden. Darüberhinaus kann eine Vorrichtung zum elektrischen Beheizen des Katalysators oder/und des Führungsbauteils vorgesehen werden, beispiels weise um die für eine Reaktion notwendige Aktivierungsenergie bereitzustellen. FIG. 8 shows three plate-like elements 52 , of which the catalyst of the microreactor according to the invention can contain several. The plate-like elements 52 consist of thin foils which have straight grooves 53 of equal spacing. By stacking these foils, channels are formed which run from the mixing chamber to the outlet chamber. The channels have a high surface-to-volume ratio. The films themselves can be made from a catalytically active material or the channels have a catalytically active material on their surface, which can be applied, for example, by CVD or PVD processes. The starting materials or products have a narrow residence time spectrum within the catalyst due to the laminar flow conditions. By varying the cross sections and lengths of the channels, the residence time of the starting materials or products can be optimized in relation to a high yield and selectivity. The catalyst foils are in thermal contact with the micro-reactor component into which the foils are fitted. This ensures good heat dissipation through heat conduction in exothermic reactions. It may be advantageous to additionally integrate a heat exchanger in the catalyst to remove the heat of reaction. In endothermic reactions, the necessary heat of reaction can be added via a heat exchanger. In addition, a device for electrically heating the catalytic converter and / or the guide component can be provided, for example in order to provide the activation energy required for a reaction.
Ein Mikroreaktor 50 ist schematisch in Fig. 9 dargestellt. In diesem Beispiel entsprechen das Führungsbauteil 13 mit den plattenartigen Elementen 1, 2 und die Mischkammer 12 der in Fig. 3 gezeigten Anordnung eines Mikro vermischers. Der erfindungsgemäße Mikrovermischer läßt sich auch mit anderen Ausführungen des erfindungsgemäßen Mikrovermischers realisieren. An die Mischkammer schließt sich der Katalysator 51 an, der aus den in Fig. 8 gezeigten plattenartigen Elementen 52 besteht. Die durch die Nuten 53 der übereinandergeschichteten plattenartigen Elemente 52 gebildeten Kanäle, deren Verlauf hier angedeutet ist, verbinden die Mischkammer 12 mit der Auslaßkammer 54. Das Mikroreaktorbauteil 50 weist Ausnehmungen für die Zufuhrkammern 14, 15, das Führungsbauteil 13, die Mischkammer 12, den Katalysator 51 und die Auslaßkammer 54 auf. Die Ausnehmungen sind nach unten hin verschlossen und werden von oben mit einer Abdeckplatte verschlossen, die die plattenartigen Elemente 1, 2 des Führungsbauteils und 52 des Katalysators druckdicht zusammenhalten. Die Mischkammer 12 verbindet das Führungsbauteil 13 mit dem Katalysator 51 und ist nach außen hin abge schlossen. Die sich aus dem Abstand des Führungsbauteils 13 zu dem Katalysator 51 ergebende Länge der Mischkammer ist so gewählt, daß die Edukte A' und B' möglichst vollständig vermischt in den Katalysator 51 einströmen.A microreactor 50 is shown schematically in FIG. 9. In this example, the guide component 13 with the plate-like elements 1 , 2 and the mixing chamber 12 correspond to the arrangement of a micro mixer shown in FIG. 3. The micromixer according to the invention can also be realized with other designs of the micromixer according to the invention. The catalyst 51 , which consists of the plate-like elements 52 shown in FIG. 8, is connected to the mixing chamber. The channels formed by the grooves 53 of the stacked plate-like elements 52 , the course of which is indicated here, connect the mixing chamber 12 to the outlet chamber 54. The microreactor component 50 has recesses for the feed chambers 14 , 15 , the guide component 13 , the mixing chamber 12 , the catalyst 51 and the outlet chamber 54 . The recesses are closed at the bottom and are closed from above with a cover plate which hold the plate-like elements 1 , 2 of the guide component and 52 of the catalyst together in a pressure-tight manner. The mixing chamber 12 connects the guide member 13 to the catalyst 51 and is closed to the outside. The length of the mixing chamber resulting from the distance of the guide component 13 from the catalytic converter 51 is selected so that the starting materials A 'and B' flow into the catalytic converter 51 as completely mixed as possible.
Ein erfindungsgemäßer Mikrovermischer der in Fig. 3 gezeigten Bauart wies
ein aus 14 plattenartigen Elementen bestehendes Führungsbauteil auf. Die
Kantenlänge des im Grundriß quadratischen Führungsbauteils betrug 7,4 mm.
Jedes plattenartige Element der Art A und B bestand aus einer 300 µm dicken
Metallfolie, die 9 in Viertelkreisbögen verlaufende Nuten einer Strukturhöhe von
100 µm aufwies. Die Mitten der Querschnittsflächen der Nuten wiesen gleiche
Abstände auf. Die Querschnitte der Nuten wurden so bemessen, daß trotz
unterschiedlicher Länge der Kanäle jeder Kanal zwischen der Eintrittsfläche
und der Austrittsfläche einen gleichen Druckabfall aufweist, und damit pro
Zeiteinheit aus jedem Kanal einer Elementart das gleiche Fluidvolumen austritt.
Gemäß der Formel
A micromixer according to the invention of the type shown in FIG. 3 had a guide component consisting of 14 plate-like elements. The edge length of the guide component, which is square in plan, was 7.4 mm. Each plate-like element of type A and B consisted of a 300 µm thick metal foil, which had 9 grooves with a structure height of 100 µm running in quarter arcs. The centers of the cross-sectional areas of the grooves were equally spaced. The cross-sections of the grooves were dimensioned such that, despite the different length of the channels, each channel has the same pressure drop between the inlet surface and the outlet surface, and thus the same fluid volume emerges from each channel of an element type per unit time. According to the formula
Δp = (µ.k.u.l)/b2,
Δp = (µ.kul) / b 2 ,
in der Δp die Druckdifferenz zwischen Eintrittsfläche und Austrittsfläche, µ die dynamische Viskosität des Fluids, k einen vom Verhältnis der Kanalweite zu Kanalhöhe abhängigen Korrekturfaktor, u die Strömungsgeschwindigkeit und l die Länge des Kanals bedeutet, wurde die jeweilige Kanalweite b ausge rechnet. So wurden für eine Druckdifferenz von 60 Pa, einer dynamischen Viskosität von 2.10-5 Pas, einem Korrekturfaktor von 14 bis 20, einer Strömungsgeschwindigkeit von bis zu 0,7 m/s und Längen von 2 mm bis 10 mm die Kanalweiten zu 150 µm bis 470 µm und die Wanddicken der Zwischenstege zu 430 µm bis 150 µm berechnet. Um eine Homogenisierung des Strahldrucks der einströmenden Fluide A' und B' zu erreichen, wiesen die Zufuhrkammern eine Tiefe von etwa 500 µm auf.in the Δp the pressure difference between the inlet surface and outlet surface, µ the dynamic viscosity of the fluid, k a correction factor dependent on the ratio of the duct width to the duct height, u the flow velocity and l the length of the duct, the respective duct width b was calculated. For a pressure difference of 60 Pa, a dynamic viscosity of 2.10 -5 Pas, a correction factor of 14 to 20, a flow speed of up to 0.7 m / s and lengths of 2 mm to 10 mm, the channel widths were up to 150 µm 470 µm and the wall thicknesses of the intermediate webs were calculated to be 430 µm to 150 µm. In order to achieve a homogenization of the jet pressure of the inflowing fluids A 'and B', the feed chambers had a depth of about 500 µm.
Ein erfindungsgemäßer Mikroreaktor wurde in seinen Abmessungen für die Oxidation von Ethen mit molekularem Sauerstoff in stöchiometrischem Verhältnis bei bis zu 30 bar und bis zu 300°C an einem Silberkatalysator berechnet. Neben dem zuvor beschriebenen statischen Mikrovermischer wies der Mikroreaktor einen Katalysator aus 14 Silber-Folien mit jeweils 9 geradlinig verlaufenden Nuten eines Querschnitts von 50 × 500 µm auf. Die Mischkammer hatte eine auf vollständige Vermischung der Edukte berechnete Länge von 1 mm. Die Länge des Katalysators betrug 10 mm. Die gute Wärmeleitung der aus Silber bestehenden Folien ermöglicht es, ohne einen Wärmetauscher zur Abfuhr der Reaktionswärme zu arbeiten.A microreactor according to the invention was designed for Oxidation of ethene with molecular oxygen in stoichiometric Ratio at up to 30 bar and up to 300 ° C on a silver catalyst calculated. In addition to the static micromixer described above the microreactor is a catalyst made of 14 silver foils, each with 9 straight lines running grooves with a cross section of 50 × 500 µm. The mixing chamber had a length of 1 calculated on complete mixing of the starting materials mm. The length of the catalyst was 10 mm. The good heat conduction from Silver existing foils enables it to be used without a heat exchanger Dissipation of the heat of reaction to work.
Die plattenartigen Elemente des Mikrovermischers und des Katalysators bestanden aus Metallfolien, die nach dem folgenden Verfahren hergestellt wurden. Ein als ebenes Substrat dienender Titan-Wafer wurde mit einer gleichmäßig dicken Schicht aus Polymethylmethacrylat beschichtet. Die Schicht wurde mittels Mikrofräsen und Laserbestrahlung strukturiert. Anschließend wurde eine dünne Goldschicht als elektrischer Kontakt aufgebracht. Durch galvanische Abscheidung wurden die Mikrostrukturen mit Nickel aufgefüllt. Beide Seiten des so erhaltenen mikrostrukturierten Metallkörpers wurden poliert bzw. geläppt. Die Mikrostrukturen der strukturierten Seite wurden vor der Bearbeitung mit einem Kunststoff gefüllt, um eine Beschädigung der Strukturen zu vermeiden. Anschließend wurde der Kunststoff herausgelöst. Folienstücke, die die späteren plattenartigen Elemente darstellen, wurden aus dem Metall körper mittels Drahterodieren vereinzelt. Als chemisch inerte Schicht wurde auf die Folien eine Goldschicht aufgebracht. Die so erhaltenen Folienstücke wurden in die für das Führungsbauteil vorgesehene Ausnehmung des Mikro vermischers eingepaßt und von oben mit einer Deckplatte druckdicht verschlossen.The plate-like elements of the micromixer and the catalyst consisted of metal foils manufactured by the following procedure were. A titanium wafer serving as a flat substrate was uniformly thick layer of polymethyl methacrylate coated. The layer was structured using micromilling and laser radiation. Subsequently a thin layer of gold was applied as an electrical contact. By The microstructures were filled with nickel by electrodeposition. Both sides of the microstructured metal body thus obtained were polished or lapped. The microstructures of the structured side were before Machining filled with a plastic to damage the structures to avoid. The plastic was then removed. Pieces of film, which represent the later plate-like elements, were made of metal body isolated by means of wire EDM. As a chemically inert layer was on the foils applied a gold layer. The pieces of film thus obtained were in the recess of the micro intended for the guide component mixer fitted and pressure-tight from above with a cover plate locked.
Weitere Verfahren zur Herstellung von mikrostrukturierten Folien zum Einsatz in den Mikrovermischer und Mikroreaktor umfassen lithographische Verfahren, Prägeverfahren mit mikrostrukturierten Prägestempeln, die beispielsweise durch Funkenerosion unter Verwendung mikrostrukturierter Elektroden hergestellt werden, oder Mikrofräsen.Other processes for the production of microstructured films are used in the micromixer and microreactor include lithographic processes, Embossing processes with micro-structured stamps, for example by spark erosion using microstructured electrodes be made, or micro milling.
Plattenartige Elemente des Mikrovermischers aus Kunststoff können durch direktes Strukturieren mittels Mikrofräsen und/oder Laserablation oder durch Abformung, beispielsweise Spritzgruß, hergestellt werden.Plate-like elements of the plastic micromixer can be made by direct structuring by means of micro milling and / or laser ablation or by Impression, for example injection molding, are produced.
Keramik als Material für die plattenartigen Elemente des Mikrovermischers und des Mikroreaktors kann beispielsweise dadurch strukturiert werden, daß polymere Precursoren abgeformt, anschließend unschmelzbar gemacht und pyrolisiert werden, wie dies in der EP 624 558 beschrieben wird. Ceramic as a material for the plate-like elements of the micromixer and of the microreactor can be structured, for example, in that polymeric precursors molded, then made infusible and be pyrolyzed, as described in EP 624 558.
11
plattenartiges Element der Art A
plate-like element of type A
22nd
plattenartiges Element der Art B
plate-like element of type B
33rd
Schar von Nuten
Flock of grooves
44th
Nut der Elementart A
Groove of element type A
55
Nut der Elementart B
Groove of element type B
66
Zwischensteg
Mezzanine
77
Stirnfläche eines Elementes
Face of an element
88th
Abdeckplatte
Cover plate
1111
Statischer Mikrovermischer
Static micromixer
1212th
Mischkammer
Mixing chamber
1313
Führungsbauteil
Guide component
1414
Zufuhrkammer des Fluids A'
Fluid supply chamber A '
1515
Zufuhrkammer des Fluids B'
Fluid B 'feed chamber
1616
Eintrittsfläche der Elementart A
Entry area of element type A
1717th
Eintrittsfläche der Elementart B
Entry area of element type B
1818th
Austrittsfläche
Exit surface
2020th
plattenartiges Element der Art A
plate-like element of type A
2121
plattenartiges Element der Art B
plate-like element of type B
2222
plattenartiges Element der Art C
plate-like element of type C
2323
Nut der Elementart A
Groove of element type A
2424th
Nut der Elementart B
Groove of element type B
2525th
Nut der Elementart C
Groove of element type C
2626
Eintrittsfläche der Elementart A
Entry area of element type A
2727
Eintrittsfläche der Elementart B
Entry area of element type B
2828
Eintrittsfläche der Elementart C
Entry area of element type C
3030th
Zufuhrkammer des Fluids A'
Fluid supply chamber A '
3131
Zufuhrkammer des Fluids B'
Fluid B 'feed chamber
3232
Zufuhrkammer des Fluids C'
Fluid C 'feed chamber
4040
plattenartiges Element mit quer verlaufenden Nuten
plate-like element with transverse grooves
4141
Zufuhrkammer für Heiz- bzw. Kühlmittel
Supply chamber for heating and cooling agents
4242
Austrittskammer für Heiz- bzw. Kühlmittel
Outlet chamber for heating and cooling agents
4343
Nut der Zwischenfolie für Heiz- bzw. Kühlmittel
Groove of the intermediate film for heating and cooling agents
5050
Mikroreaktor
Microreactor
5151
Katalysator
catalyst
5252
plattenartiges Element
plate-like element
5353
Nut
Groove
5454
Auslaßkammer
Outlet chamber
Claims (31)
- a) das Führungsbauteil (13) aus mehreren plattenartigen, übereinandergeschichteten Elementen (1, 2) mindestens zweier Arten A und B zusammengesetzt ist, wobei die Elemente der Art A und die Elemente der Art B Kanäle aufweisen, die von einer Zufuhrkammer (14) eines Fluids A' bzw. von einer Zufuhrkammer (15) eines Fluids B' zu der Mischkammer (12) führen,
- b) die plattenartigen Elemente (1, 2) A und B aus dünnen Folien mit
einer Dicke bis zu einigen Millimetern und Längen und Breiten bis zu
einigen Zentimetern bestehen, in die eine Schar (3) benachbarter
Nuten (4, 5) eingearbeitet sind, so daß beim Übereinanderschichten
der Folien je eine Schar von Kanälen für die Führung der zu
mischenden Fluide A' und B' entsteht,
dadurch gekennzeichnet,
daß die plattenartigen Elemente (1, 2) mindestens einer Art A bzw. B jeweils eine Schar (3) von Nuten (4, 5) unterschiedlicher Länge mit mindestens einem bogenförmig gekrümmten Abschnitt aufweisen, und
daß die Wanddicken der Stege (6) zwischen den Nuten jedes plattenartigen Elementes (1, 2) der Art A bzw. B so bemessen sind, daß zumindest im Bereich der an die Mischkammer (12) grenzenden Stirnfläche (7) des plattenartigen Elementes (1, 2) die längeren Nuten einen kleineren Abstand zueinander aufweisen als die kürzeren Nuten.
- a) the guide member ( 13 ) from a plurality of plate-like, stacked elements ( 1 , 2 ) is composed of at least two types A and B, the elements of type A and the elements of type B having channels, one of a supply chamber ( 14 ) Lead fluids A 'or from a supply chamber ( 15 ) of a fluid B' to the mixing chamber ( 12 ),
- b) the plate-like elements ( 1 , 2 ) A and B consist of thin foils with a thickness of up to a few millimeters and lengths and widths of up to a few centimeters, into which a group ( 3 ) of adjacent grooves ( 4 , 5 ) are incorporated, so that occurs when stacked layers of the films per a band of channels for the guidance of the fluids to be mixed a 'and B', characterized in
that the plate-like elements ( 1 , 2 ) of at least one type A or B each have a group ( 3 ) of grooves ( 4 , 5 ) of different lengths with at least one curved section, and
that the wall thicknesses of the webs (6) are dimensioned between the grooves of each plate-like element (1, 2) of the type A and B, so that at least in the region bordering on the mixing chamber (12) end face (7) of the plate-like element (1 , 2 ) the longer grooves have a smaller spacing from one another than the shorter grooves.
jede Nut (4, 5) eines jeden Elementes der Art A bzw. B einen im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt aufweist, der so bemessen ist, daß aus jedem von diesen Nuten (4, 5) einer Elementart A oder B gebildeten Kanal pro Zeiteinheit im wesentlichen das gleiche Fluidvolumen in die Mischkammer (12) austritt, und
daß die Wanddicken der Zwischenstege (6) zumindest im Bereich der an die Mischkammer (12) grenzenden Stirnfläche (7) so bemessen sind, daß die Mitten der Querschnittsflächen der Nuten jedes plattenartigen Elementes (1, 2) einer Art einen gleichen Abstand aufweisen.3. Static micromixer according to claim 1, characterized in that
each groove ( 4 , 5 ) of each element of type A or B has a substantially constant cross section which is dimensioned such that each channel formed from each of these grooves ( 4 , 5 ) of an element type A or B per unit of time the same volume of fluid exits into the mixing chamber ( 12 ), and
that the wall thicknesses of the intermediate webs ( 6 ), at least in the region of the end face ( 7 ) bordering the mixing chamber ( 12 ), are dimensioned such that the centers of the cross-sectional areas of the grooves of each plate-like element ( 1 , 2 ) are of the same distance.
daß das Führungsbauteil (13) aus mehreren plattenartigen übereinandergeschichteten Elementen (1, 2) zweier Arten A und B zusammengesetzt ist, die eine Schar (3) von Nuten (4, 5) unterschiedlicher Länge mit mindestens einem bogenförmig gekrümmten Abschnitt aufweisen, und
daß die Austrittsfläche (18), die durch die Öffnungen der in die Mischkammer mündenden Kanäle aller plattenartigen Elemente (1, 2) der Arten A und B gebildet wird, und die den Elementarten A und B zugehörigen Eintrittsflächen (16, 17), die durch die Öffnungen der in die Zufuhrkammer (14, 15) des Fluids A' bzw. B' mündenden Kanäle der plattenartigen Elemente der Art A bzw. B gebildet werden, so auf unterschiedlichen Seiten des Führungsbauteils angeordnet sind, daß die Ebenen, die durch die beiden Eintrittsflächen (16, 17) gebildet werden, zueinander in einem Winkel von 90 bis 0° bzw. parallel zueinander liegen. 7. Static micromixer according to one of the preceding claims, characterized in that
that the guide member ( 13 ) is composed of a plurality of plate-like superimposed elements ( 1 , 2 ) of two types A and B, which have a family ( 3 ) of grooves ( 4 , 5 ) of different lengths with at least one curved section, and
that the exit surface ( 18 ), which is formed by the openings of the channels opening into the mixing chamber of all plate-like elements ( 1 , 2 ) of types A and B, and the entry surfaces ( 16 , 17 ) belonging to element types A and B, which are formed by the openings of the channels of the plate-like elements of the type A or B opening into the supply chamber ( 14 , 15 ) of the fluid A 'or B' are formed so that they are arranged on different sides of the guide component so that the planes formed by the two Entry surfaces ( 16 , 17 ) are formed, are at an angle of 90 to 0 ° or parallel to each other.
daß das Führungsbauteil (13) aus mehreren plattenartigen, überein andergeschichteten Elementen (20, 21, 22) dreier Arten A, B und C zusammengesetzt ist, wobei die Elementarten A und B jeweils eine Schar von Nuten (23, 24) unterschiedlicher Länge mit mindestens einem bogenförmig gekrümmten Abschnitt aufweisen und die Elementart C eine Schar von geradlinig verlaufenden und gleich beabstandeten Nuten (25) mit im wesentlichen gleichem Querschnitt aufweist, und
daß die Austrittsfläche (18), die durch die Öffnungen der in die Mischkammer (12) mündenden Kanäle aller plattenartigen Elemente (20, 21, 22) der Arten A, B und C gebildet wird, und die den Elementarten A, B und C zugehörigen Eintrittsflächen (26, 27, 28), die durch die Öffnungen der in die Zufuhrkammer des Fluids A', B' bzw. C' mündenden Kanäle der plattenartigen Elemente der Art A, B bzw. C gebildet werden, so auf unterschiedlichen Seiten des Führungsbauteils angeordnet sind, daß die Ebenen, in der die beiden der Elementarten A und B zugehörigen Eintrittsflächen (26, 27) liegen, zueinander in einem Winkel von 90 bis 0° bzw. parallel zueinander liegen, wobei die Ebene, in der die der Elementart C zugehörigen Eintrittsfläche (28) liegt, mit den Ebenen der beiden übrigen Eintrittsflächen (26, 27) einen Winkel von 90° bis 135° bildet und sich die Ebene, in der die Austrittsfläche (18) liegt, im wesentlichen parallel zu der Ebene befindet, in der die der Elementart C zugehörigen Eintrittsfläche (28) liegt.8. Static micromixer according to one of the preceding claims, characterized in that
that the guide member ( 13 ) is composed of several plate-like, stacked elements ( 20 , 21 , 22 ) of three types A, B and C, the element types A and B each having a group of grooves ( 23 , 24 ) of different lengths with at least have an arcuately curved section and the element type C has a family of rectilinear and equally spaced grooves ( 25 ) with essentially the same cross section, and
that the exit surface ( 18 ), which is formed by the openings of the channels opening into the mixing chamber ( 12 ) of all plate-like elements ( 20 , 21 , 22 ) of types A, B and C, and those belonging to element types A, B and C. Entry surfaces ( 26 , 27 , 28 ) which are formed by the openings of the channels of the plate-like elements of the types A, B and C opening into the supply chamber of the fluid A ', B' or C ', respectively, on different sides of the guide component are arranged so that the planes in which the two entry surfaces ( 26 , 27 ) belonging to element types A and B lie are at an angle of 90 to 0 ° or parallel to one another, the plane in which that of element type C associated entry surface ( 28 ), forms an angle of 90 ° to 135 ° with the planes of the two other entry surfaces ( 26 , 27 ) and the plane in which the exit surface ( 18 ) lies is essentially parallel to the plane, in the r is the entry surface ( 28 ) associated with element type C.
- a) das Führungsbauteil (13) und die Mischkammer (12) von einem statischen Mikrovermischer (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 gebildet werden,
- b) die Mischkammer (12) so bemessen ist, daß die aus dem Führungsbauteil (13) in die Mischkammer (12) austretenden Edukte vor Eintritt in den Katalysator (51) weitgehend vollständig vermischt werden,
- c) der Katalysator (51) aus mehreren plattenartigen, übereinander geschichteten Elementen (52) zusammengesetzt ist, die aus dünnen Folien mit einer Dicke bis zu einigen Millimetern bestehen, in die jeweils eine Schar benachbarter Nuten (53) eingearbeitet ist, so daß beim Übereinanderschichten der Folien je eine Schar von in die Mischkammer einmündenden Kanälen für die Führung der vermischten Edukte A' und B' entsteht, wobei die Oberfläche der Kanäle mindestens ein katalytisch aktives Material aufweist.
- a) the guide component ( 13 ) and the mixing chamber ( 12 ) are formed by a static micromixer ( 11 ) according to one of claims 1 to 17,
- b) the mixing chamber ( 12 ) is dimensioned such that the starting materials emerging from the guide component ( 13 ) into the mixing chamber ( 12 ) are largely completely mixed before entering the catalyst ( 51 ),
- c) the catalyst ( 51 ) is composed of a plurality of plate-like elements ( 52 ) which are layered one on top of the other and which consist of thin foils with a thickness of up to a few millimeters, into each of which a group of adjacent grooves ( 53 ) is incorporated, so that when stacking each of the foils produces a group of channels opening into the mixing chamber for guiding the mixed starting materials A 'and B', the surface of the channels having at least one catalytically active material.
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