DE4416343C2 - Statischer Mikro-Vermischer - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen statischen Mikro-Vermischer
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 sowie die Zusammenschaltung des Mikro-Vermischers
mit einem Mikrowärmeübertrager gemäß den Ansprüchen 3
und 4.
Aus der DE 31 14 195 A1 ist eine Mischvorrichtung in Gestalt
eines Kanalkörpers bekannt, der durch Aufeinanderstapeln von
rechteckigen oder quadratischen Einzelwelleinheiten gebildet
wird, die durch Verleimung, Schweißung oder dergleichen mit
einander verbunden werden. Die gewünschte Gestalt des Kanal
körpers kann auch durch gesonderten Zuschnitt jeder Einzel
welleinheit hergestellt werden. Die Einzelwelleinheiten sind
aus miteinander fest verbundenen, ebenen Trennwänden und Well
bogen zusammengesetzt, wobei die Wellungen der Wellbogen be
nachbarter Einzelwelleinheiten in einem Winkel zueinander ver
laufen. In einem Ausführungsbeispiel ist die Anordnung so ge
troffen, daß der Kanalkörper von den Einzelwelleinheiten ge
bildete, gleich lange, parallele Kanäle hat, die sich von den
an zwei Einlaßkanäle angeschlossenen Einlaßseiten des Kanal
körpers zu dessen in den Auslaßkanal angeschlossene Auslaß
seite erstrecken (siehe Fig. 7a, 7b). Da der Kanalkörper aus
aufeinander aufgeschichteten Einzelwelleinheiten aufgebaut
ist, von denen jede zweite abwechselnd an den zugehörigen Ein
laßkanal anzuschließen ist, aus denen das Medium somit nur in
jeden zweiten Kanal, in der Höhenerstreckung des Kanals gese
hen, einströmt, muß der Einlaß zu der dazwischenliegenden Ein
heit geschlossen sein, was zu Totvolumina führt (siehe Spalte
6, Zeilen 10 bis 34). Das Ausformen oder Anbringen der erfor
derlichen Verschlüsse ist sehr aufwendig und stößt mit kleiner
werdenden Kanalquerschnitten auf fertigungstechnische Schwie
rigkeiten. Von solchen Verschlüssen in Verbindung mit Wellbo
gen kann bei einer Miniaturisierung derartiger Kanalkörper
auch keine Vakuumdichtheit oder besondere Druckfestigkeit er
wartet werden, wie sie in der chemischen Prozeßtechnik gemein
hin verlangt werden.
Aus der WO 91/16970 A1 (PCT/CH91/00109 vom 14.11.1991) ist
eine Mischeranordnung in einer Kolonne mit Misch-, Katalysa
tor- bzw. Kanalelementen bekannt, die in Schichten oder Lagen
angeordnet sein können. Benachbarte Elemente innerhalb einer
Lage oder Schicht und aufeinanderfolgende Elemente benachbar
ter Schichten sind gegeneinander bzw. abwechselnd zur
Hauptströmungsrichtung geneigt angeordnet. Die Elemente können
durch Zusammenfügen strukturierter Platten gefertigt werden
und haben parallel zueinander verlaufende Kanäle. Dadurch wird
der Strömungswiderstand vermindert; in den Bereichen des Über
gangs von den Kanalelementen in den Kolonnenraum wird die
Mischwirkung durch Turbulenzen und die Vereinigung der ver
schiedenen Teilströme angeregt. Die Mischelemente bzw. deren
Kanäle können ganz oder teilweise als Katalysatoren ausgebil
det sein zum verbesserten Ablauf katalytischer Reaktionen.
Ausgehend von diesem vorstehend erörterten Stand der Technik
hat die Erfindung zur Aufgabe, bei einem statischen Vermischer
der gattungsgemäßen Art die Fertigung zu vereinfachen, Totvo
lumina auszuschließen und die Vermischungszeiten in noch stär
kerem Maße durch Verkleinerung der Kanäle zu verkürzen; bei
chemisch miteinander reagierenden Fluiden soll eine voll
ständige Reaktion der Fluide erzielt und die Reaktionswärme
effektiv und schnellstmöglich durch einen nachgeschalteten Mi
krowärmeübertrager ab- oder zugeführt werden können. Außerdem
soll der Vermischer hinsichtlich der Kanäle eine vakuumdichte
und druckfeste Konstruktion ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen von An
spruch 1 gelöst. Die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhal
ten vorteilhafte Weiterbildungen dieser Lösung.
Mit der Erfindung werden die zu vermischenden Fluide reihen
weise und in eine Vielzahl feinster, extrem eng benachbarter
Stromfäden unterteilt, die, beim Eintritt in die Mischkammer
zusammengeführt, ein gemeinsames, entsprechend eng begrenztes
Volumen ausfüllen und sich dadurch auf schnellstem und kürze
stem Weg durchmischen können. Die Dichte der Kanalmündungen
und damit der Stromfäden am Eintritt in die Mischkammer be
trägt einige tausend Mündungen bzw. Stromfäden pro cm².
Der erfindungsgemäße Mikro-Vermischer ermöglicht die Herstel
lung einer (physikalischen) Mischung zweier oder mehrerer
Fluide. Mit einem angeschlossenen Mikrowärmeüberträger lassen
sich auch chemisch miteinander reagierende Fluide vermischen;
die dabei auftretende (exotherme Reaktionen) oder benötigte
(endotherme Reaktionen) Reaktionswärme wird durch den Mi
krowärmeüberträger abgeleitet oder zugeführt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
der Zeichnungen erläutert:
Die Fig. 1a zeigt mehrere, zu stapelnde Folien;
die Fig. 1b und 1c zeigen zwei Ansichten eines Führungsbau teils aus Folien gemäß Fig. 1a;
die Fig. 1b und 1c zeigen zwei Ansichten eines Führungsbau teils aus Folien gemäß Fig. 1a;
die Fig. 1d zeigt schematisch den Strömungsverlauf in einem
Mikro-Vermischer;
die Fig. 2a und 2b zeigen schematisch einen Mikro-Vermischer
mit kühl- oder heizbarem Führungsbauteil;
die Fig. 3a zeigt im Schnitt einen Mikro-Vermischer, an dessen
Mischkammer ein Wärmeüberträger angeschlossen ist;
Fig. 3b zeigt einen Mikro-Vermischer mit einer als Wärmeüber
träger ausgebildeten Mischkammer.
Die Folien 1 bzw. 2 gemäß Fig. 1a haben eine Dicke von ca.
100 µm bei einer Länge und Breite im Millimeterbereich. Die
Foliensorte 1 ist von einer Schar vorzugsweise paralleler, eng
benachbarter und schräg zur Vermischerlängsachse 3 verlaufen
der Nuten 4 durchzogen, die von hinten links beginnend gegen
über dieser Achse 3 einen spitzen Winkel +α haben und im mitt
leren Bereich der vorderen Folienlängsseite münden. Die Fo
liensorte 2 ist in derselben Art und Weise von Nuten 5 durch
zogen, jedoch beträgt hier der Winkel zwischen Nutenlängsachse
und Vermischerlängsachse -α; d. h. die Nuten 5 verlaufen von
rechts hinten zum mittleren Bereich der vorderen Folienlängs
seite. Der Betrag des Winkels muß jedoch nicht der gleiche
sein. Die Nuten 4, 5 können mit Formdiamanten eingearbeitet
werden und haben vorzugsweise eine Breite von < 250 µm, vor
zugsweise < 100 µm, eine Tiefe von 70 µm bei einer Stärke der
Zwischenstege 4a, 5a von 15 µm; die Stärke der Nutböden 4b, 5b
beträgt 30 µm. Die Pfeile A und B symbolisieren die Strömungs
richtungen der zu mischenden Fluide A und B.
Die für die Herstellung von Mikro-Nuten unterschiedlichster
Querschnitte erforderlichen Werkzeuge und Vorrichtungen sind
z. B. in der DE 37 09 278 C2 dargestellt und beschrieben.
Für die Herstellung eines Führungsbauteils 6 werden die Foli
ensorten 1 und 2 abwechselnd übereinandergeschichtet, mit ei
ner oberen und einer unteren Deckplatte 6a, 6b versehen und
mittels Diffusionsschweißen zu einem homogenen, vakuumdichten
und druckfesten Mikrostrukturkörper verbunden. Wie aus Fig. 1b
zu ersehen ist, liegen die von den Folien 1 und 2 gebildeten
Reihen 1a, 2a der Kanäle 1b bzw. 2b mit ihren an die Mischkam
mer 7 angrenzenden Mündungen fluchtend übereinander (s. a.
Fig. 1d).
Diese Reihen 1a, 2a bilden einen gemeinsamen, z. B. quadrati
schen Querschnitt mit einer Dichte von ca. fünftausend Mündun
gen pro cm², die an die gemeinsame Mischkammer 7 angrenzen.
Die Fig. 1c zeigt das Führungsbauteil 6 von der Zuströmseite
der Fluide A und B aus gesehen. Wie hieraus und aus der Drauf
sicht gemäß Fig. 1d zu ersehen ist, divergieren die zur
Längsachse 3 schräg verlaufenden Kanäle 1b, 2b von der Misch
kammer 7 aus abwechselnd zur Fluideintrittsseite hin so, daß
die Fluide A und B über je eine Eintrittskammer 8 und 9 ge
trennt dem Führungsbauteil 6 eingespeist werden können. Nach
dem Austritt aus dem Führungsbauteil 6 werden die feinen
Stromfäden der Fluide A und B innig miteinander vermischt und
bilden in der Mischkammer 7 eine gemeinsame Strömung c.
Die Fig. 2a und 2b zeigen eine Variante, bei der zwischen
zwei Foliensorten 1 und 2 bzw. zwischen die Folien und die
Deckplatten 6a, 6b Zwischenfolien 10 geschaltet sind, die
senkrecht zur Längsachse 3 verlaufende Nuten 10a aufweisen zur
Durchleitung eines Kühl- oder Heizmittels. Dadurch kann die
Vermischungszeit und die Reaktionsgeschwindigkeit der Fluide A
und B beeinflußt werden.
In Fig. 3a ist ein Führungsbauteil 6 entsprechend den Fig.
1a und 1d im Schnitt dargestellt mit angeschlossener Mischkam
mer 7. An diese Mischkammer ist ein Wärmeüberträger 11 ange
schlossen, der ähnlich wie die Variante gemäß Fig. 2a und
2b von quer zur Strömungsrichtung C verlaufenden Kanälen 11a
durchzogen ist zur Ab- bzw. Zufuhr der Reaktionswärme aus bzw.
zu den Kanälen 11b.
in Fig. 3b ist der Wärmeüberträger 12 direkt an das Führungs
bauteil 13 angeschlossen. Dabei ist die Anordnung durch Di
stanzfolien 14 so getroffen, daß je zwei übereinanderliegende
Kanäle 13a, 13b für die Fluide A, B je in einen gemeinsamen
Teilmischraum 12a des Wärmeüberträgers ausmünden, wobei diese
Teilmischräume 12a an Folien 12b angrenzen, die quer zur Strö
mungsrichtung C verlaufende Kanäle 12c aufweisen.
Diese Kanäle 12c führen ein Kühl- oder Heizmittel, mit dem be
züglich der Misch- und Reaktionszonen 12a Wärme ab- oder zuge
führt werden kann.
Claims (4)
1. Statischer Mikro-Vermischer mit wenigstens einer Mischkam
mer und einem vorgeschalteten Führungsbauteil für die Zu
fuhr von zu mischenden Fluiden zu der Mischkammer, wobei
das Führungsbauteil aus mehreren plattenartigen, übereinan
dergeschichteten Elementen zusammengesetzt ist, die von
schräg zur Mikro-Vermischer-Längsachse verlaufenden Kanälen
durchzogen sind, und wobei die Kanäle benachbarter Elemente
sich berührungslos kreuzen und in die Mischkammer ausmün
den, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) die plattenartigen Elemente für das Führungsbauteil (6) bestehen aus dünnen Folien (1, 2) mit einer Dicke von ca. 100 µm bei einer Länge und Breite im Millimeterbe reich, in die je eine Schar eng benachbarter, mit ab wechselnder Schräge zur Mikro-Vermischer-Längsachse (3) verlaufender Nuten (4, 5) eingearbeitet ist, die von je einer Folienlängsseite beginnend im mittleren Bereich der gegenüberliegenden Folienlängsseite münden, so daß beim Übereinanderschichten der Folien (1, 2) je eine Reihe (1a bzw. 2a) geschlossener Kanäle (1b, 2b) für die Führung der zu mischenden Fluide (A, B) entsteht;
- b) die Nuten (4, 5) haben Breiten von < 250 µm bei Wand dicken der Zwischenstege (4a, 5a) und Nutböden (4b, 5b) von < 70 µm;
- c) die von den übereinandergeschichteten Folien (1, 2) ge bildeten Reihen (1a, 2a) der Kanäle (1b, 2b) liegen mit ihren an die Mischkammer (7) angrenzenden Mündungen fluchtend übereinander und bilden dort einen gemeinsamen Querschnitt mit einer Dichte von einigen tausend Mündun gen pro cm², wobei die Reihen (1a, 2a) von Kanälen (1b, 2b) benachbarter Folien abwechselnd von dem von der Mischkammer (7) ausgehenden, mittleren Bereich zur Fluideintrittsseite (8, 9) des Führungsbauteils (6) hin so divergieren, daß die zu vermischenden Fluide (A, B) getrennt einspeisbar sind;
- d) die übereinandergeschichteten Folien (1, 2) sind mit Deckplatten (6a, 6b) versehen und mittels Diffusions schweißen zu einem homogenen, vakuumdichten und druckfe sten Mikrostrukturkörper verbunden.
2. Mikro-Vermischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen je zwei Folien (1, 2) mit den schrägen, zur
Fluideintrittsseite divergierenden Nuten eine Zwischenfolie
(10) geschaltet ist, die senkrecht zur Mikro-Vermischer-Längsachse
(3) verlaufende Nuten (10a) aufweist zur Durch
leitung eines Kühl- oder Heizmittels.
3. Mikro-Vermischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß an die Mischkammer (7) ein Mikrowärmeüberträ
ger (11) angeschlossen ist, der von quer zur Strömungsrich
tung (C) verlaufenden Kanälen (11a) durchzogen ist zur Ab- bzw.
Zufuhr der Reaktionswärme auf bzw. zu dessen dazwi
schenliegenden Kanälen (11b).
4. Mikro-Vermischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Mischkammer als Mikrowärmeüberträger (12)
ausgebildet ist, der unmittelbar an das Führungsbauteil
(13) angeschlossen ist.
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