WO2002089965A1 - Method and static mixer for mixing at least two fluids - Google Patents

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WO2002089965A1
WO2002089965A1 PCT/EP2002/004906 EP0204906W WO02089965A1 WO 2002089965 A1 WO2002089965 A1 WO 2002089965A1 EP 0204906 W EP0204906 W EP 0204906W WO 02089965 A1 WO02089965 A1 WO 02089965A1
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chamber
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PCT/EP2002/004906
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Holger LÖWE
Volker Hessel
Steffen Hardt
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INSTITUT FüR MIKROTECHNIK MAINZ GMBH
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Definitions

  • the invention relates to a method for mixing at least two fluids according to claim 1 and a static micromixer according to the preamble of claim 12.
  • the aim when mixing at least two fluids is to achieve a uniform division of the two fluids in a determined, usually as short a time as possible.
  • Static micromixers are particularly advantageously used for this purpose, as shown in the overview by W. Ehrfeld, V. Hessel, H. Löwe in Microreactors, New Technology for Modern Chemistry, Wiley-NCH 2000, pages 41 to 85.
  • known static micromixers achieve mixing times between 1 s and a few milliseconds by generating alternately adjacent fluid lamellae with a thickness in the ⁇ m range. The mixing of gases takes place much faster due to the higher diffusion constants.
  • static micromixers In contrast to dynamic mixers, in which turbulent flow conditions prevail, the specified geometry in static micromixers enables the width of the fluid lamella and thus the diffusion paths to be set precisely. The very narrow distribution of the mixing times achieved in static micromixers in this way allows a wide range of possibilities for optimizing chemical reactions with regard to selectivity and yield.
  • Another advantage of static micromixers is the reduction in component size and thus the ability to be integrated into other systems such as heat exchangers and reactors. The interaction of two or more components interconnected in such a small space in turn opens up new possibilities for process optimization.
  • the application potential of micromixers extends from liquid-liquid and gas-gas mixtures to form liquid-liquid emulsions, gas-liquid dispersions and thus also to multi-phase and phase transfer reactions.
  • a static micromixer working according to the principle of multilamination has a microstructured interdigital structure consisting of interlocking channels with a width of 25 ⁇ m or 40 ⁇ m in one plane (see above, pages 64 to 73).
  • the two fluids to be mixed are divided by the channels into a multiplicity of separate fluid streams which flow in opposite directions and are arranged in alternation with one another.
  • the adjacent fluid flows are discharged vertically upwards out of the plane through a slot and contacted with one another.
  • the channel geometries and thus the fluid lamella width can only be reduced to a limited extent down to the lower ⁇ m range.
  • a further reduction in the fluid lamellae obtained according to the multilamination principle can be achieved by so-called geometric focusing.
  • Such a static micromixer for converting dangerous substances is described by TM Floyd et al. on pages 171 to 179 in Microreaction technology: industrial prospects; proceedings of the Third International Conference on Microreaction Technology / IMRET3, editor: W. Ehrfeld, Springer 2000.
  • Alternating adjacent channels for the two fluids to be mixed open in a semicircle radially from the outside into a funnel-shaped chamber that merges into a narrow, long channel.
  • the fluid lamella flow combined in the chamber is hereby transferred into the narrow channel, as a result of which the fluid lamella width is reduced.
  • the object of the invention is to provide a method and a static micromixer for mixing at least two fluids, which enable faster and more uniform mixing with at the same time low pressure loss and small installation space.
  • the object is achieved according to the invention with a method according to claim 1 and a static micromixer according to claim 12.
  • fluid is understood to mean a gaseous or liquid substance or a mixture of such substances, which can contain one or more solid, liquid or gaseous substances, dissolved or dispersed.
  • mixing also includes the processes of dissolving, dispersing and emulsifying. Accordingly, the term mixture includes solutions, liquid-liquid emulsions, gas-liquid and solid-liquid dispersions.
  • a plurality of fluid flows, fluid lamellae or fluid channels are understood to mean two or more, preferably three or more, particularly preferably five or more, fluid flows, fluid lamellae or fluid channels per fluid.
  • Alternating adjacent fluid lamellae or fluid channels means that two fluids A, B alternate in at least one plane, resulting in an order of ABAB, side by side.
  • the term "alternately adjacent" includes three fluids A, B, C different Sequences such as ABCABC or ABACABAC.
  • the fluid lamellae or fluid channels can also be alternately adjacent in more than one plane, for example in two dimensions in a checkerboard manner.
  • the fluid lamellae and fluid channels belonging to the different fluids are preferably arranged in the same direction or in the opposite direction parallel to one another.
  • the last-mentioned variant of the flow arrangement is known in principle from microstructured interdigital structures from interlocking fluid channels.
  • the two fluids to be mixed are divided by the fluid channels into a multiplicity of separate fluid lamellae, which flow in opposite directions and flow alternately to one another.
  • the process according to the invention for mixing at least two fluids comprises at least four process steps.
  • first step a large number of separate fluid flows of the two fluids are brought together, with alternating adjacent fluid lamellae of the two fluids being formed.
  • second step the fluid lamellae thus combined are discharged to form a focused total fluid flow.
  • third step the total fluid flow obtained in this way is introduced as a fluid jet into a swirl chamber with the formation of an inward flowing fluid spiral.
  • the mixture formed in this way is derived from the center of the fluid spiral.
  • the merging takes place in such a way that the initially separate fluid flows flow into a room.
  • the fluid streams can be aligned parallel to one another or leading into one another, for example radially inwards.
  • fluid lamellae form, the cross-sectional areas of which initially correspond to those of the fluid streams.
  • the removal as a focused total fluid flow results in a reduction in the width and / or the cross-sectional area of the fluid lamellae, while at the same time increasing the flow rate.
  • the focused total fluid flow accelerated in this way is introduced as a fluid jet into the swirl chamber.
  • the in the fluid jet entering the swirl chamber flows along a spiral line inwards to the center of the swirl chamber, where the mixture is discharged. Due to the previous focusing, the fluid flow has correspondingly alternating fluid lamellae.
  • Another advantage is the contact of one turn of the fluid spiral with the previous and the following turn, which contributes to the faster diffusive mixing of the fluid lamellae with one another.
  • Laminar flow conditions advantageously prevail inside the swirl chamber.
  • turbulent flow conditions in partial areas with an overall fluid flow flowing spirally.
  • the fluid flow flowing spirally inward has a sufficient length and thus a sufficient number of turns in order to achieve a sufficient dwell time for each fluid volume flowing into the swirl chamber.
  • the setting of the desired ratios can in particular be achieved by a corresponding choice of the cross-sectional area of the inflowing focused total fluid flow, the shape and dimensions of the swirl chamber and the cross-sectional area of the outlet for the mixture formed from the swirl chamber.
  • Fluid streams each having a width in the range from 1 ⁇ m to 1 mm and a depth in the range from 10 ⁇ m to 10 mm are preferably combined.
  • the combined fluid flows are preferably focused in such a way that the ratio of the cross-sectional area of the focused total fluid flow to the sum of the cross-sectional areas of the fluid flows to be combined is perpendicular to the flow direction in the range from 1 to 1.5 to 1 to 500, preferably in the range from 1 to 2 to 1 to 50.
  • the smaller the ratio the more the lamella width is reduced and the more the flow speed is increased, with which the focused total fluid flow is introduced as a fluid jet into the swirl chamber.
  • the focused total fluid flow has a cross section that is constant over its length.
  • the cross-sectional area of the focused total fluid flow decreases from the area where the fluid flows are brought together to the point where it flows into the swirl chamber, the above relationship being valid for the area with the smallest cross-sectional area.
  • the ratio of the length of the focused total fluid flow to its width is preferably in the range from 1 to 1 to 30 to 1, preferably in the range from 1.5 to 1 to 10 to 1.
  • the focused total fluid flow should be as long as possible to ensure a sufficiently focused one Force effect while maintaining the laminar flow conditions.
  • the focused total fluid flow should be made short with a view to a low pressure drop and a compact design to be able to introduce the total fluid flow as quickly as possible into the swirl chamber as a fluid jet.
  • the vortex chamber advantageously has a substantially round or oval shape in the plane of the fluid spiral in order to enable the fluid spiral to be formed in the case of laminar flow conditions and low pressure loss.
  • the focused total fluid flow is introduced into the swirl chamber at an acute angle or preferably tangentially, in particular in order to generate as many turns of the fluid spiral as possible and to cover dead water areas, i.e. H. Avoid areas that are not constantly flowed through.
  • immiscible fluids e.g. liquid-gaseous
  • An adjacent tangential inflow of the continuous phase can shear off the resulting drops or bubbles, which results in smaller drops / bubbles. Since in the case of the mixing of liquid and gaseous fluids the liquid has a substantially higher mass than the gas, the spiral formation is only slightly disturbed by the introduction of the gases at a steeper angle.
  • the first two process steps are carried out simultaneously at at least two spatially separated locations and the focused total fluid flows thus obtained are introduced in one plane of the swirl chamber in such a way that a common inward flowing fluid spiral is formed, which is formed from at least two individual fluid spirals lying one inside the other becomes.
  • the fluid spirals that are formed lie together in one plane and around a center in such a way that the respective turns lie adjacent to one another. For example, with two or three focused total fluid streams introduced, a kind of double or triple spiral results.
  • the first two method steps are carried out simultaneously at at least two spatially separate locations, and the focused total fluid flows thus obtained are fed to the swirl chamber in different planes in such a way that fluid spirals which flow one above the other form.
  • the focused total fluid flows are introduced into the vortex chamber symmetrically in one or more planes, particularly advantageously.
  • the total fluid flows to be introduced can have the same fluids or also different fluids, which are then only contacted and mixed in the common space.
  • the different versions described above can also be used advantageously in this embodiment.
  • the focused total fluid flows are introduced into the swirl chamber at different angles.
  • This embodiment is used particularly advantageously for mixing gases with liquids in the swirl chamber.
  • the total gas flows are introduced into the swirl chamber at a steeper angle than the total liquid flows, the total liquid flows also being able to have gas-liquid dispersions. As a result, the total gas flows flowing into the swirl chamber are broken down into small gas bubbles by the total liquid flows.
  • the static micromixer according to the invention for mixing at least two fluids is characterized by a swirl chamber, into which the focusing channel opens in such a way that the focused total fluid flow enters as a fluid jet with the formation of an inwardly flowing fluid spiral, and at least one outlet channel that is fluidly connected to the swirl chamber for discharge the mixture formed.
  • the plurality of alternately adjacent fluid channels preferably have a width in the range from 1 ⁇ m to 1 mm and a depth in the range from 10 ⁇ m to 10 mm for the separate supply of the fluids as fluid streams.
  • the inlet chamber into which the fluid channels open, serves to bring together the plurality of separate fluid streams of the two fluids.
  • the focusing channel is fluidly connected to the inlet chamber for discharging the fluid streams combined in the egg chamber to form a focused total fluid stream.
  • the focusing channel opens into the vertebrae in such a way that the focused total fluid flow enters as a fluid jet, forming a fluid spiral flowing concentrically inwards.
  • the at least one outlet channel which is in fluid communication with the swirl chamber, serves to discharge the mixture formed.
  • the rapid mixing is achieved by producing very thin fluid lamellae and thus by reducing the diffusion path.
  • the fluid lamellae are fed to the swirl chamber, which causes a further reduction in the diffusion path by tilting the fluid lamellae and reducing the lamella width.
  • the swirl chamber can be designed relatively large-scale (large diameter, high height), but very thin fins are still produced.
  • the pressure loss in the swirl chamber can be kept low due to the large hydraulic diameter. Only the constriction through the focusing channel contributes to the pressure loss. This constriction can, however, take place very locally, ie over a very small flow length, so that there is only a moderate pressure loss.
  • the inlet manifold preferably has a concave wall opposite the fluid channels, into which the focusing channel advantageously opens in the center.
  • the inlet chamber is triangular-shaped or funnel-shaped in at least one plane in the direction of flow.
  • the inlet chamber has a cross section which is constant in the flow direction. Focusing then does not take place in the inlet channel, but only in the focusing channel, which can have, for example, a tapering cross section in the flow direction.
  • the cross section of the inlet opening of the focusing channel will preferably correspond to the cross section of the inlet chamber.
  • the focusing channel can also have a constant cross section in the direction of flow, which is used in particular when the inlet chamber already ensures focusing, so that the focusing in the focusing channel is only continued.
  • Two preferred embodiments of how the fluid channels open into the inlet chamber are an orientation parallel to one another and an orientation tapering radially in the direction of the inlet chamber.
  • the fluid channels, the egg chamber, the focusing channel and / or the swirl chamber have the same depth. It is also advantageous here if the openings of the fluid channels lie at least in one plane in the region of the inlet chamber.
  • the focusing channel is preferably designed in such a way that the ratio of the cross-sectional area of the focusing channel to the sum of the cross-sectional areas of the fluid channels opening into the inlet manifold is perpendicular to the channel axis in the range from 1 to 1.5 to 1 to 500, preferably in the range from 1 to 2 to 1 in 50.
  • the focusing channel has an essentially constant cross section over its entire length.
  • the cross-sectional area of the focusing channel decreases from the inlet chamber to the swirl chamber, the above ratio of the cross-sectional areas being used for the area with the smallest cross-sectional area.
  • the cross-sectional area of the focusing channel in the region of the confluence with the swirl chamber also determines the width and thus the number of turns of the spirally wound fluid flow.
  • the ratio of the width of the focusing channel opening into the swirl chamber to the diameter of the swirl chamber in the plane in which the fluid spiral is formed is advantageously less than or equal to 1 to 10.
  • the ratio of the length of the focusing channel to its width is preferably in the range from 1 to 1 to 30 to 1, preferably in the range from 1.5 to 1 to 10 to 1, at least in the region where it flows into the swirl chamber.
  • the length of the focusing channel is advantageously chosen so that focusing on small fluid lamella widths while maintaining the fluid lamellae and in the sense of a low pressure loss is rapidly introduced into the swirl chamber.
  • the focusing channel is arranged at an acute angle or tangential into the vertebrae. This allows, in particular, the introduction of the fluid lamella flow while maintaining laminar flow conditions and the formation of a fluid spiral with a large number of turns.
  • the vortex chamber preferably has a substantially round or oval cross section in a plane in which the focusing channel lies. Dead water areas are thereby avoided.
  • the vortex chamber particularly preferably has an essentially cylindrical shape.
  • the height of the focusing channel, at least in the region of the junction, is advantageously less than or equal to the height of the swirl chamber.
  • the outlet channel or channels preferably open into the swirl chamber below and / or above a central region, in particular in the region of the center.
  • the cross-sectional area of the outlet channel or channels is advantageously dimensioned in comparison to the diameter of the swirl chamber and the cross-sectional area of the opening focusing channel so that a fluid spiral with a large number of turns can form.
  • the ratio of the diameter of the outlet channel to the diameter of the swirl chamber is preferably less than or equal to 1 to 5.
  • one or more feed channels for feeding a further fluid open into the inlet chamber, the focusing channel or the swirl chamber.
  • Such fluids can be an auxiliary substance stabilizing the mixture, for example one Emulsifier.
  • the feed channels lead tangentially into the swirl chamber, so that a stream of the further fluid lies between adjacent turns of the fluid spiral.
  • the feed channels for the further fluid do not open particularly tangentially, but rather at a steeper angle into the swirl chamber. In this way, the supplied gas is divided into small gas bubbles by the fluid spiral and finely distributed.
  • the plurality of adjacent fluid channels, the inlet chamber, into which the fluid channels open, and the focusing channel, which is fluidly connected to the inlet chamber are each provided two or more times, and the two or more focusing channels open into a common swirl chamber in one plane ,
  • the focusing channels open into the swirl chamber at an acute angle or preferably tangentially in such a way that the fluid jets correspondingly form two or more fluid spirals flowing concentrically inward adjacent to one another.
  • the focusing channels are advantageously arranged in a plane equidistant from the common vortex chamber.
  • the two or more multiplicity of adjacent fluid channels, inlet chambers and focusing channels are spatially separated from one another and are only fluidly connected to one another via the common swirl chamber.
  • the plurality of adjacent fluid channels, the inlet chamber into which the fluid channels open, and the focusing channel fluidically connected to the inlet chamber are each provided two or more times and the two or more Focusing channels open into a common vortex chamber on several levels.
  • the focusing channels for the total fluid flows open into the swirl chamber at different angles.
  • This embodiment is used in particular for the mixing of focused total gas streams with total fluid streams which contain at least one liquid in the swirl chamber.
  • the feed channels for the total gas streams open into the swirl chamber at an acute angle than the feed channels for the total fluid streams containing at least one liquid. In this way, the total gas flows introduced at a steep angle are broken down into fine gas bubbles by the total liquid flows introduced at an acute angle.
  • the fluid guide structures are introduced as recesses and / or openings in plates made of a material which is sufficiently inert for the fluids to be mixed.
  • Recesses such as grooves or blind holes, are surrounded by material in one plane and perpendicular to it. Breakthroughs such as slits or holes, on the other hand, pass through the material, i.e. are only laterally surrounded by the material in one plane.
  • the open structures of the recesses and breakthroughs become, by stacking with further plates, fluid guide structures, such as fluid channels and chambers, the cover and / or bottom plates, which seal the plate stack in a fluid-tight manner to the outside, supplying the two fluids and / or at least one discharge for the formed Have mixture.
  • the structures of the fluid channels, the inlet manifold, the focusing channel and the swirl chamber are as recesses and / or openings in at least one as a mixer plate serving plate introduced.
  • the open structures of the mixer plate are closed off by a cover and base plate which are connected in a fluid-tight manner to the mixer plate.
  • the static micromixer has, between the mixer plate and the base plate, a distributor plate, which is connected to them in a fluid-tight manner, for separately supplying the fluids from the feeds in the base plate to the fluid channels of the mixer plate.
  • the distributor plate advantageously has a number of holes for each fluid to be supplied, each hole being assigned to exactly one fluid channel. In the case of two fluids, the first row serves to supply the first fluid and the second row serves to supply the second fluid.
  • Suitable materials are, depending on the fluids used, different materials, such as polymer materials, metals, alloys, glasses, quartz glass, ceramics or semiconductor materials, such as silicon. Preference is given to plates with a thickness of 10 ⁇ m to 5 mm, particularly preferably from 50 ⁇ m to 1 mm. Suitable methods for the fluid-tight connection of the plates to one another are, for example, pressing together, using seals, adhesive bonding or anodic bonding.
  • Known precision engineering and microtechnical manufacturing processes are possible as processes for structuring the plates, such as, for example, laser ablation, spark erosion, injection molding, embossing or galvanic deposition.
  • LIGA processes are also suitable, which include at least the steps of structuring with high-energy radiation and galvanic deposition and, if necessary, molding.
  • the method according to the invention and the static micromixer are advantageously used to carry out chemical reactions of two or more substances, both substances being contained in an introduced fluid or the first substance being contained in a first fluid and the second substance being contained in a further fluid.
  • means for controlling the chemical conversion are advantageously integrated in the static micromixer, such as temperature or pressure sensors, flow meters, heating elements, indwelling tubes or heat exchangers.
  • these means can be arranged on plates with the fluid guide structures or further plates arranged above and / or below and functionally connected to them.
  • the material of the static micromixer can also have catalytic material.
  • the method according to the invention and the micromixer according to the invention are used particularly advantageously for producing a gas-liquid dispersion, with at least one introduced total fluid stream being a gas or a gas mixture and at least one further introduced total fluid stream being a liquid, a liquid mixture, a solution, a dispersion or contains an emulsion.
  • Figure 1 a a static micromixer consisting of a
  • FIG. 1b shows a preferred mixer plate according to FIG.
  • FIG. 2 shows another preferred mixer plate in a top view
  • FIG. 3 shows another preferred mixer plate in top view
  • FIG. 4 shows another preferred top view
  • FIG. 5 shows a partial section through a static micromixer according to a further embodiment.
  • FIG. 1 a shows a static micromixer 1 with a cover plate 21, a mixer plate 20, a distributor plate 26 and a base plate 22, each separated from one another in a perspective view.
  • the cover plate 21, the mixer plate 20, the distributor plate 26 and the base plate 22 each have a feed 23, 23 ', 23 "for the fluid A and a feed 24, 24', 24" for the fluid B in the form of a bore.
  • the bores are arranged in such a way that when the plates are stacked one above the other, the feeds 23, 23 ', 23 ", 24, 24', 24" are in fluid communication with the feed structures 23 '", 24'" of the base plate 22.
  • the feed 23 '"for the fluid A and the feed 24'" for the fluid B are arranged in the form of grooves 123 a, b, 124a, b on the base plate 22 in such a way that the fluid A to the distributor structure 27 and the fluid B can be routed to the distributor structure 28 of the distributor plate 26 lying above it without significant pressure losses.
  • Connecting grooves 123a, 124a lead from the feed structures 23 '", 24'" to distributor grooves 123b, 124b, the connecting groove 124b expanding in a funnel shape.
  • the manifold plate 26 has a manifold structure 27 for the fluid A and a manifold structure 28 for the fluid B each in the form of a series of holes passing through the plate, which lie above the manifold grooves 123b and 124b.
  • the mixer plate 20 shown in FIG. 1b in plan view has fluid channels 2, 3, an inlet chamber 4, a focusing channel 5 and a swirl chamber 6.
  • the discharge 25 in the form of a bore in the cover plate 21 is arranged such that when the plates are stacked one above the other the discharge 25 is in fluid communication with a central region of the swirl chamber 6 of the mixer plate 20.
  • the channels 2 for the fluid A have a smaller length than the channels 3 for the fluid B.
  • the channels 2, 3 are oriented parallel to one another in their side facing away from the inlet chamber 4, the channels 2 for the fluid A alternately lying adjacent to the channels 3 for the fluid B. In a transition area, the distance between the channels decreases in the direction of the inlet chamber 4. In the area of the opening into the inlet chamber 4, the channels 2, 3 are in turn aligned parallel to one another. In order to achieve a uniform volume flow over all channels 2, 3 for one fluid each, the channels 2, 3 each have the same length among themselves. The result of this is that the ends of the fluid channels 2, 3, which are remote from the inlet chamber 4, each lie on an arc.
  • the bores of the distributor structures 27, 28 of the distributor plate 26 are also each arranged in an arc in such a way that the ends of the channels 2, 3 are each contacted fluidically with a bore.
  • the inlet chamber 4, into which the fluid channels 2, 3 open, has a concave shape in the plane of the fluid channels. In the central region of the concave wall 8, which lies opposite the openings of the fluid channels 2, 3, the inlet chamber 4 merges into the focusing channel 5.
  • the focusing channel 5 opens tangentially into the swirl chamber 6, which is formed by a chamber which is circular in the plane of the mixer plate 20.
  • the structures of the fluid channels 2, 3, the inlet chamber 4, the focusing channel 5 and the swirl chamber 6 are formed through openings through the material of the mixer plate 20, as a result of which these structures have the same depth.
  • the underlying distribution plate 26 and the overlying cover plate 21 cover these structures, which are open on two sides, to form channels or chambers.
  • the plates 21, 20, 26 and 22 shown here separately from one another are stacked one above the other and fluidly connected to one another, as a result of which the open structures, such as grooves 23 '", 24'" and openings 2, 3, 4, 5 and 6, covered with formation of channels and chambers.
  • the stack of plates 21, 20, 26 and 22 thus obtained can be accommodated in a mixer housing which has suitable fluid connections for the supply of two fluids and the discharge of the fluid mixture.
  • the housing can be used to apply a contact pressure to the plate stack for fluid-tight connection. It is also conceivable to operate the plate stack as a micro-mixer 1 without a housing, for which purpose fluidic connections, for example hose nozzles, are advantageously connected to the inlets 23, 24 and the outlet 25 of the cover plate 21.
  • a fluid A and a fluid B are introduced into the feed bore 23 and into the feed bore 24 of the cover plate 21. These fluids each flow through the feed structures 23 ', 23 ", 23'” and 24 ', 24 ", 24'” of the plates 20, 26 and 22 and from there are evenly distributed into the distributor structures 27 and 28 designed as bores. From the bores of the distributor structure 27, the fluid A flows into the channels 2 of the mixer plate 20 arranged exactly above it. Likewise, the fluid B arrives from the bores of the distributor structure 28 into the channels 3 arranged exactly above it A, B are brought together in the intake manifold 4 to form alternately adjacent fluid lamellae of the sequence ABAB.
  • the combined fluid flows are quickly transferred into the focusing channel 5.
  • the focused total fluid flow thus formed is introduced tangentially into the swirl chamber 6 as a fluid jet.
  • a fluid spiral 100 flowing concentrically inwards is formed in the swirl chamber 6.
  • the mixture of fluids A, B formed is formed by the above the center of the Vortex chamber 6 located drain hole 25 of the cover plate 21 derived.
  • FIG. 2 shows a mixer plate 20 with three focusing channels 5, 15, 35 opening into a common swirl chamber 16 in plan view.
  • the focusing channels 5, 15, 35 are each in fluid communication with an inlet chamber 4, 14, 34 into which the alternatingly adjacent fluid channels 2, 3; 12, 13; 32, 33 merge.
  • the fluid channels 2, 3; 12, 13; 32, 33 in simplified form compared to the arrangement in FIG. 1b.
  • the inlet chambers 4, 14, 34 in the plane of the mixer plate 20 are funnel-shaped from the openings of the fluid channels 2, 3; 12, 13; 32, 33 formed tapering to the focusing channel 5, 15, 35.
  • the focusing channels 5, 15, 35 themselves narrow in their width up to the junction with the common vortex chamber 16.
  • fluid channels 2, 3; 12, 13; 32, 33, from inlet chambers 4, 14, 34 and focusing channels 5, 15, 35 are arranged equidistantly on the circumference of the common vortex chamber 16, which is circular in the plane shown, such that the focusing channels 5, 15, 35 open tangentially into them.
  • An outlet channel 7 is arranged in the cover plate located above the mixing plate 20 and above the center of the common swirl chamber, the position of which is indicated here by a dashed circular line.
  • the fluids are fed separately into the fluid channels by means of a base and distributor plate analogous to the arrangement shown in FIG.
  • the feeds can be designed in such a way that the fluid channels 2, 12, 32 for one fluid and the fluid channels 3, 13, 33 for the other fluid are each supplied with the same fluid, so that the static micromixer can be used to mix two fluids.
  • the feeds in such a way that three or more fluids can be mixed with the micromixer. Bid here different supply options.
  • the formation of fluid lamellae of the sequence ABACAB in the common swirl chamber 16 is explained here as an example.
  • FIG. 3 shows a top view of a mixer plate 20 with a swirl chamber 16, into which two focusing channels 5, 15 and two feed channels 9a, 9b open.
  • the focusing channels 5, 15 are each in fluid communication with an inlet chamber 4, 14 into which the alternately adjacent fluid channels 2, 3; 12, 13 merge.
  • the fluid channels 2, 3; 12, 13 compared to the arrangement shown in Figure lb simplified.
  • the inlet chambers 4, 14 are funnel-shaped in the plane of the mixer plate 20 from the openings of the fluid channels 2, 3; 12, 13 designed tapering to the focusing channel 5, 15.
  • the focusing channels 5, 15 themselves narrow in their width up to the junction in the common swirl chamber 16.
  • the feeds can be designed such that a first fluid is fed to the fluid channels 2, 12, a second fluid to the fluid channels 3, 13 and a third fluid, for example an auxiliary, to the feed channels 9a, 9b, so that the static micromixer is used to mix two Fluids with simultaneous addition one of the mixture stabilizing auxiliary can be used.
  • a third fluid for example an auxiliary
  • a wide variety of feeding options are available here.
  • the formation of fluid lamellae of the sequence ABACAD in the common swirl chamber 16 is explained here as an example.
  • FIG. 4 shows a mixer plate 20 for producing gas-liquid dispersions with four focusing channels 5, 15, 35, 45 opening into a common swirl chamber 16 in a top view.
  • two focusing channels 15, 45 for the introduction of liquids or liquid mixtures open approximately tangentially and two further focusing channels 5, 35 for the introduction of gases or gas mixtures into the swirl chamber 6 at a steeper angle.
  • the focusing channels 5, 15, '35, 45 communicate respectively with an inlet chamber 4, 14, 34, 44 fluidically in which the alternating adjacent fluid channels 2, 3, 32, 33, 42, 43, 52, 53 open into compound.
  • the fluid channels 2, 3, 32, 33, 42, 43, 52, 53 are also shown in simplified form in this figure compared to the arrangement in FIG. 1b.
  • FIG. 5 shows a partial section through a static micromixer 1, which has a cylindrical swirl chamber 116 into which a plurality of focusing channels 105, 105 '- 105 "', 115, 115 '- 115"', 135, 135 - 135 "' Merging essentially tangentially in several planes
  • a plurality of mixer plates 120, 121, 122 are stacked one above the other with spacer plates 125 interposed.
  • Different total fluid flows are fed into the swirl chamber 116 alternately via the focusing channels of one level or alternately via the focusing channels of different levels.
  • the fluid flows are introduced approximately tangentially into the swirl chamber 116.
  • the supply of the combined fluid flows from the inlet chambers into the focusing channels takes place through vertical bores through the mixer and spacer plates 120, 121, 122 and 125.
  • the bores penetrate a defined number of mixer and spacer plates and thus provide the fluidic connection to a specific one Level from focusing channels.
  • the discharge of the fluid flows from the swirl chamber takes place via a central outlet on the lower end face of the swirl chamber. As a result, a velocity component is superimposed on the flow along the cylinder axis and helical rather than spiral streamlines are formed.
  • the static micromixer shown in FIGS. 1 a and 1 b was realized by means of micro-structured glass plates.
  • the mixer plate 20 and the distributor plate 26 each had a thickness of 150 ⁇ m and the final base plate 22 and cover plate 21 each had a thickness of 1 mm. Bores with a diameter of 1.6 mm were selected as feeders 23, 23 ', 23 ", 24, 24', 24" in the cover plate 21, the mixer plate 20 and the distributor plate 26.
  • the distributor plate 26 had two rows of 15 elongated holes each with a length of 0.6 mm and a width of 0.2 mm as distributor structures 27, 28.
  • the fluid channels 2, 3 of the mixer plate 20 had a width of 60 ⁇ m with a length of 11.3 mm and a length of 7.3 mm.
  • the webs located between the channels 2,3 had a width of 50 ⁇ m.
  • the width of the inlet chamber 4 in the region of the mouth of the fluid channels 2, 3 was reduced from 4.3 mm to the opposite side to a width of the focusing channel of 0.5 mm. Since all structures of the mixer plate 20 have been realized as openings, the fluid channels 2, 3, the inlet chamber 4, the Focus channel 5 and the vortex chamber 6 to a depth that is equal to the thickness of the mixer plate of 150 microns.
  • a ratio of length to width of 5 to 1 was achieved.
  • the focusing channel 5 merged longitudinally into the channel-like swirl chamber 6 with a length of 24.6 mm and a width of 2.8 mm.
  • the opening angle of the side surfaces of the swirl chambers 6 in the transition region between the swirl chamber 6 and the focusing channel 5 was 126.7 °.
  • the four plates shown in FIG. 1 a had an external dimension of 26 x 76 mm.
  • the plates were structured photolithographically using photostructurable glass using a method as described in Microelectronic Engineering 30 (1996), pp. 497-504.
  • the plates were fluidly sealed together by anodic bonding.

Abstract

The invention relates to a method for mixing at least two fluids, according to which a plurality of separate fluid streams of both fluids converge, forming fluid lamellae of alternately adjacent fluids. The convergent fluid lamellae are evacuated in the form of a focalised combined fluid stream. Said focalised combined fluid stream is introduced as a jet of fluid into a swirl chamber, forming a fluid spiral that flows towards the interior. The mixture formed is drained from the centre of the fluid spiral. The micro-mixer is characterised by a swirl chamber (6, 16, 116), into which the focalising channel (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') opens in such a way that the focalised combined fluid stream enters in the form of a jet of fluid and forms a fluid spiral (100) that flows towards the interior. At least one outlet channel (7) that has a fluidic connection to the swirl chamber (6, 16, 116) drains the mixture that has been formed.

Description

Verfahren und statischer Mischer zum Mischen mindestens zweier Fluide Method and static mixer for mixing at least two fluids
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen mindestens zweier Fluide gemäß Patentanspruch 1 und einen statischen Mikrovermischer gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs 12.The invention relates to a method for mixing at least two fluids according to claim 1 and a static micromixer according to the preamble of claim 12.
Ziel beim Mischen mindestens zweier Fluide ist das Erreichen einer gleichförmigen Nerteilung der beiden Fluide in einer bestmimten, in der Regel möglichst kurzen Zeit. Besonders vorteilhaft werden hierzu statische Mikrovermischer eingesetzt, wie sie in der Übersicht von W. Ehrfeld, V. Hessel, H. Löwe in Microreactors, New Technology for Modern Chemistry, Wiley-NCH 2000, Seiten 41 bis 85 dargestellt sind. Für die Mischung von Flüssigkeiten werden mit bekannten statischen Mikrovermischern durch Erzeugen abwechselnd benachbarter Fluidlamellen einer Stärke im μm-Bereich Mischzeiten zwischen 1 s und wenigen Millisekunden erzielt. Die Nermischung von Gasen findet aufgrund der höheren Diffüsionskonstanten noch deutlich schneller statt. Im Gegensatz zu dynamischen Mischern, in denen turbulente Strömungsverhältnisse vorherrschen, wird in statischen Mikrovermischern durch die vorgegebene Geometrie ein exaktes Einstellen der Breite der Fluidlamellen und damit der Diffusionswege ermöglicht. Die hierdurch in statischen Mikrovermischern erzielte sehr enge Nerteilung der Mischzeiten erlaubt vielfältige Möglichkeiten der Optimierung von chemischen Umsetzungen im Hinblick auf Selektivität und Ausbeute. Ein weiterer Vorteil von statischen Mikrovermischern ist die Verkleinerung der Bauteilgröße und damit Integrierbarkeit in weitere Systeme, wie Wärmetauscher und Reaktoren. Durch das Zusammenwirken zweier oder mehrerer auf so engem Raum zusammengeschalteter Komponenten ergeben sich wiederum neue Möglichkeiten der Prozessoptimierung. Die Anwendungspotenziale von Mikrovermischern erstrecken sich von flüssig-flüssig und gas-gas Mischungen zur Bildung von flüssig-flüssig Emulsionen, gas-flüssig Dispersionen und damit auch zu Mehrphasen- und Phasentransfer-Reaktionen.The aim when mixing at least two fluids is to achieve a uniform division of the two fluids in a determined, usually as short a time as possible. Static micromixers are particularly advantageously used for this purpose, as shown in the overview by W. Ehrfeld, V. Hessel, H. Löwe in Microreactors, New Technology for Modern Chemistry, Wiley-NCH 2000, pages 41 to 85. For mixing liquids, known static micromixers achieve mixing times between 1 s and a few milliseconds by generating alternately adjacent fluid lamellae with a thickness in the μm range. The mixing of gases takes place much faster due to the higher diffusion constants. In contrast to dynamic mixers, in which turbulent flow conditions prevail, the specified geometry in static micromixers enables the width of the fluid lamella and thus the diffusion paths to be set precisely. The very narrow distribution of the mixing times achieved in static micromixers in this way allows a wide range of possibilities for optimizing chemical reactions with regard to selectivity and yield. Another advantage of static micromixers is the reduction in component size and thus the ability to be integrated into other systems such as heat exchangers and reactors. The interaction of two or more components interconnected in such a small space in turn opens up new possibilities for process optimization. The application potential of micromixers extends from liquid-liquid and gas-gas mixtures to form liquid-liquid emulsions, gas-liquid dispersions and thus also to multi-phase and phase transfer reactions.
Ein nach dem Prinzip der Multilamination arbeitender statischer Mikrovermischer weist in einer Ebene eine mikrostrukturierte Interdigitalstruktur aus ineinandergreifenden Kanälen einer Breite von 25 μm oder 40 μm auf (a. a. O. , Seite 64 bis 73). Die beiden zu mischenden Fluide werden durch die Kanäle in eine Vielzahl voneinander getrennter Fluidströme aufgeteilt, die entgegengesetzt parallel zueinander strömend und alternierend zueinander angeordnet sind. Durch einen Schlitz werden die benachbarten Fluidströme senkrecht aus der Ebene nach oben abgeführt und miteinander kontaktiert. Mittels für die Massenfertigung geeigneter Strukturierungsverfahren lassen sich die Kanalgeometrien und damit die Fluidlamellenbreite nur begrenzt bis in den unteren μm-Bereich reduzieren.A static micromixer working according to the principle of multilamination has a microstructured interdigital structure consisting of interlocking channels with a width of 25 μm or 40 μm in one plane (see above, pages 64 to 73). The two fluids to be mixed are divided by the channels into a multiplicity of separate fluid streams which flow in opposite directions and are arranged in alternation with one another. The adjacent fluid flows are discharged vertically upwards out of the plane through a slot and contacted with one another. Using structuring processes suitable for mass production, the channel geometries and thus the fluid lamella width can only be reduced to a limited extent down to the lower μm range.
Eine weitere Reduzierung der nach dem Multilaminationsprinzip erhaltenen Fluidlamellen kann durch sogenanntes geometrisches Fokussieren erzielt werden. Solch ein statischer Mikrovermischer zum Umsetzen gefährlicher Stoffe wird von T. M. Floyd et al. auf den Seiten 171 bis 179 in Microreaction technology: industrial prospects; proceedings of the Third International Conference on Microreaction Technology/ IMRET3, editor: W. Ehrfeld, Springer 2000 beschrieben. Abwechselnd benachbarte Kanäle für die beiden zu mischenden Fluide münden in einem Halbkreis radial von außen in eine trichterförmig ausgezogene und in einen engen, langen Kanal übergehende Kammer. Der in der Kammer vereinigte Fluidlamellenstrom wird hierbei in den engen Kanal überführt, wodurch eine Verkleinerung der Fluidlamellenbreite stattfindet. Unter diesen laminaren Strömungsbedingungen erfolgt die Mischung allein durch Diffusion, so daß auch durch Reduktion der Lamellenbreiten in den unteren μm-Bereich Mischzeiten im Millisekundenbereich erreichbar werden. Nachteilig ist, daß der enge als Reaktionsraum dienende Kanal im Hinblick auf eine vollständige Durchmischung in einer ausreichenden Länge auszugestalten ist, was eine große Bauform bedingt und einen relativ hohen Druckverlust in diesem Mikromischer bewirkt.A further reduction in the fluid lamellae obtained according to the multilamination principle can be achieved by so-called geometric focusing. Such a static micromixer for converting dangerous substances is described by TM Floyd et al. on pages 171 to 179 in Microreaction technology: industrial prospects; proceedings of the Third International Conference on Microreaction Technology / IMRET3, editor: W. Ehrfeld, Springer 2000. Alternating adjacent channels for the two fluids to be mixed open in a semicircle radially from the outside into a funnel-shaped chamber that merges into a narrow, long channel. The fluid lamella flow combined in the chamber is hereby transferred into the narrow channel, as a result of which the fluid lamella width is reduced. Under these laminar flow conditions Mixing takes place solely by diffusion, so that mixing times in the millisecond range can also be achieved by reducing the lamella widths in the lower μm range. It is disadvantageous that the narrow channel serving as the reaction space has to be designed with sufficient length with regard to complete mixing, which requires a large design and causes a relatively high pressure loss in this micromixer.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren und einen statischen Mikrovermischer zum Mischen mindestens zweier Fluide zur Verfügung zu stellen, die ein schnelleres und gleichmäßigeres Mischen bei gleichzeitig geringem Druckverlust und kleinem Bauraum ermöglichen.The object of the invention is to provide a method and a static micromixer for mixing at least two fluids, which enable faster and more uniform mixing with at the same time low pressure loss and small installation space.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem statischen Mikrovermischer gemäß Anspruch 12 gelöst.The object is achieved according to the invention with a method according to claim 1 and a static micromixer according to claim 12.
Nachfolgend wird unter dem Begriff Fluid ein gasförmiger oder flüssiger Stoff oder ein Gemisch solcher Stoffe verstanden, das einen oder mehrere feste, flüssige oder gasförmige Stoffe gelöst oder dispergiert enthalten kann.In the following, the term fluid is understood to mean a gaseous or liquid substance or a mixture of such substances, which can contain one or more solid, liquid or gaseous substances, dissolved or dispersed.
Der Begriff Mischen umfaßt auch die Vorgänge Lösen, Dispergieren und Emulgieren. Demzufolge umfaßt der Begriff Mischung Lösungen, flüssigflüssig Emulsionen, gas-flüssig und fest-flüssig Dispersionen.The term mixing also includes the processes of dissolving, dispersing and emulsifying. Accordingly, the term mixture includes solutions, liquid-liquid emulsions, gas-liquid and solid-liquid dispersions.
Unter einer Vielzahl von Fluidströmen, Fluidlamellen oder Fluidkanälen werden je Fluid zwei oder mehr, vorzugsweise drei oder mehr, besonders bevorzugt fünf oder mehr, Fluidströme, Fluidlamellen bzw. Fluidkanäle verstanden. Abwechselnd benachbarte Fluidlamellen oder Fluidkanäle bedeutet bei zwei Fluiden A, B, daß diese in mindestens einer Ebene alternierend, eine Reihenfolge von ABAB ergebend, nebeneinander liegen. Der Begriff "abwechselnd benachbart" umfaßt bei drei Fluiden A, B, C unterschiedliche Reihenfolgen, wie beispielsweise ABCABC oder ABACABAC. Die Fluidlamellen oder Fluidkanäle können auch in mehr als einer Ebene abwechselnd benachbart liegen, beispielsweise in zwei Dimensionen schachbrettartig zueinander versetzt liegen. Die den unterschiedlichen Fluiden zugehörigen Fluidlamellen und Fluidkanäle sind vorzugsweise gleichgerichtet oder entgegengerichtet parallel zueinander angeordnet. Die letztgenannte Variante der Strömungsanordnung ist im Prinzip aus mikrostrakturierten Interdigitalstrukturen aus ineinandergreifenden Fluid-Kanälen bekannt. Die beiden zu mischenden Fluide werden durch die Fluid-Kanäle in einer Vielzahl voneinander getrennter Fluidlamellen aufgeteilt, die entgegengesetzt parallel zueinander strömend und alternierend zueinander angeordnet sind.A plurality of fluid flows, fluid lamellae or fluid channels are understood to mean two or more, preferably three or more, particularly preferably five or more, fluid flows, fluid lamellae or fluid channels per fluid. Alternating adjacent fluid lamellae or fluid channels means that two fluids A, B alternate in at least one plane, resulting in an order of ABAB, side by side. The term "alternately adjacent" includes three fluids A, B, C different Sequences such as ABCABC or ABACABAC. The fluid lamellae or fluid channels can also be alternately adjacent in more than one plane, for example in two dimensions in a checkerboard manner. The fluid lamellae and fluid channels belonging to the different fluids are preferably arranged in the same direction or in the opposite direction parallel to one another. The last-mentioned variant of the flow arrangement is known in principle from microstructured interdigital structures from interlocking fluid channels. The two fluids to be mixed are divided by the fluid channels into a multiplicity of separate fluid lamellae, which flow in opposite directions and flow alternately to one another.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Fluiden umfaßt mindestens vier Verfahrensschritte. Im 1. Schritt wird eine Vielzahl getrennter Fluidströme der beiden Fluide zusammengeführt, wobei sich abwechselnd benachbarte Fluidlamellen der beiden Fluiden bilden. Im 2. Schritt werden die so vereinigten Fluidlamellen unter Ausbildung eines fokussierten Gesamtfluidstroms abgeführt. Im 3. Schritt wird der so erhaltene Gesamtfluidstrom als Fluidstrahl in eine Wirbelkammer unter Ausbildung einer nach innen strömenden Fluidspirale eingeleitet. Im letzten Verfahrensschritt wird die so gebildete Mischung aus dem Zentrum der Fluidspirale abgeleitet.The process according to the invention for mixing at least two fluids comprises at least four process steps. In the first step, a large number of separate fluid flows of the two fluids are brought together, with alternating adjacent fluid lamellae of the two fluids being formed. In the second step, the fluid lamellae thus combined are discharged to form a focused total fluid flow. In the third step, the total fluid flow obtained in this way is introduced as a fluid jet into a swirl chamber with the formation of an inward flowing fluid spiral. In the last process step, the mixture formed in this way is derived from the center of the fluid spiral.
Das Zusammenführen erfolgt derart, daß die zunächst getrennten Fluidströme in einen Raum einströmen. Hierbei können die Fluidströme parallel zueinander oder ineinander führend, beispielsweise radial nach innen, ausgerichtet sein. Beim Zusammenführen bilden sich Fluidlamellen aus, deren Querschnittsflächen zunächst denen der Fluidströme entsprechen. Durch das Abführen als fokussierter Gesamtfluidstrom findet eine Reduzierung der Breite und / oder der Querschnittsfläche der Fluidlamellen statt, bei gleichzeitiger Erhöhung der Fließgeschwindigkeit. Der so beschleunigte fokussierte Gesamtfluidstrom wird als Fluidstrahl in die Wirbelkammer eingeleitet. Der in die Wirbelkammer eintretende Fluidstrahl strömt entlang einer spiralförmigen Linie nach innen zum Zentrum der Wirbelkammer, wo die Mischung abgeleitet wird. Der Fluidstrom weist durch die vorherige Fokussierung entsprechend eng abwechselnd benachbarte Fluidlamellen auf.The merging takes place in such a way that the initially separate fluid flows flow into a room. In this case, the fluid streams can be aligned parallel to one another or leading into one another, for example radially inwards. When merging, fluid lamellae form, the cross-sectional areas of which initially correspond to those of the fluid streams. The removal as a focused total fluid flow results in a reduction in the width and / or the cross-sectional area of the fluid lamellae, while at the same time increasing the flow rate. The focused total fluid flow accelerated in this way is introduced as a fluid jet into the swirl chamber. The in the fluid jet entering the swirl chamber flows along a spiral line inwards to the center of the swirl chamber, where the mixture is discharged. Due to the previous focusing, the fluid flow has correspondingly alternating fluid lamellae.
Lediglich das in der äußersten Windung strömende Fluid grenzt an die seitlichen Innenflächen der Wirbelkammer an; die inneren Windungen der Fluidspirale grenzen zu beiden Seiten an das in gleicher Richtung strömende Fluid der vorhergehenden und der nachfolgenden Windung. Daher trägt zur Reibung im wesentlichen lediglich der Kontakt mit der oberen und unteren Innenfläche der Wirbelkammer bei. Der mit diesem Mischer erzielte Druckverlust ist daher geringer als der bei einem Mischer mit einem entsprechend lang ausgebildeten Fokussierungskanal. Darüber hinaus ist durch den spiralförmigen Verlauf eine kompakte Bauform bei langer Mischstrecke und damit langer Verweilzeit realisiert.Only the fluid flowing in the outermost turn adjoins the lateral inner surfaces of the swirl chamber; the inner turns of the fluid spiral border on both sides to the fluid flowing in the same direction of the previous and the subsequent turn. Therefore, only the contact with the upper and lower inner surface of the swirl chamber essentially contributes to the friction. The pressure loss achieved with this mixer is therefore less than that with a mixer with a correspondingly long focusing channel. In addition, the spiral shape ensures a compact design with a long mixing section and thus a long dwell time.
Ein weiterer Vorteil ist der Kontakt einer Windung der Fluidspirale mit der vorhergehenden und der nachfolgenden Windung, was zur schnelleren diffüsiven Mischung der Fluidlamellen untereinander beiträgt.Another advantage is the contact of one turn of the fluid spiral with the previous and the following turn, which contributes to the faster diffusive mixing of the fluid lamellae with one another.
Vorteilhaft herrschen im Innern der Wirbelkammer laminare Strömungsverhältnisse vor. Es ist jedoch auch denkbar, in Teilbereichen turbulente Strömungsverhältnisse bei einem sich insgesamt spiralförmig nach innen fließenden Fluidstrom vorliegen zu haben.Laminar flow conditions advantageously prevail inside the swirl chamber. However, it is also conceivable to have turbulent flow conditions in partial areas with an overall fluid flow flowing spirally.
Im Hinblick auf eine vollständige Mischung durch Diffusion weist der spiralförmig nach Innen fließende Fluidstrom eine ausreichende Länge und damit eine ausreichende Anzahl an Windungen auf, um je in die Wirbelkammer einströmendem Fluidvolumen eine ausreichende Verweilzeit zu erzielen. Die Einstellung der gewünschten Verhältnisse kann insbesondere durch eine entsprechende Wahl der Querschnittsfläche des einströmenden fokussierten Gesamtfluidstroms, der Form und Abmessungen der Wirbelkammer sowie der Querschnittsfläche des Auslasses für die gebildete Mischung aus der Wirbelkammer erreicht werden.With regard to a complete mixing by diffusion, the fluid flow flowing spirally inward has a sufficient length and thus a sufficient number of turns in order to achieve a sufficient dwell time for each fluid volume flowing into the swirl chamber. The setting of the desired ratios can in particular be achieved by a corresponding choice of the cross-sectional area of the inflowing focused total fluid flow, the shape and dimensions of the swirl chamber and the cross-sectional area of the outlet for the mixture formed from the swirl chamber.
Vorzugsweise werden Fluidströme mit jeweils einer Breite im Bereich von 1 μm bis 1 mm und einer Tiefe im Bereich von 10 μm bis 10 mm zusammengeführt .Fluid streams each having a width in the range from 1 μm to 1 mm and a depth in the range from 10 μm to 10 mm are preferably combined.
Bevorzugt werden die vereinigten Fluidströme derart fokussiert, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche des fokussierten Gesamtfluidstroms zu der Summe der Querschnittsflächen der zusammenzuführenden Fluidströme jeweils senkrecht zur Strömungsrichtung im Bereich von 1 zu 1,5 bis 1 zu 500, vorzugsweise im Bereich von 1 zu 2 bis 1 zu 50, liegt. Je kleiner das Verhältnis ist, desto stärker wird die Lamellenbreite reduziert und desto stärker wird die Fließgeschwindigkeit erhöht, mit der der fokussierte Gesamtfluidstrom als Fluidstrahl in die Wirbelkammer eingeleitet wird. Gemäß einer Ausführungsvariante weist der fokussierte Gesamtfluidstrom einen über seine Länge gleichbleibenden Querschnitt auf. Nach einer anderen Ausführungsvariante nimmt die Querschnittsfläche des fokussierten Gesamtfluidstroms vom Bereich des Zusammenführens der Fluidströme hin zur Einmündung in die Wirbelkammer ab, wobei obiges Verhältnis für den Bereich mit kleinster Querschnittsfläche gilt.The combined fluid flows are preferably focused in such a way that the ratio of the cross-sectional area of the focused total fluid flow to the sum of the cross-sectional areas of the fluid flows to be combined is perpendicular to the flow direction in the range from 1 to 1.5 to 1 to 500, preferably in the range from 1 to 2 to 1 to 50. The smaller the ratio, the more the lamella width is reduced and the more the flow speed is increased, with which the focused total fluid flow is introduced as a fluid jet into the swirl chamber. According to one embodiment variant, the focused total fluid flow has a cross section that is constant over its length. According to another embodiment variant, the cross-sectional area of the focused total fluid flow decreases from the area where the fluid flows are brought together to the point where it flows into the swirl chamber, the above relationship being valid for the area with the smallest cross-sectional area.
Bevorzugt liegt das Verhältnis der Länge des fokussierten Gesamtfluidstroms zu seiner Breite im Bereich von 1 zu 1 bis 30 zu 1, vorzugsweise im Bereich 1,5 zu 1 bis 10 zu 1. Hierbei soll der fokussierte Gesamtfluidstrom möglichst ausreichend lang sein, um eine ausreichend fokussierende Wirkung unter Beibehaltung der laminaren Strömungsverhältnisse zu erzwingen. Jedoch sollte der fokussierte Gesamtfluidstrom kurz ausgebildet werden, um im Hinblick auf einen geringen Druckverlust und eine kompakte Bauform den Gesamtfluidstrom möglichst rasch als Fluidstrahl in die Wirbelkammer einleiten zu können.The ratio of the length of the focused total fluid flow to its width is preferably in the range from 1 to 1 to 30 to 1, preferably in the range from 1.5 to 1 to 10 to 1. Here, the focused total fluid flow should be as long as possible to ensure a sufficiently focused one Force effect while maintaining the laminar flow conditions. However, the focused total fluid flow should be made short with a view to a low pressure drop and a compact design to be able to introduce the total fluid flow as quickly as possible into the swirl chamber as a fluid jet.
Vorteilhaft besitzt die Wirbelkammer in der Ebene der Fluidspirale eine im wesentlichen runde oder ovale Form, um ein Ausbilden der Fluidspirale bei laminaren Strömungsverhältnissen und geringem Druckverlust zu ermöglichen.The vortex chamber advantageously has a substantially round or oval shape in the plane of the fluid spiral in order to enable the fluid spiral to be formed in the case of laminar flow conditions and low pressure loss.
Nach einer Ausführungsform wird der fokussierte Gesamtfluidstrom in spitzem Winkel oder bevorzugt tangential in die Wirbelkammer eingeleitet, insbesondere um möglichst viele Windungen der Fluidspirale zu generieren, und um Totwasserbereiche, d. h. Bereich, die nicht ständig durchströmt werden, zu vermeiden.According to one embodiment, the focused total fluid flow is introduced into the swirl chamber at an acute angle or preferably tangentially, in particular in order to generate as many turns of the fluid spiral as possible and to cover dead water areas, i.e. H. Avoid areas that are not constantly flowed through.
Bei der Kontaktiemng nicht mischbarer Fluide (z.B. flüssig-gasförmig) kann es günstig sein, die disperse Phase in einem steileren Winkel als die kontinuierliche Phase in die Wirbelkammer einströmen zu lassen. Durch eine benachbarte tangentiale Einströmung der kontinuierlichen Phase können entstehende Tropfen oder Blasen abgeschert werden, wodurch man kleinere Tropfen/Blasen erhält. Da im Falle der Mischung flüssiger und gasförmiger Fluide die Flüssigkeit eine wesentlich höhere Masse als das Gas aufweist, wird die Spiralbildung durch die Einleitung der Gase in einem steileren Winkel nur wenig gestört.When contacting immiscible fluids (e.g. liquid-gaseous), it can be advantageous to let the disperse phase flow into the vortex chamber at a steeper angle than the continuous phase. An adjacent tangential inflow of the continuous phase can shear off the resulting drops or bubbles, which results in smaller drops / bubbles. Since in the case of the mixing of liquid and gaseous fluids the liquid has a substantially higher mass than the gas, the spiral formation is only slightly disturbed by the introduction of the gases at a steeper angle.
Es kann von Vorteil sein, in die vereinigten Fluidströme und/oder in die Wirbelkammer ein weiteres Fluid einzuleiten. Das weitere Fluid kann einen die Mischung stabilisierenden Hilfsstoff, beispielsweise einen Emulgator, aufweisen. Es ist auch denkbar, daß die Fluidströme bereits einen solchen Hilfsstoff beigemischt enthalten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die ersten beiden Verfahrensschritte an mindestens zwei räumlich getrennten Orten jeweils gleichzeitig durchgeführt und die so erhaltenen fokussierten Gesamtfluidströme in einer Ebene der Wirbelkammer derart eingeleitet, daß sich eine gemeinsame nach innen strömende Fluidspirale bildet, die aus mindestens zwei einzelnen ineinanderliegenden Fluidspiralen gebildet wird. Die sich ausbildenden Fluidspiralen liegen derart gemeinsam in einer Ebene und um ein Zentrum, daß die jeweiligen Windungen benachbart zueinander liegen. So resultiert bei beispielsweise zwei oder drei eingeleiteten fokussierten Gesamtfluidströmen eine Art Doppel- oder Dreifachspirale.It may be advantageous to introduce a further fluid into the combined fluid flows and / or into the swirl chamber. The further fluid can have an auxiliary substance stabilizing the mixture, for example an emulsifier. It is also conceivable that the fluid streams already contain such an additive. According to a preferred embodiment, the first two process steps are carried out simultaneously at at least two spatially separated locations and the focused total fluid flows thus obtained are introduced in one plane of the swirl chamber in such a way that a common inward flowing fluid spiral is formed, which is formed from at least two individual fluid spirals lying one inside the other becomes. The fluid spirals that are formed lie together in one plane and around a center in such a way that the respective turns lie adjacent to one another. For example, with two or three focused total fluid streams introduced, a kind of double or triple spiral results.
In einer weiteren bevorzugten Ausfαhrungsform werden die ersten beiden Verfahrensschritte an mindestens zwei räumlich getrennten Orten jeweils gleichzeitig durchgeführt und die somit erhaltenen fokussierten Gesamtfluidströme in unterschiedlichen Ebenen der Wirbelkammer derart zugeführt, daß sich übereinanderliegende nach innen strömende Fluidspiralen bilden.In a further preferred embodiment, the first two method steps are carried out simultaneously at at least two spatially separate locations, and the focused total fluid flows thus obtained are fed to the swirl chamber in different planes in such a way that fluid spirals which flow one above the other form.
So ist es beispielsweise möglich in einer ersten Ebene einen oder mehrere fokussierte Gesamtgasströme und Gesamtflüssigkeitsströme abwechselnd benachbart in die Wirbelkammer einzuleiten und in den darauffolgenden Ebenen jeweils weitere Gesamtfüssigkeitsströme in die Wirbelkammer einzuleiten. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, daß die Höhe der W belkammer vergrößert wird, wobei sich z.B. der Auslaß am Boden und die Einlasse nahe der Decke der Wirbelkammer befinden, so daß der ebenen Fluidbewegung eine vertikale Bewegung überlagert wird. Anstatt spiralförmiger Trajektorien werden helikale Trajektorien erhalten. Dadurch kann z.B. die Verweil- und Kontaktzeit von Gasblasen in bzw. mit einer Flüssigphase erhöht werden. Werden in den weiteren nach unten folgenden Ebenen weitere Gesamtfluidströme in die Wirbelkammer eingeleitet, so bilden diese weniger Windungen bis zur Ableitung aus der Wirbelkammer aus. Durch diese Ausfuhrungform wird durch die Verlängerung des Fluidstroms und der höheren Anzahl an Windungen der sich ausbildenden Fluidspirale eine noch größere Verweilzeit der Gesamtfluidströme in der Wirbelkammer erreicht.For example, it is possible to introduce one or more focused total gas flows and total liquid flows alternately adjacent to the swirl chamber on a first level and to introduce further total liquid flows into the swirl chamber in the subsequent levels. This can be achieved, for example, by increasing the height of the swirl chamber, with the outlet on the floor and the inlet near the ceiling of the swirl chamber, for example, so that a vertical movement is superimposed on the plane fluid movement. Helical trajectories are obtained instead of spiral trajectories. In this way, for example, the residence time and contact time of gas bubbles in or with a liquid phase can be increased. If further total fluid flows are introduced into the swirl chamber in the further downward levels, these form fewer turns until they are discharged from the swirl chamber. By this embodiment is achieved by the lengthening of the fluid flow and the higher number of turns of the fluid spiral which forms an even greater residence time of the total fluid flows in the swirl chamber.
Besonders vorteilhaft werden die fokussierten Gesamtfluidströme symmetrisch in einer oder mehreren Ebenen um die Wirbelkammer verteilt in diese eingeleitet. Die einzuleitenden Gesamtfluidströme können die gleichen Fluide oder auch unterschiedliche Fluide aufweisen, die dann erst in dem gemeinsamen Raum kontaktiert und gemischt werden. Die zuvor beschriebenen unterschiedlichen Ausführungen können analog auch bei dieser Ausführungsform vorteilhaft eingesetzt werden.The focused total fluid flows are introduced into the vortex chamber symmetrically in one or more planes, particularly advantageously. The total fluid flows to be introduced can have the same fluids or also different fluids, which are then only contacted and mixed in the common space. The different versions described above can also be used advantageously in this embodiment.
In einer weiteren Ausführungsform werden die fokussierten Gesamtfluidströme in unterschiedlichen Winkeln in die Wirbelkammer eingeleitet. Besonders vorteilhaft wird diese Ausführungsform zum Mischen von Gasen mit Flüssigkeiten in der Wirbelkammer eingesetzt. Hierbei werden die Gesamtgasströme in einem steileren Winkel als die Gesamtflüssigkeitsströme in die Wirbelkammer eingeleitet, wobei die Gesamtflüssigkeitsströme auch gas- flüssig-Dispersionen aufweisen können. Hierdurch werden die in die Wirbelkammer einströmenden Gesamtgasströme von den Gesamtflüssigkeitsströmen in kleine Gasbläschen zerteilt.In a further embodiment, the focused total fluid flows are introduced into the swirl chamber at different angles. This embodiment is used particularly advantageously for mixing gases with liquids in the swirl chamber. The total gas flows are introduced into the swirl chamber at a steeper angle than the total liquid flows, the total liquid flows also being able to have gas-liquid dispersions. As a result, the total gas flows flowing into the swirl chamber are broken down into small gas bubbles by the total liquid flows.
Der erfindungsgemäße statische Mikrovermischer zum Mischen mindestens zweier Fluide ist gekennzeichnet durch eine Wirbelkammer, in die der Fokussierungskanal derart einmündet, daß der fokussierte Gesamtfluidstrom als Fluidstrahl eintritt unter Ausbildung einer nach innen strömenden Fluidspirale, und mindestens einen mit der Wirbelkammer fluidisch in Verbindung stehenden Auslaßkanal zum Ableiten der gebildeten Mischung. Die Vielzahl abwechselnd benachbarter Fluidkanäle weist vorzugsweise eine Breite im Bereich von 1 μm bis 1 mm und eine Tiefe im Bereich von 10 μm bis 10 mm zur getrennten Zuführung der Fluide als Fluidströme auf.The static micromixer according to the invention for mixing at least two fluids is characterized by a swirl chamber, into which the focusing channel opens in such a way that the focused total fluid flow enters as a fluid jet with the formation of an inwardly flowing fluid spiral, and at least one outlet channel that is fluidly connected to the swirl chamber for discharge the mixture formed. The plurality of alternately adjacent fluid channels preferably have a width in the range from 1 μm to 1 mm and a depth in the range from 10 μm to 10 mm for the separate supply of the fluids as fluid streams.
Die Eiiüaßkammer, in die die Fluidkanäle einmünden, dient dem Zusammenführen der Vielzahl getrennter Fluidströme der beiden Fluide. Der Fokussierungskanal ist zum Abführen der in der Eirüaßkammer vereinigten Fluidströme unter Ausbildung eines fokussierten Gesamtfluidstroms fluidisch mit der Einlaßkammer verbunden. Der Fokussierungskanal mündet derart in die Wirbelfcunmer ein, daß der fokussierte Gesamtfluidstrom als Fluidstrahl eintritt unter Ausbildung einer konzentrisch nach Innen strömenden Fluidspirale. Der mindestens eine mit der Wirbelkammer fluidisch in Verbindung stehende Auslaßkanal dient zum Ableiten der gebildeten Mischung.The inlet chamber, into which the fluid channels open, serves to bring together the plurality of separate fluid streams of the two fluids. The focusing channel is fluidly connected to the inlet chamber for discharging the fluid streams combined in the egg chamber to form a focused total fluid stream. The focusing channel opens into the vertebrae in such a way that the focused total fluid flow enters as a fluid jet, forming a fluid spiral flowing concentrically inwards. The at least one outlet channel, which is in fluid communication with the swirl chamber, serves to discharge the mixture formed.
Bezüglich der mit diesem Mikrovermischer verbundenen Vorteile wird auf obige Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere zu geringem Druckverlust, Erhöhung der für die schnellere diffusive Mischung zur Verfügung stehenden Kontaktfläche und kleine Bauform verwiesen.With regard to the advantages associated with this micromixer, reference is made to the above explanations of the method according to the invention, in particular to a low pressure drop, increase in the contact area available for the faster diffusive mixture and small design.
Die schnelle Mischung wird durch die Erzeugung sehr dünner Fluidlamellen und damit durch eine Reduktion des Difiusionswegs erreicht. Die Fluidlamellen werden der Wirbelkammer zugeführt, die eine weitere Reduktion des Diffusionswegs durch Verkippung der Fluidlamellen und Verringerung der Lamellenbreite bewirkt. Die Wirbelkammer kann relativ großskalig ausgelegt werden (großer Durchmesser, große Höhe), dennoch werden sehr dünne Lamellen erzeugt. Der Druckverlust in der Wirbelkammer kann durch den großen hydraulischen Durchmesser gering gehalten werden. Nur die Einschnürung durch den Fokussierungskanal trägt zum Druckverlust bei. Diese Einschnürung kann jedoch sehr lokal, d.h. auf einer sehr kleinen Strömungslänge, geschehen, so daß es nur zu einem moderaten Druckverlust kommt. Vorzugsweise weist die Einlaßkarnmer eine den Fluidkanälen gegenüberliegende, konkave Wand auf, in die der Fokussierungskanal vorteilhafterweise mittig einmündet.The rapid mixing is achieved by producing very thin fluid lamellae and thus by reducing the diffusion path. The fluid lamellae are fed to the swirl chamber, which causes a further reduction in the diffusion path by tilting the fluid lamellae and reducing the lamella width. The swirl chamber can be designed relatively large-scale (large diameter, high height), but very thin fins are still produced. The pressure loss in the swirl chamber can be kept low due to the large hydraulic diameter. Only the constriction through the focusing channel contributes to the pressure loss. This constriction can, however, take place very locally, ie over a very small flow length, so that there is only a moderate pressure loss. The inlet manifold preferably has a concave wall opposite the fluid channels, into which the focusing channel advantageously opens in the center.
Durch die konkave Wand wird ein rasches Zusammenführen verbunden mit einer Fokussierung und Abführen in den Fokussierungskanal unter Erhalt der Fluidlamellen erreicht.Due to the concave wall, a rapid merging is combined with a focusing and discharge into the focusing channel while maintaining the fluid lamellae.
Es ist jedoch auch denkbar, die vereinigten Fluidlamellen allmählich auf den Fokussierungskanal zuzuführen, wozu die Einlaßkammer in zumindest einer in Strömungsrichtung Ebene dreieckförmig-zulaufend oder trichterförmig ausgebildet ist.However, it is also conceivable to gradually feed the combined fluid lamellae onto the focusing channel, for which purpose the inlet chamber is triangular-shaped or funnel-shaped in at least one plane in the direction of flow.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Einlaßkammer einen in Strömungsrichtung konstanten Querschnitt auf. Eine Fokussierung findet in der Einlaßkanimer dann nicht statt, sondern erst in dem Fokussierungskanal, der beispielsweise einen sich verjüngenden Querschnitt in Strömungsrichtung aufweisen kann. In diesem Fall wird vorzugsweise der Querschnitt der Eintrittsöffhung des Fokussierungskanals dem Querschnitt der Einlaßkarnmer entsprechen.According to a further embodiment, the inlet chamber has a cross section which is constant in the flow direction. Focusing then does not take place in the inlet channel, but only in the focusing channel, which can have, for example, a tapering cross section in the flow direction. In this case, the cross section of the inlet opening of the focusing channel will preferably correspond to the cross section of the inlet chamber.
Der Fokussierungskanal kann in Strömungsrichtung auch einen konstanten Querschnitt aufweisen, was insbesondere dann eingesetzt wird, wenn die Einlaßkammer bereits eine Fokussierung gewährleistet, so daß die Fokussierung in dem Fokussierungskanal lediglich fortgeführt wird.The focusing channel can also have a constant cross section in the direction of flow, which is used in particular when the inlet chamber already ensures focusing, so that the focusing in the focusing channel is only continued.
Zwei bevorzugte Ausführungsformen, wie die Fluidkanäle in die Einlaßkammer einmünden, sind eine zueinander parallele Ausrichtung und eine radial in Richtung Einlaßkammer zulaufende Ausrichtung. Im Sinne einer einfachen technischen Realisierung ist es von Vorteil, wenn die Fluidkanäle, die Eirüaßkammer, der Fokussierungskanal und / oder die Wirbelkammer die gleiche Tiefe aufweisen. Hierbei ist es ebenfalls von Vorteil, wenn die Einmündungen der Fluidkanäle zumindest im Bereich der Einlaßkammer in einer Ebene liegen.Two preferred embodiments of how the fluid channels open into the inlet chamber are an orientation parallel to one another and an orientation tapering radially in the direction of the inlet chamber. In terms of a simple technical implementation, it is advantageous if the fluid channels, the egg chamber, the focusing channel and / or the swirl chamber have the same depth. It is also advantageous here if the openings of the fluid channels lie at least in one plane in the region of the inlet chamber.
Bevorzugt ist der Fokussierungskanal derart ausgebildet, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche des Fokussierungskanals zu der Summe der Querschnittsflächen der in die Einlaßkarnmer einmündenden Fluidkanäle jeweils senkrecht zur Kanalachse im Bereich von 1 zu 1,5 bis 1 zu 500, vorzugsweise im Bereich von 1 zu 2 bis 1 zu 50, liegt. Hierdurch wird ein im Vergleich zur vorgegebenen Breite der Fluidkanäle weiteres Reduzieren der Lamellenbreite und/oder Querschnittsfläche und damit einhergehend ein Erhöhen der Fließ geschwindigkeit erzielt. Gemäß einer Ausführungsvariante weist der Fokussierungskanal über seine gesamte Länge einen im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt auf.The focusing channel is preferably designed in such a way that the ratio of the cross-sectional area of the focusing channel to the sum of the cross-sectional areas of the fluid channels opening into the inlet manifold is perpendicular to the channel axis in the range from 1 to 1.5 to 1 to 500, preferably in the range from 1 to 2 to 1 in 50. As a result, a further reduction in the lamella width and / or cross-sectional area and, as a result, an increase in the flow velocity is achieved in comparison with the predetermined width of the fluid channels. According to one embodiment variant, the focusing channel has an essentially constant cross section over its entire length.
Nach einer anderen Ausführungsvariante nimmt die Querschnittsfläche des Fokussierungskanals von der Einlaßkammer hin zur Wirbelkammer ab, wobei obiges Verhältnis der Querschnittsflächen für den Bereich mit kleinster Querschnittsfläche anzuwenden ist. Die Querschnittsfläche des Fokussierungskanals im Bereich der Einmündung in die Wirbelkammer bestimmt mit die Breite und damit die Anzahl der Windungen des spiralförmig gewundenen Fluidstroms. Vorteilhaft ist das Verhältnis der Breite des in die Wirbelkammer einmündenden Fokussierungskanals zum Durchmesser der Wirbelkammer in der Ebene, in der sich die Fluidspirale ausbildet, kleiner oder gleich 1 zu 10.According to another embodiment variant, the cross-sectional area of the focusing channel decreases from the inlet chamber to the swirl chamber, the above ratio of the cross-sectional areas being used for the area with the smallest cross-sectional area. The cross-sectional area of the focusing channel in the region of the confluence with the swirl chamber also determines the width and thus the number of turns of the spirally wound fluid flow. The ratio of the width of the focusing channel opening into the swirl chamber to the diameter of the swirl chamber in the plane in which the fluid spiral is formed is advantageously less than or equal to 1 to 10.
Bevorzugt liegt das Verhältnis der Länge des Fokussierungskanals zu seiner Breite zumindest im Bereich der Einmündung in die Wirbelkammer im Bereich von 1 zu 1 bis 30 zu 1, vorzugsweise im Bereich von 1,5 zu 1 bis 10 zu 1. Hierbei wird die Länge des Fokussierungskanals vorteilhaft so gewählt, daß ein Fokussieren auf kleine Fluidlamellenbreiten unter Erhalt der Fluidlamellen sowie im Sinne eines geringen Druckverlusts ein rasches Einleiten in die Wirbelkammer erfolgt.The ratio of the length of the focusing channel to its width is preferably in the range from 1 to 1 to 30 to 1, preferably in the range from 1.5 to 1 to 10 to 1, at least in the region where it flows into the swirl chamber. Here, the length of the focusing channel is advantageously chosen so that focusing on small fluid lamella widths while maintaining the fluid lamellae and in the sense of a low pressure loss is rapidly introduced into the swirl chamber.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Fokussierungskanal in einem spitzen Winkel oder tangential in die Wirbells mmer einmündend angeordnet. Dies ermöglicht insbesondere ein Einleiten des Fluidlamellenstroms unter Beibehaltung laminarer Strömungsverhältnisse und ein Ausbilden einer Fluidspirale mit einer Vielzahl von Windungen.In a preferred embodiment, the focusing channel is arranged at an acute angle or tangential into the vertebrae. This allows, in particular, the introduction of the fluid lamella flow while maintaining laminar flow conditions and the formation of a fluid spiral with a large number of turns.
Bevorzugt weist die Wirbelkammer in einer Ebene, in der der Fokussierungskanal liegt, einen im wesentlichen runden oder ovalen Querschnitt auf. Hierdurch werden Totwasserbereiche vermieden. Besonders bevorzugt weist die Wirbelkammer eine im wesentlichen zylindrische Form auf. Vorteilhaft ist hierbei die Höhe des Fokussierungskanals, zumindest im Bereich der Einmündung, kleiner oder gleich der Höhe der Wirbelkammer.The vortex chamber preferably has a substantially round or oval cross section in a plane in which the focusing channel lies. Dead water areas are thereby avoided. The vortex chamber particularly preferably has an essentially cylindrical shape. The height of the focusing channel, at least in the region of the junction, is advantageously less than or equal to the height of the swirl chamber.
Der oder die Auslaßkanäle münden vorzugsweise unter- und/ oder oberhalb eines zentralen Bereichs, insbesondere im Bereich des Mittelpunkts, in die Wirbelkammer. Die Querschnittsfläche des oder der Auslaßkanäle ist vorteilhaft im Vergleich zum Durchmesser der Wirbelkammer und zur Querschnittsfläche des einmündenden Fokussierungskanals so bemessen, daß sich eine Fluidspirale mit einer Vielzahl von Windungen ausbilden kann. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis des Durchmessers des Auslaßkanals zum Durchmesser der Wirbelkammer kleiner gleich 1 zu 5.The outlet channel or channels preferably open into the swirl chamber below and / or above a central region, in particular in the region of the center. The cross-sectional area of the outlet channel or channels is advantageously dimensioned in comparison to the diameter of the swirl chamber and the cross-sectional area of the opening focusing channel so that a fluid spiral with a large number of turns can form. The ratio of the diameter of the outlet channel to the diameter of the swirl chamber is preferably less than or equal to 1 to 5.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform münden in die Einlaßkammer, den Fokussierungskanal oder die Wirbelkammer ein oder mehrere Zuführungskanäle zum Zuführen eines weiteren Fluids ein. Solche Fluide können einen die Mischung stabilisierenden Hilfsstoff, beispielsweise einen Emulgator, aufweisen. Vorteilhaft münden die Zufuhrangskanäle tangential in die Wirbelkammer, so daß zwischen benachbarte Windungen der Fluidspirale jeweils ein Strom des weiteren Fluid liegt. Besonders vorteilhaft münden beim Zuführen eines gasförmigen, weiteren Fluids in eine mindestens eine Flüssigkeit enthaltende Fluidspirale in der Wirbelkammer die Zuführkanäle für das weitere Fluid nicht tangential, sondern in einem steileren Winkel in die Wirbelkammer. Auf diese Weise wird das zugeführte Gas von der Fluidspirale in kleine Gasbläschen zerteilt und fein verteilt.According to a further embodiment, one or more feed channels for feeding a further fluid open into the inlet chamber, the focusing channel or the swirl chamber. Such fluids can be an auxiliary substance stabilizing the mixture, for example one Emulsifier. Advantageously, the feed channels lead tangentially into the swirl chamber, so that a stream of the further fluid lies between adjacent turns of the fluid spiral. When a gaseous, further fluid is fed into a fluid spiral containing at least one liquid in the swirl chamber, the feed channels for the further fluid do not open particularly tangentially, but rather at a steeper angle into the swirl chamber. In this way, the supplied gas is divided into small gas bubbles by the fluid spiral and finely distributed.
Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Vielzahl benachbarter Fluidkanäle, die Einlaßkammer, in die die Fluidkanäle einmünden, und der mit der Einlaßkarnmer fluidisch in Verbindung stehende Fokussierungskanal jeweils zwei oder mehrfach vorhanden und die zwei oder mehr Fokussierungskanäle münden in einer Ebene in die eine gemeinsame Wirbelkammer ein. Die Fokussierungskanäle münden derart, in spitzem Winkel oder bevorzugt tangential in die Wirbelkammer ein, daß die Fluidstrahlen entsprechend zwei oder mehr benachbart zueinander konzentrisch nach Innen strömende Fluidspiralen bilden. Die Fokussierungskanäle sind hierbei vorteilhaft in einer Ebene äquidistant um die gemeinsame Wirbelkammer einmündend angeordnet. Die zwei oder mehrfach vorhandene Vielzahl von benachbarten Fluidkanälen, Einlaßkammern und Fokussierungskanälen sind räumlich voneinander getrennt angeordnet und lediglich über die gemeinsame Wirbelkammer fluidisch miteinander in Verbindung. Diese Strukturen können der Zuführung der gleichen Fluide, beispielsweise zweifach der Fluide A, B, oder aber auch unterschiedlicher Fluide, beispielsweise die Fluide A, B und C, D, dienen.According to a further embodiment, the plurality of adjacent fluid channels, the inlet chamber, into which the fluid channels open, and the focusing channel, which is fluidly connected to the inlet chamber, are each provided two or more times, and the two or more focusing channels open into a common swirl chamber in one plane , The focusing channels open into the swirl chamber at an acute angle or preferably tangentially in such a way that the fluid jets correspondingly form two or more fluid spirals flowing concentrically inward adjacent to one another. The focusing channels are advantageously arranged in a plane equidistant from the common vortex chamber. The two or more multiplicity of adjacent fluid channels, inlet chambers and focusing channels are spatially separated from one another and are only fluidly connected to one another via the common swirl chamber. These structures can be used to supply the same fluids, for example twice the fluids A, B, or else different fluids, for example the fluids A, B and C, D.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Vielzahl benachbarter Fluidkanäle, die Einlaßkammer, in die die Fluidkanäle einmünden, und der mit der Einlaßkammer fluidisch in Verbindung stehende Fokussierungskanal jeweils zwei oder mehrfach vorhanden und die zwei oder mehr Fokussierungskanäle münden in mehreren Ebenen in die eine gemeinsame Wirbelkammer ein.In a further preferred embodiment, the plurality of adjacent fluid channels, the inlet chamber into which the fluid channels open, and the focusing channel fluidically connected to the inlet chamber are each provided two or more times and the two or more Focusing channels open into a common vortex chamber on several levels.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform münden die Fokussierungskanäle für die Gesamtfluidströme in unterschiedlichen Winkeln in die Wirbelkammer ein. Diese Ausführungsform wird insbesondere für das Mischen von fokussierten Gesamtgasströmen mit Gesamtfluidströmen, die mindestens eine Flüssigkeit enthalten, in der Wirbelkammer verwendet. Die Zuführkanäle für die Gesamtgasströme münden in diesem Fall in einem spitzeren Winkel als die Zuführkanäle für die mindestens eine Flüssigkeit enthaltenden Gesamtfluidströme in die Wirbelkammer ein. Auf diese Weise werden die in steilem eingeleiteten Gesamtgasströme von den in spitzerem Winkeln eingeleiteten Gesamtflüssigkeitsströmen in feine Gasbläschen zerteilt.In a further advantageous embodiment, the focusing channels for the total fluid flows open into the swirl chamber at different angles. This embodiment is used in particular for the mixing of focused total gas streams with total fluid streams which contain at least one liquid in the swirl chamber. In this case, the feed channels for the total gas streams open into the swirl chamber at an acute angle than the feed channels for the total fluid streams containing at least one liquid. In this way, the total gas flows introduced at a steep angle are broken down into fine gas bubbles by the total liquid flows introduced at an acute angle.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Fluidführungsstrukturen als Ausnehmungen und/oder Durchbrüche in Platten aus einem für die zu mischenden Fluide ausreichend inerten Material eingebracht. Ausnehmungen, wie beispielweise Nuten oder Sacklöcher, sind in einer Ebene sowie senkrecht hierzu von Material umgeben. Durchbrüche, wie beispielsweise Schlitze oder Löcher, gehen dagegen durch das Material hindurch, d.h. sind nur in einer Ebene seitlich von dem Material umgeben. Die offenen Strukturen der Ausnehmungen und Durchbrüche werden durch Stapelung mit weiteren Platten zu Fluidführungsstrukturen, wie Fluidkanälen und -kammern, wobei die den Plattenstapel fluidisch dicht nach Außen abschließenden Deck und/ oder Bodenplatten Zuführungen für die beiden Fluide und/ oder mindestens eine Abführung für die gebildete Mischung aufweisen.According to a further preferred embodiment, the fluid guide structures are introduced as recesses and / or openings in plates made of a material which is sufficiently inert for the fluids to be mixed. Recesses, such as grooves or blind holes, are surrounded by material in one plane and perpendicular to it. Breakthroughs such as slits or holes, on the other hand, pass through the material, i.e. are only laterally surrounded by the material in one plane. The open structures of the recesses and breakthroughs become, by stacking with further plates, fluid guide structures, such as fluid channels and chambers, the cover and / or bottom plates, which seal the plate stack in a fluid-tight manner to the outside, supplying the two fluids and / or at least one discharge for the formed Have mixture.
In einer Variante dieser Ausführungsform sind die Strukturen der Fluidkanäle, der Einlaßkarnmer, des Fokussierungskanals und der Wirbelkammer als Ausnehmungen und/ oder Durchbrüche in mindestens einer als Mischerplatte dienenden Platte eingebracht. Die offenen Strukturen der Mischerplatte sind durch eine fluidisch dicht mit der Mischerplatte verbundene Deck- und Bodenplatte abgeschlossen.In a variant of this embodiment, the structures of the fluid channels, the inlet manifold, the focusing channel and the swirl chamber are as recesses and / or openings in at least one as a mixer plate serving plate introduced. The open structures of the mixer plate are closed off by a cover and base plate which are connected in a fluid-tight manner to the mixer plate.
Gemäß einer weiteren Variante dieser bevorzugten Ausführungsform weist der statische Mikrovermischer zwischen der Mischerplatte und der Bodenplatte eine mit diesen in Verbindung stehende fluidisch dicht angeordnete Verteilerplatte zum getrennten Zufuhren der Fluide von den Zuführungen in der Bodenplatte zu den Fluidkanälen der Mischerplatte auf. Hierzu weist die Verteilerplatte vorteilhaft je zuzuführendem Fluid eine Reihe von Löchern auf, wobei jedes Loch genau einem Fluidkanal zugeordnet ist. So dient bei zwei Fluiden die erste Reihe der Zuführung des ersten Fluids und die zweite Reihe der Zuführung des zweiten Fluids.According to a further variant of this preferred embodiment, the static micromixer has, between the mixer plate and the base plate, a distributor plate, which is connected to them in a fluid-tight manner, for separately supplying the fluids from the feeds in the base plate to the fluid channels of the mixer plate. For this purpose, the distributor plate advantageously has a number of holes for each fluid to be supplied, each hole being assigned to exactly one fluid channel. In the case of two fluids, the first row serves to supply the first fluid and the second row serves to supply the second fluid.
Als geeignete Materialien kommen in Abhängigkeit von den verwendeten Fluiden unterschiedliche Materialien, wie beispielsweise Polymermaterialien, Metalle, Legierungen, Gläser, Quarzglas, Keramik oder Halbleitermaterialien, wie Silizium, in Frage. Bevorzugt sind Platten einer Stärke von 10 μm bis 5 mm, besonders bevorzugt von 50 μm bis 1 mm. Geeignete Verfahren zum fluidisch dichten Verbinden der Platten miteinander sind beispielsweise aneinander Pressen, Verwenden von Dichtungen, Kleben oder anodisches Bonden.Suitable materials are, depending on the fluids used, different materials, such as polymer materials, metals, alloys, glasses, quartz glass, ceramics or semiconductor materials, such as silicon. Preference is given to plates with a thickness of 10 μm to 5 mm, particularly preferably from 50 μm to 1 mm. Suitable methods for the fluid-tight connection of the plates to one another are, for example, pressing together, using seals, adhesive bonding or anodic bonding.
Als Verfahren zur Strukturierung der Platten kommen bekannte feinwerk- und mikrotechnische Herstellungsverfahren in Frage, wie beispielsweise Laserablatieren, Funkenerodieren, Spritzgießen, Prägen oder galvanisches Abscheiden. Geeignet sind auch LIGA- Verfahren, die zumindest die Schritte des Strukturierens mit energiereicher Strahlung und galvanisches Abscheiden und ggf. Abformen umfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren und der statische Mikrovermischer werden vorteilhaft zur Durchführung chemischer Umsetzungen von zwei oder mehr Stoffen verwendet, wobei beide Stoffe in einem eingeleiteten Fluid oder der erste Stoff in einem ersten Fluid und der zweite Stoff in einem weiteren Fluid enthalten sind. Hierzu sind in den statischen Mikrovermischer vorteilhaft Mittel zur Steuerung der chemischen Umsetzung integriert, wie beispielsweise Temperatur- oder Drucksensoren, Durchflußmesser, Heizelemente, Verweilrohre oder Wärmetauscher. Diese Mittel können bei einem statischen Mikrovermischer auf Platten mit den Fluidführungsstrukturen oder weiteren ober- und/ oder unterhalb angeordneten und mit diesen funktioneil in Verbindung stehenden Platten angeordnet sein. Zur Durchführung heterogen katalysierter chemischer Umsetzungen kann das Material des statischen Mikrovermischers auch katalytisches Material aufweisen.Known precision engineering and microtechnical manufacturing processes are possible as processes for structuring the plates, such as, for example, laser ablation, spark erosion, injection molding, embossing or galvanic deposition. LIGA processes are also suitable, which include at least the steps of structuring with high-energy radiation and galvanic deposition and, if necessary, molding. The method according to the invention and the static micromixer are advantageously used to carry out chemical reactions of two or more substances, both substances being contained in an introduced fluid or the first substance being contained in a first fluid and the second substance being contained in a further fluid. For this purpose, means for controlling the chemical conversion are advantageously integrated in the static micromixer, such as temperature or pressure sensors, flow meters, heating elements, indwelling tubes or heat exchangers. In the case of a static micromixer, these means can be arranged on plates with the fluid guide structures or further plates arranged above and / or below and functionally connected to them. To carry out heterogeneously catalyzed chemical reactions, the material of the static micromixer can also have catalytic material.
Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Mikrovermischer zur Herstellung einer gas-flüssig- Dispersion verwendet, wobei mindestens ein eingeleiteter Gesamtfluidstrom ein Gas oder ein gas-Gemisch und mindestens ein weiterer eingeleiteter Gesamtfluidstrom eine Flüssigkeit, ein Flüssigkeitsgemisch, eine Lösung, eine Dispersion oder eine Emulsion enthält.The method according to the invention and the micromixer according to the invention are used particularly advantageously for producing a gas-liquid dispersion, with at least one introduced total fluid stream being a gas or a gas mixture and at least one further introduced total fluid stream being a liquid, a liquid mixture, a solution, a dispersion or contains an emulsion.
Nachfolgend werden Ausführungsfbrmen des erfindungsgemäßen statischen Mikrovermischers an Hand von Zeichnungen exemplarisch erläutert. Es zeigenExemplary embodiments of the static micromixer according to the invention are explained below using the drawings as examples. Show it
Figur 1 a einen statischen Mikrovermischer, bestehend aus einerFigure 1 a a static micromixer consisting of a
Deckplatte, Mischerplatte, Verteilerplatte und Bodenplatte jeweils voneinander getrennt in perspektivischer Darstellung,Cover plate, mixer plate, distributor plate and base plate each separated from one another in a perspective view,
Figur 1 b eine bevorzugte Mischerplatte nach Figur la in Draufsicht,1b shows a preferred mixer plate according to FIG.
Figur 2 eine weitere bevorzugte Mischerplatte in Draufsicht, Figur 3 eine weitere bevorzugte Mischerplatte in Draufsicht,FIG. 2 shows another preferred mixer plate in a top view, FIG. 3 shows another preferred mixer plate in top view,
Figur 4 eine weitere bevorzugte in der Draufsicht,FIG. 4 shows another preferred top view,
Figur 5 einen Teilschnitt durch einen statischen Mikrovermischer gemäß einer weiteren Ausführungsform.5 shows a partial section through a static micromixer according to a further embodiment.
Die Figur la zeigt einen statischen Mikrovermischer 1 mit einer Deckplatte 21, einer Mischerplatte 20, einer Verteilerplatte 26 und einer Bodenplatte 22 jeweils voneinander getrennt in perspektivischer Darstellung.FIG. 1 a shows a static micromixer 1 with a cover plate 21, a mixer plate 20, a distributor plate 26 and a base plate 22, each separated from one another in a perspective view.
Die Deckplatte 21, die Mischerplatte 20, die Verteilerplatte 26 und die Bodenplatte 22 weisen jeweils eine Zuführung 23, 23', 23" für das Fluid A und eine Zuführung 24, 24', 24" für das Fluid B in Form einer Bohrung auf. Die Bohrungen sind derart angeordnet, daß beim Übereinanderstapeln der Platten die Zuführungen 23, 23', 23", 24, 24', 24" mit den Zuführungsstrukturen 23'", 24'" der Bodenplatte 22 fluidisch in Verbindung stehen. Die Zuführung 23'" für das Fluid A und die Zuführung 24'" für das Fluid B sind in Form von Nuten 123 a, b, 124a, b derart auf der Bodenplatte 22 angeordnet, daß das Fluid A zu der Verteilerstruktur 27 und das Fluid B zu der Verteilerstruktur 28 der darüber liegenden Verteilerplatte 26 ohne wesentliche Druckverluste geleitet werden kann. Von den Zuführungsstrukturen 23'", 24'" führen Verbindungsnuten 123a, 124a zu Verteilernuten 123b, 124b, wobei sich die Verbindungsnut 124b trichterförmig erweitert. Die Verteilerplatte 26 weist eine Verteilerstruktur 27 für das Fluid A und eine Verteilerstruktur 28 für das Fluid B jeweils in Form einer Reihe von durch die Platte hindurchgehenden Löchern auf, die über den Verteilernuten 123b und 124b liegen. Die in Figur 1 b in Draufsicht gezeigte Mischerplatte 20 weist Fluidkanäle 2,3, eine Einlaßkammer 4, einen Fokussierungskanal 5 und eine Wirbelkammer 6 auf. Die Abführung 25 in Form einer Bohrung in der Deckplatte 21 ist derart angeordnet, daß beim Übereinanderstapeln der Platten die Abführung 25 mit einem zentralen Bereich der Wirbelkammer 6 der Mischerplatte 20 fluidisch in Verbindung steht. Die Kanäle 2 für das Fluid A weisen eine kleinere Länge als die Kanäle 3 für das Fluid B auf. Die Kanäle 2, 3 sind in ihrer von der Einlaßkammer 4 abgewandten Seite parallel zueinander ausgerichtet, wobei die Kanäle 2 für das Fluid A abwechselnd benachbart mit den Kanälen 3 für das Fluid B liegen. In einem Übergangsbereich verringert sich der Abstand der Kanäle untereinander in Richtung Einlaßkammer 4. Im Bereich der Einmündung in die Einlaßkammer 4 sind die Kanäle 2, 3 wiederum parallel zueinander ausgerichtet. Um einen gleichmäßigen Volumenstrom über alle Kanäle 2, 3 für jeweils ein Fluid zu erreichen, weisen die Kanäle 2, 3 jeweils untereinander die gleiche Länge auf. Dies führt dazu, daß die von der Eintrittskammer 4 entfernt liegenden Enden der Fluidkanäle 2, 3 jeweils auf einem Bogen liegen. Die Bohrungen der Verteilerstrukturen 27, 28 der Verteilerplatte 26 sind ebenfalls jeweils in einem Bogen derart angeordnet, daß die Enden der Kanäle 2, 3 jeweils fluidisch mit einer Bohrung kontaktiert werden. Die Einlaßkammer 4, in die die Fluidkanäle 2, 3 einmünden, weist in der Ebene der Fluidkanäle eine konkave Form auf. Im mittleren Bereich der konkaven Wand 8, die den Einmündungen der Fluidkanäle 2, 3 gegenüberliegt, geht die Einlaßkammer 4 in den Fokussierungskanal 5 über. Der Fokussierungskanal 5 mündet tangential in die Wirbelkammer 6 ein, die von einer in der Ebene der Mischerplatte 20 kreisrunden Kammer gebildet ist. Die Strukturen der Fluidkanäle 2, 3, der Einlaßkammer 4, des Fokussierungskanals 5 und der Wirbelkammer 6 sind durch das Material der Mischerplatte 20 hindurchgehende Durchbrüche gebildet, wodurch diese Strukturen die gleiche Tiefe aufweisen. Durch die darunterliegende Verteilerplatte 26 und die darüberliegende Deckplatte 21 werden diese zu zwei Seiten hin offenen Strukturen unter Bildung von Kanälen bzw. Kammern abgedeckt. Beim betriebsfertigen Mikrovermischer 1 sind die hier voneinander getrennt dargestellten Platten 21, 20, 26 und 22 übereinander gestapelt und fluidisch dicht miteinander verbunden, wodurch die offenen Strukturen, wie Nuten 23'", 24'" und Durchbrüche 2, 3, 4, 5 und 6, unter Bildung von Kanälen und Kammern abgedeckt sind. Der so erhaltene Stapel aus den Platten 21, 20, 26 und 22 kann in ein Mischergehäuse aufgenommen sein, das geeignete fluidische Anschlüsse für die Zuführung von zwei Fluiden und die Abführung des Fluidgemischs aufweist. Darüber hinaus kann durch das Gehäuse eine Anpresskraft auf den Plattenstapel zum fluidisch dichten Verbinden aufgebracht werden. Es ist auch denkbar, den Plattenstapel als Mikrovermischer 1 ohne Gehäuse zu betreiben, wozu mit den Zuführungen 23, 24 und der Abführung 25 der Deckplätte 21 vorteilhaft fluidische Anschlüsse, beispielsweise Schlauchtüllen, verbunden sind.The cover plate 21, the mixer plate 20, the distributor plate 26 and the base plate 22 each have a feed 23, 23 ', 23 "for the fluid A and a feed 24, 24', 24" for the fluid B in the form of a bore. The bores are arranged in such a way that when the plates are stacked one above the other, the feeds 23, 23 ', 23 ", 24, 24', 24" are in fluid communication with the feed structures 23 '", 24'" of the base plate 22. The feed 23 '"for the fluid A and the feed 24'" for the fluid B are arranged in the form of grooves 123 a, b, 124a, b on the base plate 22 in such a way that the fluid A to the distributor structure 27 and the fluid B can be routed to the distributor structure 28 of the distributor plate 26 lying above it without significant pressure losses. Connecting grooves 123a, 124a lead from the feed structures 23 '", 24'" to distributor grooves 123b, 124b, the connecting groove 124b expanding in a funnel shape. The manifold plate 26 has a manifold structure 27 for the fluid A and a manifold structure 28 for the fluid B each in the form of a series of holes passing through the plate, which lie above the manifold grooves 123b and 124b. The mixer plate 20 shown in FIG. 1b in plan view has fluid channels 2, 3, an inlet chamber 4, a focusing channel 5 and a swirl chamber 6. The discharge 25 in the form of a bore in the cover plate 21 is arranged such that when the plates are stacked one above the other the discharge 25 is in fluid communication with a central region of the swirl chamber 6 of the mixer plate 20. The channels 2 for the fluid A have a smaller length than the channels 3 for the fluid B. The channels 2, 3 are oriented parallel to one another in their side facing away from the inlet chamber 4, the channels 2 for the fluid A alternately lying adjacent to the channels 3 for the fluid B. In a transition area, the distance between the channels decreases in the direction of the inlet chamber 4. In the area of the opening into the inlet chamber 4, the channels 2, 3 are in turn aligned parallel to one another. In order to achieve a uniform volume flow over all channels 2, 3 for one fluid each, the channels 2, 3 each have the same length among themselves. The result of this is that the ends of the fluid channels 2, 3, which are remote from the inlet chamber 4, each lie on an arc. The bores of the distributor structures 27, 28 of the distributor plate 26 are also each arranged in an arc in such a way that the ends of the channels 2, 3 are each contacted fluidically with a bore. The inlet chamber 4, into which the fluid channels 2, 3 open, has a concave shape in the plane of the fluid channels. In the central region of the concave wall 8, which lies opposite the openings of the fluid channels 2, 3, the inlet chamber 4 merges into the focusing channel 5. The focusing channel 5 opens tangentially into the swirl chamber 6, which is formed by a chamber which is circular in the plane of the mixer plate 20. The structures of the fluid channels 2, 3, the inlet chamber 4, the focusing channel 5 and the swirl chamber 6 are formed through openings through the material of the mixer plate 20, as a result of which these structures have the same depth. The underlying distribution plate 26 and the overlying cover plate 21 cover these structures, which are open on two sides, to form channels or chambers. In the ready-to-use micromixer 1, the plates 21, 20, 26 and 22 shown here separately from one another are stacked one above the other and fluidly connected to one another, as a result of which the open structures, such as grooves 23 '", 24'" and openings 2, 3, 4, 5 and 6, covered with formation of channels and chambers. The stack of plates 21, 20, 26 and 22 thus obtained can be accommodated in a mixer housing which has suitable fluid connections for the supply of two fluids and the discharge of the fluid mixture. In addition, the housing can be used to apply a contact pressure to the plate stack for fluid-tight connection. It is also conceivable to operate the plate stack as a micro-mixer 1 without a housing, for which purpose fluidic connections, for example hose nozzles, are advantageously connected to the inlets 23, 24 and the outlet 25 of the cover plate 21.
Beim eigentlichen Mischvorgang wird in die Zuführungsbohrung 23 und in die Zunϊhrungsbohrung 24 der Deckplatte 21 jeweils ein Fluid A und ein Fluid B eingeleitet. Diese Fluide strömen jeweils durch die Zuführungsstrukturen 23', 23", 23'" und 24', 24", 24'" der Platten 20, 26 und 22 und werden von dort gleichmäßig jeweils in die als Bohrungen ausgebildeten Verteilerstrukturen 27 und 28 verteilt. Von den Bohrungen der Verteilerstruktur 27 strömt das Fluid A in die exakt darüber angeordneten Kanäle 2 der Mischerplatte 20. Ebenso gelangt das Fluid B von den Bohrungen der Verteilerstruktur 28 in die exakt darüber angeordneten Kanäle 3. Die in den Fluidkanälen 2, 3 getrennt geführten Fluidströme A, B werden in der Einlaßkarnmer 4 zusammengeführt unter Bildung abwechselnd benachbarter Fluidlamellen der Folge ABAB. Bedingt durch die halbkonkave Form der Einlaßkammer 4 werden die vereinigten Fluidströme rasch in den Fokussierungskanal 5 überführt. Der so gebildete fokussierte Gesamtfluidstrom wird tangential in die Wirbelkammer 6 als Fluidstrahl eingeleitet. Es bildet sich in der Wirbelkammer 6 eine konzentrisch nach innen strömende Fluidspirale 100 aus. Die gebildete Mischung der Fluide A, B wird durch die sich über dem Mittelpunkt der Wirbelkammer 6 befindliche Abführungsbohrung 25 der Deckplatte 21 abgeleitet.During the actual mixing process, a fluid A and a fluid B are introduced into the feed bore 23 and into the feed bore 24 of the cover plate 21. These fluids each flow through the feed structures 23 ', 23 ", 23'" and 24 ', 24 ", 24'" of the plates 20, 26 and 22 and from there are evenly distributed into the distributor structures 27 and 28 designed as bores. From the bores of the distributor structure 27, the fluid A flows into the channels 2 of the mixer plate 20 arranged exactly above it. Likewise, the fluid B arrives from the bores of the distributor structure 28 into the channels 3 arranged exactly above it A, B are brought together in the intake manifold 4 to form alternately adjacent fluid lamellae of the sequence ABAB. Due to the semi-concave shape of the inlet chamber 4, the combined fluid flows are quickly transferred into the focusing channel 5. The focused total fluid flow thus formed is introduced tangentially into the swirl chamber 6 as a fluid jet. A fluid spiral 100 flowing concentrically inwards is formed in the swirl chamber 6. The mixture of fluids A, B formed is formed by the above the center of the Vortex chamber 6 located drain hole 25 of the cover plate 21 derived.
Die Figur 2 zeigt eine Mischerplatte 20 mit drei in eine gemeinsame Wirbelkammer 16 einmündenden Fokussierungskanälen 5, 15, 35 in Draufsicht. Die Fokussierungskanäle 5, 15, 35 stehen jeweils mit einer Einlaßkammer 4, 14, 34 fluidisch in Verbindung, in die die abwechselnd benachbarten Fluidkanäle 2, 3; 12, 13; 32, 33 einmünden. Der Übersichtlichkeit halber sind die Fluidkanäle 2, 3; 12, 13; 32, 33 gegenüber der Anordnung in Figur lb vereinfacht dargestellt. Im Gegensatz zur Mischerplatte 20 nach Figur lb sind hier die Einlaßkammern 4, 14, 34 in der Ebene der Mischerplatte 20 trichterförmig von den Einmündungen der Fluidkanäle 2, 3; 12, 13; 32, 33 auf den Fokussierungskanal 5, 15, 35 zulaufend ausgebildet. Die Fokussierungskanäle 5, 15, 35 selbst verengen sich in ihrer Breite bis hin zur Einmündung in die gemeinsame Wirbelkammer 16. Die der Zuführung der einzelnen und der vereinigten Fluidströme dienenden Anordnungen aus Fluidkanälen 2, 3; 12, 13; 32, 33, aus Einlaßkammern 4, 14, 34 und Fokussierungskanälen 5, 15, 35 sind am Umfang der in der gezeigten Ebene kreisrunden gemeinsamen Wirbelkammer 16 derart äquidistant angeordnet, daß die Fokussierungskanäle 5, 15, 35 tangential in diese einmünden. In der über der Mischplatte 20 befindlichen Deckplatte und über dem Mittelpunkt der gemeinsamen Wirbelkammer ist ein Auslaßkanal 7 angeordnet, dessen Lage hier mit einer gestrichelten kreisrunden Linie angedeutet ist. Die getrennte Zuführung der Fluide in die Fluidkanäle erfolgt durch eine Boden- und Verteilerplatte analog der in der in Figur la gezeigten Anordnung. Die Zuführungen können so ausgelegt sein, daß den Fluidkanälen 2, 12, 32 für das eine Fluid und den Fluidkanälen 3, 13, 33 für das weitere Fluid jeweils das gleiche Fluid zugeführt wird, so daß der statische Mikrovermischer zur Vermischung zweier Fluide verwendbar ist. Es ist jedoch auch denkbar die Zuführungen so auszulegen, daß mit dem Mikrovermischer drei oder mehr Fluide gemischt werden können. Hier bieten sich unterschiedlichste Möglichkeiten der Zuführung an. Als ein Beispiel wird hier die Ausbildung von Fluidlamellen der Abfolge ABACAB in der gemeinsamen Wirbelkammer 16 erläutert.FIG. 2 shows a mixer plate 20 with three focusing channels 5, 15, 35 opening into a common swirl chamber 16 in plan view. The focusing channels 5, 15, 35 are each in fluid communication with an inlet chamber 4, 14, 34 into which the alternatingly adjacent fluid channels 2, 3; 12, 13; 32, 33 merge. For the sake of clarity, the fluid channels 2, 3; 12, 13; 32, 33 in simplified form compared to the arrangement in FIG. 1b. In contrast to the mixer plate 20 according to FIG. 1b, the inlet chambers 4, 14, 34 in the plane of the mixer plate 20 are funnel-shaped from the openings of the fluid channels 2, 3; 12, 13; 32, 33 formed tapering to the focusing channel 5, 15, 35. The focusing channels 5, 15, 35 themselves narrow in their width up to the junction with the common vortex chamber 16. The arrangements of fluid channels 2, 3; 12, 13; 32, 33, from inlet chambers 4, 14, 34 and focusing channels 5, 15, 35 are arranged equidistantly on the circumference of the common vortex chamber 16, which is circular in the plane shown, such that the focusing channels 5, 15, 35 open tangentially into them. An outlet channel 7 is arranged in the cover plate located above the mixing plate 20 and above the center of the common swirl chamber, the position of which is indicated here by a dashed circular line. The fluids are fed separately into the fluid channels by means of a base and distributor plate analogous to the arrangement shown in FIG. The feeds can be designed in such a way that the fluid channels 2, 12, 32 for one fluid and the fluid channels 3, 13, 33 for the other fluid are each supplied with the same fluid, so that the static micromixer can be used to mix two fluids. However, it is also conceivable to design the feeds in such a way that three or more fluids can be mixed with the micromixer. Bid here different supply options. The formation of fluid lamellae of the sequence ABACAB in the common swirl chamber 16 is explained here as an example.
Die Figur 3 zeigt in Draufsicht eine Mischerplatte 20 mit einer Wirbelkammer 16, in die zwei Fokussierungskanäle 5, 15 und zwei Zuführkanäle 9a, 9b einmünden. Die Fokussierungskanäle 5, 15 stehen jeweils mit einer Einlaßkammer 4, 14 fluidisch in Verbindung, in die die abwechselnd benachbarten Fluidkanäle 2, 3; 12, 13 einmünden. Auch hier sind der Übersichtlichkeit halber die Fluidkanäle 2, 3; 12, 13 gegenüber der Anordnung in Figur lb vereinfacht dargestellt. Im Gegensatz zur Mischerplatte 20 nach Figur lb sind hier die Einlaßkammern 4, 14 in der Ebene der Mischerplatte 20 trichterförmig von den Einmündungen der Fluidkanäle 2, 3; 12, 13 auf den Fokussierungskanal 5, 15 zulaufend ausgebildet. Die Fokussierungskanäle 5, 15 selbst verengen sich in ihrer Breite bis hin zur Einmündung in die gemeinsame Wirbelkammer 16. Die der Zuführung der einzelnen und der vereinigten Fluidströme dienenden Anordnungen aus Fluidkanälen 2, 3; 12, 13, aus Einlaßkammern 4, 14 Fokussierungskanälen 5, 15 und Zuführkanälen 9a, 9b sind äquidistant am Umfang der in der gezeigten Ebene kreisrunden gemeinsamen Wirbelkammer 16 derart angeordnet, daß die Fokussierungskanäle 5, 15 und die Zuführkanäle 9a, 9b jeweils abwechselnd tangential in diese einmünden. In der über der Mischplatte 20 befindlichen Deckplatte und über dem Mittelpunkt der gemeinsamen Wirbelkammer ist ein Auslaßkanal 7 angeordnet, dessen Lage hier mit einer gestrichelten kreisrunden Linie angedeutet ist. Die getrennte Zuführung der Fluide in die Fluidkanäle und die Zuführkanäle 9a, 9b erfolgt durch eine Boden- und Verteilerplatte analog der in der in Figur la gezeigten Anordnung. Die Zuführungen können so ausgelegt sein, daß den Fluidkanälen 2, 12 ein erstes Fluid, den Fluidkanälen 3, 13 ein zweites Fluid und den Zuführkanälen 9a, 9b ein drittes Fluid, beispielsweise ein Hilfsstoff, zugeführt wird, so daß der statische Mikrovermischer zur Vermischung zweier Fluide unter gleichzeitiger Zugabe eines die Mischung stabilisierenden Hilfsstoffes verwendbar ist. Auch in diesem Ausf hrungsbeipiel ist es denkbar die Zuführungen so auszulegen, daß mit dem Mikrovermischer drei oder mehr Fluide unter gleichzeitiger Zugabe eines die Mischungstabilisierenden Hilfsstoffes gemischt werden können. Hier bieten sich unterschiedlichste Möglichkeiten der Zuführung an. Als ein Beispiel wird hier die Ausbildung von Fluidlamellen der Abfolge ABACAD in der gemeinsamen Wirbelkammer 16 erläutert.FIG. 3 shows a top view of a mixer plate 20 with a swirl chamber 16, into which two focusing channels 5, 15 and two feed channels 9a, 9b open. The focusing channels 5, 15 are each in fluid communication with an inlet chamber 4, 14 into which the alternately adjacent fluid channels 2, 3; 12, 13 merge. For the sake of clarity, the fluid channels 2, 3; 12, 13 compared to the arrangement shown in Figure lb simplified. In contrast to the mixer plate 20 according to FIG. 1b, here the inlet chambers 4, 14 are funnel-shaped in the plane of the mixer plate 20 from the openings of the fluid channels 2, 3; 12, 13 designed tapering to the focusing channel 5, 15. The focusing channels 5, 15 themselves narrow in their width up to the junction in the common swirl chamber 16. The arrangements of fluid channels 2, 3; 12, 13, from inlet chambers 4, 14 focusing channels 5, 15 and feed channels 9a, 9b are arranged equidistantly on the circumference of the swirl chamber 16, which is circular in the plane shown, in such a way that the focusing channels 5, 15 and the feed channels 9a, 9b alternately tangentially in flow into this. An outlet channel 7 is arranged in the cover plate located above the mixing plate 20 and above the center of the common swirl chamber, the position of which is indicated here by a dashed circular line. The separate supply of the fluids into the fluid channels and the supply channels 9a, 9b is carried out by a base and distributor plate analogous to the arrangement shown in FIG. The feeds can be designed such that a first fluid is fed to the fluid channels 2, 12, a second fluid to the fluid channels 3, 13 and a third fluid, for example an auxiliary, to the feed channels 9a, 9b, so that the static micromixer is used to mix two Fluids with simultaneous addition one of the mixture stabilizing auxiliary can be used. In this exemplary embodiment, too, it is conceivable to design the feeds in such a way that three or more fluids can be mixed with the micromixer with the simultaneous addition of an auxiliary agent which stabilizes the mixture. A wide variety of feeding options are available here. The formation of fluid lamellae of the sequence ABACAD in the common swirl chamber 16 is explained here as an example.
Die Figur 4 zeigt eine Mischerplatte 20 zur Herstellung von gas-flüssig- Dispersionen mit vier in eine gemeinsame Wirbelkammer 16 einmündenden Fokussierungskanälen 5, 15, 35, 45 in Draufsicht. Im Gegensatz zur Mischerplatte 20 nach Figur 2 münden zwei Fokussierungskanäle 15, 45 für die Einleitung von Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsmischungen annähernd tangential und zwei weitere Fokussierungskanäle 5, 35 für die Einleitung von Gasen oder Gasgemischen in einem steileren Winkel in die Wirbelkammer 6 ein. Die Fokussierungskanäle 5, 15,' 35, 45 stehen jeweils mit einer Einlaßkammer 4, 14, 34, 44 fluidisch in Verbindung, in die die abwechselnd benachbarten Fluidkanäle 2, 3, 32, 33, 42, 43, 52, 53 einmünden. Der Übersichtlichkeit halber sind die Fluidkanäle 2, 3, 32, 33, 42, 43, 52, 53 auch in dieser Figur gegenüber der Anordnung in Figur lb vereinfacht dargestellt.FIG. 4 shows a mixer plate 20 for producing gas-liquid dispersions with four focusing channels 5, 15, 35, 45 opening into a common swirl chamber 16 in a top view. In contrast to the mixer plate 20 according to FIG. 2, two focusing channels 15, 45 for the introduction of liquids or liquid mixtures open approximately tangentially and two further focusing channels 5, 35 for the introduction of gases or gas mixtures into the swirl chamber 6 at a steeper angle. The focusing channels 5, 15, '35, 45 communicate respectively with an inlet chamber 4, 14, 34, 44 fluidically in which the alternating adjacent fluid channels 2, 3, 32, 33, 42, 43, 52, 53 open into compound. For the sake of clarity, the fluid channels 2, 3, 32, 33, 42, 43, 52, 53 are also shown in simplified form in this figure compared to the arrangement in FIG. 1b.
Die Figur 5 zeigt einen Teilschnitt durch einen statischen Mikrovermischer 1, der eine zylindrische Wirbelkammer 116 aufweist, in die eine Vielzahl von Fokussierungskanälen 105, 105' - 105"', 115, 115' - 115"', 135, 135 - 135"' in mehreren Ebenen im wesentlichen tangential münden. Hierzu sind mehrere Mischerplatten 120, 121, 122 unter Zwischenlegen von Distanzplatten 125 übereinander gestapelt.FIG. 5 shows a partial section through a static micromixer 1, which has a cylindrical swirl chamber 116 into which a plurality of focusing channels 105, 105 '- 105 "', 115, 115 '- 115"', 135, 135 - 135 "' Merging essentially tangentially in several planes For this purpose, a plurality of mixer plates 120, 121, 122 are stacked one above the other with spacer plates 125 interposed.
Die Zuführung unterschiedlicher Gesamtfluidströme in die Wirbelkammer 116 erfolgt alternierend über die Fokussierungskanäle einer Ebene oder alternierend über die Fokussierungskanäle unterschiedlicher Ebenen. Um die Ausbildung spiraliger Strömungsmuster zu unterstützen, werden die Fluidströme annähernd tangential in die Wirbelkammer 116 eingeleitet. Die Zuführung der vereinigten Fluidströme von den Einlaßkammern in die Fokussierungskanäle erfolgt durch senkrechte Bohrungen durch die Mischer- und Distanzplatten 120, 121, 122 bzw. 125. Die Bohrungen durchdringen eine definierte Zahl von Misch- und Distanzplatten und stellen so die fluidische Verbindung zu einer spezifischen Ebene von Fokussierungskanälen her. Die Abführung der Fluidströme aus der Wirbelkammer findet über einen zentralen Auslaß an der unteren Stirnfläche der Wirbelkammer statt. Dadurch wird der Strömung eine Geschwindigkeitskomponente entlang der Zylinderachse überlagert und es kommt zur Ausbildung helikaler statt spiralförmiger Stromlinien.Different total fluid flows are fed into the swirl chamber 116 alternately via the focusing channels of one level or alternately via the focusing channels of different levels. To the training To support spiral flow patterns, the fluid flows are introduced approximately tangentially into the swirl chamber 116. The supply of the combined fluid flows from the inlet chambers into the focusing channels takes place through vertical bores through the mixer and spacer plates 120, 121, 122 and 125. The bores penetrate a defined number of mixer and spacer plates and thus provide the fluidic connection to a specific one Level from focusing channels. The discharge of the fluid flows from the swirl chamber takes place via a central outlet on the lower end face of the swirl chamber. As a result, a velocity component is superimposed on the flow along the cylinder axis and helical rather than spiral streamlines are formed.
Ausführungsbeispielembodiment
Der in den Figuren 1 a und 1 b dargestellte statische Mikrovermischer wurde mittels mikrostrukturierter Glasplatten realisiert. Die Mischerplatte 20 und die Verteilerplatte 26 wiesen jeweils eine Stärke von 150 μm und die abschließenden Bodenplatte 22 und Deckplatte 21 jeweils eine Stärke von 1 mm auf. Als Zuführungen 23, 23', 23", 24, 24', 24" in der Deckplatte 21, der Mischerplatte 20 und der Verteilerplatte 26 wurden Bohrungen mit einem Durchmesser von 1,6 mm gewählt. Die Verteilerplatte 26 wies als Verteilerstrukturen 27, 28 zwei Reihen von je 15 Langlöchern einer Länge von 0,6 mm und einer Breite von 0,2 mm auf. Die Fluidkanäle 2, 3 der Mischerplatte 20 wiesen eine Breite von 60 μm bei einer Länge von 11,3 mm bzw. einer Länge von 7,3 mm auf. Im Bereich der Einmündung der Kanäle 2,3 in die Einlaß kammer 4 wiesen die sich zwischen den Kanälen 2,3 befindenden Stege eine Breite von 50 μm auf. Die Breite der Einlaßkammer 4 im Bereich der Einmündung der Fluidkanäle 2, 3 reduzierte sich von 4,3 mm hin zur gegenüberliegenden Seite auf eine Breite des Fokussierungskanals von 0,5 mm. Da alle Strukturen der Mischerplatte 20 als Durchbrüche realisiert wurden, weisen die Fluidkanäle 2, 3, die Einlaßkammer 4, der Fokussierungskanal 5 und die Wirbelkammer 6 eine Tiefe auf, die gleich der Stärke der Mischerplatte von 150 μm ist. Die Länge der Einlaßka mer 4, d.h. der Abstand zwischen der Einmündung der Fluidkanäle 2, 3 und der Einmündung des Fokussierungskanals 5, betrug nur 2,5 mm, um ein rasches Ableiten und Fokussieren der vereinigten Fluidströme zu ermöglichen. Das Verhältnis der Querschnittsfläche des Fokussierungskanals zu der Summe der Querschnittsflächen der Fludikanäle 2, 3 betrug damit 1 zu 3,6. Mit einer Länge von 2,5 mm des Fokussierungskanals 5 wurde ein Verhältnis von Länge zu Breite von 5 zu 1 erzielt. Der Fokussierungskanal 5 ging in Längserstreckung in die kanalartig ausgebildete Wirbelkammer 6 einer Länge von 24,6 mm und einer Breite von 2,8 mm über. Der Öffhungswinkel der Seitenflächen der Wirbelkammern 6 im Übergangsbereich zwischen der Wirbelkammer 6 und des Fokussierungskanals 5 betrug 126,7°. Die vier in der Figur 1 a dargestellten Platten besaßen eine Außenabmessung von 26 x 76 mm. Die Platten wurden fotolithographisch unter Verwendung von fotostrukturierbarem Glas mittels eines Verfahrens, wie es in Microelectronic Engineering 30 (1996), S. 497-504 beschrieben ist, strukturiert. Die Platten wurden durch anodisches Bonden fluidisch dicht miteinander verbunden. The static micromixer shown in FIGS. 1 a and 1 b was realized by means of micro-structured glass plates. The mixer plate 20 and the distributor plate 26 each had a thickness of 150 μm and the final base plate 22 and cover plate 21 each had a thickness of 1 mm. Bores with a diameter of 1.6 mm were selected as feeders 23, 23 ', 23 ", 24, 24', 24" in the cover plate 21, the mixer plate 20 and the distributor plate 26. The distributor plate 26 had two rows of 15 elongated holes each with a length of 0.6 mm and a width of 0.2 mm as distributor structures 27, 28. The fluid channels 2, 3 of the mixer plate 20 had a width of 60 μm with a length of 11.3 mm and a length of 7.3 mm. In the area of the mouth of the channels 2,3 in the inlet chamber 4, the webs located between the channels 2,3 had a width of 50 μm. The width of the inlet chamber 4 in the region of the mouth of the fluid channels 2, 3 was reduced from 4.3 mm to the opposite side to a width of the focusing channel of 0.5 mm. Since all structures of the mixer plate 20 have been realized as openings, the fluid channels 2, 3, the inlet chamber 4, the Focus channel 5 and the vortex chamber 6 to a depth that is equal to the thickness of the mixer plate of 150 microns. The length of the inlet valve 4, ie the distance between the confluence of the fluid channels 2, 3 and the confluence of the focusing channel 5, was only 2.5 mm in order to allow the combined fluid streams to be quickly derived and focused. The ratio of the cross-sectional area of the focusing channel to the sum of the cross-sectional areas of the fludica channels 2, 3 was thus 1 to 3.6. With a length of 2.5 mm of the focusing channel 5, a ratio of length to width of 5 to 1 was achieved. The focusing channel 5 merged longitudinally into the channel-like swirl chamber 6 with a length of 24.6 mm and a width of 2.8 mm. The opening angle of the side surfaces of the swirl chambers 6 in the transition region between the swirl chamber 6 and the focusing channel 5 was 126.7 °. The four plates shown in FIG. 1 a had an external dimension of 26 x 76 mm. The plates were structured photolithographically using photostructurable glass using a method as described in Microelectronic Engineering 30 (1996), pp. 497-504. The plates were fluidly sealed together by anodic bonding.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Statischer Mikrovermischer Fluidkanal für Fluid a Fluidkanal für Fluid b Einlaßkammer Fokussierungskanal Wirbelkammer Auslasskanal Konkave Wand Zuführkanal Fluidkanal für Fluid a Fluidkanal für Fluid b Einlaßkammer Fokussierungskanal Wirbelkammer Mischerplatte Deckplatte Bodenplatte Zuführung für Fluid a Zuführung für Fluid b Abführung Verteilerplatte Verteilerstruktur für Fluid a Verteilerstruktur für Fluid b Fluidkanal für Fluid a Fluidkanal für Fluid b Einlaßkammer Fokussierungskanal Fluidkanal für Fluid c Fluidkanal für Fluid d EinlaßkammerStatic micromixer fluid channel for fluid a fluid channel for fluid b inlet chamber focusing channel swirl chamber outlet channel concave wall supply channel fluid channel for fluid a fluid channel for fluid b inlet chamber focusing channel swirl chamber mixer plate cover plate base plate supply for fluid a supply for fluid b discharge distributor plate distributor structure for fluid a distributor structure for fluid b fluid channel for fluid a fluid channel for fluid b inlet chamber focusing channel fluid channel for fluid c fluid channel for fluid d inlet chamber
Fokussierungskanalfocusing channel
Fluidkanal für Fluid cFluid channel for fluid c
Fluidkanal für Fluid dFluid channel for fluid d
Fokussierungskanalfocusing channel
Fluidspirale , 105' Fokussierungskanal , 115' FokussierungskanalFluid spiral, 105 'focusing channel, 115' focusing channel
Wirbelkammerswirl chamber
Mischerplattemixer plate
Mischerplattemixer plate
Mischerplattemixer plate
Nut a, b Verbindungsnut a Verteilernut b VerteilernutGroove a, b connecting groove a distributor groove b distributor groove
Nut a VerbindungsnutGroove a connecting groove
Distanzplatte , 135' Fokussierungskanal Spacer plate, 135 'focusing channel

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Mischen mindestens zweier Fluide, das folgende Schritte umfaßt:1. A method for mixing at least two fluids, comprising the following steps:
Zusammenführen einer Vielzahl getrennter Fluidströme der beiden Fluide unter Bildung abwechselnd benachbarter Fluidlamellen der beiden Fluide,Bringing together a plurality of separate fluid flows of the two fluids to form alternately adjacent fluid lamellae of the two fluids,
Abführen der vereinigten Fluidlamellen unter Ausbildung eines fokussierten Gesamtfluidstroms,Removal of the combined fluid lamellae with formation of a focused total fluid flow,
Einleiten des fokussierten Gesamtfluidstroms als Fluidstrahl in eine Wirbelkammer unter Ausbildung einer nach innen strömenden Fluidspirale,Introducing the focused total fluid flow as a fluid jet into a swirl chamber, forming an inwardly flowing fluid spiral,
Ableiten der gebildeten Mischung aus dem Zentrum der Fluidspirale.Deriving the mixture formed from the center of the fluid spiral.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Fluidströme der beiden Fluide mit jeweils einer Breite im Bereich von 1 μm bis 1 mm und einer Tiefe im Bereich von 10 μm bis 10 mm unter Bildung von Fluidlamellen zusammengeführt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that fluid flows of the two fluids, each with a width in the range from 1 μm to 1 mm and a depth in the range from 10 μm to 10 mm, are combined to form fluid lamellae.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vereinigten Fluidlamellen derart fokussiert werden, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche des fokussierten Gesamtfluidstroms zu der Summe der Querschnittsfϊächen der zusammenzuführenden Fluidlamellen jeweils senkrecht zur Strömungsrichtung im Bereich von3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the combined fluid lamellae are focused such that the ratio of the cross-sectional area of the focused total fluid flow to the sum of the cross-sectional areas of the fluid lamellae to be brought together in each case perpendicular to the flow direction in the range of
1 : 1,5 bis 1 : 500, vorzugsweise im Bereich von 1 : 2 bis 1 : 50, liegt. 1: 1.5 to 1: 500, preferably in the range from 1: 2 to 1:50.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge des fokussierten Gesamtfluidstroms zu seiner Breite im Bereich von 1 : 1 bis 30 : 1, vorzugsweise im Bereich von 1,5 : 1 zu 10 : 1, liegt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the ratio of the length of the focused total fluid flow to its width in the range from 1: 1 to 30: 1, preferably in the range from 1.5: 1 to 10: 1, lies.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der fokussierte Gesamtfluidstrom in eine Wirbelkammer (6) eingeleitet wird, die in der Ebene der sich ausbildenden Fluidspirale eine im wesentlichen runde oder ovale Form besitzt.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the focused total fluid flow is introduced into a swirl chamber (6) which has a substantially round or oval shape in the plane of the fluid spiral being formed.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der fokussierte Gesamtfluidstrom in einem spitzen Winkel oder bevorzugt tangential in die Wirbelkammer (6) eingeleitet wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the focused total fluid flow is introduced at an acute angle or preferably tangentially into the swirl chamber (6).
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die vereinigten Fluidlamellen oder in den fokussierten Gesamtfluidstrom oder in die Wirbelkammer (6) ein weiteres Fluid, beispielsweise ein einen die Mischung stabilisierenden Hilfsstoff aufweisendes Fluid, eingeleitet wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the combined fluid lamellae or in the focused total fluid flow or in the swirl chamber (6) a further fluid, for example a fluid having a mixture stabilizing auxiliary, is introduced.
8. Verfahren nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Verfahrensschritte an mindestens zwei räumlich getrennten Orten jeweils gleichzeitig durchgeführt werden und die so erhaltenen fokussierten Gesamtfluidströme in eine Ebene der Wirbelkammer derart eingeleitet werden, daß sich eine gemeinsame nach innen strömende Fluidspirale bildet, die aus mindestens zwei einzelnen ineinanderliegenden Fluidspiralen gebildet wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the first two method steps are carried out simultaneously at least two spatially separate locations and the focused total fluid flows thus obtained are introduced into a plane of the swirl chamber in such a way that a common inward flowing fluid spiral forms, which is formed from at least two individual fluid spirals lying one inside the other.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Verfahrensschritte an mindestens zwei räumlich getrennten Orten jeweils gleichzeitig durchgeführt werden und die somit erhaltenen fokussierten Gesamtfluidströme in unterschiedlichen Ebenen der Wirbelkammer derart zugeführt werden, daß sich überein- anderliegende nach innen strömende Fluidspiralen bilden.9. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the first two process steps are carried out simultaneously at least two spatially separate locations and the focused total fluid flows thus obtained are fed to the swirl chamber in different planes in such a way that superimposed on each other form fluid spirals flowing inside.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden zwei- oder mehrfach durchgeführten Verfahrensschritten gleiche und/ oder unterschiedliche Fluide verwendet werden.10. The method according to any one of claims 8 or 9, characterized in that the same and / or different fluids are used in the two process steps carried out two or more times.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden zwei- oder mehrfach durchgeführten Verfahrensschritten gleiche und/oder unterschiedliche Gesamtfluidströme in unterschiedlichen Winkeln in die Wirbelkammer (6, 16) eingeleitet werden.11. The method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the same and / or different total fluid flows are introduced at different angles into the swirl chamber (6, 16) in the two process steps carried out two or more times.
12. Statischer Mikrovermischer (1) zum Mischen mindestens zweier Fluide mit12. Static micromixer (1) for mixing at least two fluids with
einer Vielzahl abwechselnd benachbarter Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) zur getrennten Zuführung der Fluide als Fluidlamellen,a multiplicity of alternately adjacent fluid channels (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) for the separate supply of the fluids as fluid lamellae,
mindestens einer Einlaßkammer (4, 34, 44), in die die Fluidkanäle (2,at least one inlet chamber (4, 34, 44) into which the fluid channels (2,
3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) einmünden, und3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) open, and
einem mit der Einlaßkammer (4, 34, 44) fluidisch in Verbindung stehenden Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') zum Abführen der in der Einlaßkammer (4, 14, 34, 44) vereinigten Fluidlamellen unter Ausbildung eines fokussierten Gesamtfluidstroms,a focusing channel (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115') fluidly connected to the inlet chamber (4, 34, 44) for removing the fluid lamellae combined in the inlet chamber (4, 14, 34, 44) to form a focused total fluid flow,
gekennzeichnet durchmarked by
eine Wirbelkammer (6, 16, 116), in die der Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') derart einmündet, daß der fokussierte Gesamtfluidstrom als Fluidstrahl eintritt unter Ausbildung einer nach innen strömenden Fluidspirale (100), unda vortex chamber (6, 16, 116) into which the focusing channel (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115') opens in such a way that the focused total fluid flow enters as a fluid jet, forming an inward flowing fluid spiral (100), and
mindestens einen mit der Wirbelkammer (6, 16, 116) fluidisch in Verbindung stehenden Auslaßkanal (7) zum Ableiten der gebildeten Mischung.at least one outlet channel (7) fluidly connected to the swirl chamber (6, 16, 116) for discharging the mixture formed.
13. Mikrovermischer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) eine Breite im Bereich von 1 μm bis 1 mm und einer Tiefe im Bereich von 10 μm bis 10 mm aufweisen.13. Micromixer according to claim 12, characterized in that the adjacent fluid channels (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) have a width in the range from 1 μm to 1 mm and a depth in the range have from 10 μm to 10 mm.
14. Statischer Mikrovermischer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkammer (4, 14, 34, 44) eine den Fluidkanälen gegenüberliegende, konkave Wand (8) aufweist, in die der Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') mittig einmündet.14. Static micromixer according to claim 12 or 13, characterized in that the inlet chamber (4, 14, 34, 44) has a concave wall (8) opposite the fluid channels, into which the focusing channel (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115') opens in the middle.
15. Mikrovermischer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkammer (4, 14, 34, 44) einen in Strömungsrichtung konstanten Querschnitt aufweist.15. Micromixer according to claim 12 or 13, characterized in that the inlet chamber (4, 14, 34, 44) has a constant cross section in the flow direction.
16. Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') in Strömungsrichtung einen konstanten oder sich verjüngenden Querschnitt aufweist.16. Micromixer according to one of claims 12 to 15, characterized in that the focusing channel (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115 ') has a constant or tapering cross-section in the direction of flow.
17. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche des Fokussierungskanals (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') zumindest im Bereich der Einmündung in die Wirbelkammer (6, 16, 116) zu der Summe der Querschnittsflächen der in die Einlaßkammer (4, 14, 34, 44) einmündenden Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) jeweils senkrecht zur Kanalachse im Bereich von 1 : 1,5 bis 1 : 500, vorzugsweise im Bereich von 1 : 2 bis 1 : 50, liegt.17. Static micromixer according to one of claims 12 to 16, characterized in that the ratio of the cross-sectional area of the focusing channel (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115') at least in the region of the confluence with the vortex chamber ( 6, 16, 116) to the sum of the cross-sectional areas of the fluid channels (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) opening into the inlet chamber (4, 14, 34, 44) each perpendicular to the Channel axis is in the range from 1: 1.5 to 1: 500, preferably in the range from 1: 2 to 1:50.
18. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge des Fokussierungskanals (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') zu seiner Breite zumindest im Bereich der Einmündung in die Wirbelkammer (6, 16, 116) vorliegenden Breite im Bereich von 1 : 1 bis 30 : 1, vorzugsweise im Bereich von 1,5 : 1 zu 10 : 1, liegt.18. Static micromixer according to one of claims 12 to 17, characterized in that the ratio of the length of the focusing channel (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115') to its width at least in the region of the confluence the width of the vortex chamber (6, 16, 116) is in the range from 1: 1 to 30: 1, preferably in the range from 1.5: 1 to 10: 1.
19. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (6, 16, 116) in einer Ebene, in der der Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') liegt, einen im wesentlichen runden oder ovalen Querschnitt aufweist.19. Static micromixer according to one of claims 12 to 18, characterized in that the swirl chamber (6, 16, 116) in a plane in which the focusing channel (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115 '), has a substantially round or oval cross-section.
20. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (6, 16, 116) eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist. 20. Static micromixer according to one of claims 12 to 19, characterized in that the swirl chamber (6, 16, 116) has a substantially cylindrical shape.
21. Mikrovermischer nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmesser der Wirbelkammer (6, 16, 116) 2 mm bis 20 cm, vorzugsweise 5 mm bis 10 cm beträgt.21. Micromixer according to claim 20, characterized in that the pressure gauge of the swirl chamber (6, 16, 116) is 2 mm to 20 cm, preferably 5 mm to 10 cm.
22. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb und/oder oberhalb eines zentralen Bereichs der Wirbelkammer (6, 16, 116) ein oder mehrere Auslaßkanäle (7) einmünden.22. Static micromixer according to one of claims 12 to 21, characterized in that below and / or above a central region of the swirl chamber (6, 16, 116) one or more outlet channels (7) open out.
23. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53), die Einlaßkammer (4, 14, 34, 44), der Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') und die Wirbelkammer (6, 16, 116) in einer Ebene angeordnet sind und die gleiche Tiefe aufweisen.23. Static micromixer according to one of claims 12 to 22, characterized in that the fluid channels (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53), the inlet chamber (4, 14, 34, 44 ), the focusing channel (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115') and the swirl chamber (6, 16, 116) are arranged in one plane and have the same depth.
24. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß in die Eintrittskammer (4, 14, 34, 44), den Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') oder die Wirbelkammer (6, 16, 116) ein oder mehrere Zufuhrkanäle (9a, 9b) zum Zuführen eines weiteren Fluids, beispielsweise ein einen die Mischung stabilisierenden Hilfsstoff aufweisendes Fluid, einmünden.24. Static micromixer according to one of claims 12 to 23, characterized in that in the inlet chamber (4, 14, 34, 44), the focusing channel (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115') or the swirl chamber (6, 16, 116) opens into one or more supply channels (9a, 9b) for supplying a further fluid, for example a fluid having an auxiliary substance stabilizing the mixture.
25. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') in einem spitzen Winkel oder bevorzugt tangential in die Wirbelkammer (6, 16, 116) einmündend angeordnet ist.25. Static micromixer according to one of claims 12 to 24, characterized in that the focusing channel (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115') at an acute angle or preferably tangentially into the swirl chamber (6, 16, 116) is arranged at the mouth.
26. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl benachbarter Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53), die Einlaßkammer (4, 14, 34, 44), in die die Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) einmünden, und der mit der Einlaßkammer (4, 14, 34, 44) fluidisch in Verbindung stehende Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') jeweils zwei- oder mehrfach vorhanden sind und die zwei oder mehr Fokussierungskanäle (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') in einer Ebene in die eine gemeinsame Wirbelkammer (6, 16, 116) einmünden.26. Static micromixer according to one of claims 12 to 25, characterized in that the plurality of adjacent fluid channels (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53), the inlet chamber (4, 14, 34, 44) into which the fluid channels (2, 3, 12, 13, 32, 33 , 42, 43, 52, 53), and the focusing channel (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115'), which is in fluid communication with the inlet chamber (4, 14, 34, 44), respectively are present two or more times and the two or more focusing channels (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115') open in one plane into which a common swirl chamber (6, 16, 116) opens.
27. Statischer Mikrovermischer nach den Ansprüchen 12 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl benachbarter Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53), die Einlaßkammer (4, 14, 34, 44), in die die Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) einmünden, und der mit der Einlaßkammer (4, 14, 34, 44) fluidisch in Verbindung stehende Fokussierungskanal (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') jeweils zwei- oder mehrfach vorhanden sind und die zwei oder mehr Fokussierungskanäle (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') in mehreren Ebenen in die eine gemeinsame Wirbelkammer (6, 16, 116) einmünden.27. Static micromixer according to claims 12 to 26, characterized in that the plurality of adjacent fluid channels (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53), the inlet chamber (4, 14, 34, 44) into which the fluid channels (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) open, and the focusing channel (4, 14, 34, 44) which is in fluid communication with the inlet chamber (4, 14, 34, 44) 5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115') are each present two or more times and the two or more focusing channels (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115') open into several levels into a common vortex chamber (6, 16, 116).
28. Statischer Mikrovermischer nach Anspruch 26 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei oder mehrfach vorhandenen Fokussierungskanäle ( 5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') in unterschiedlichen Winkeln in die Wirbelkammer (6, 16, 116) einmünden.28. Static micromixer according to claim 26 or 28, characterized in that the two or more focusing channels (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115') at different angles in the swirl chamber (6, 16, 116) flow into.
29. Statischer Mikrovermischer nach einem der Ansprüche 12 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidführungsstrukturen, wie die Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53), die Einlaßkammern (4, 14, 34, 44), die Fokussierungskanäle (5, 15, 35, 45, 105, 105' , 115, 115'), Zuführungen (23, 23', 23", 23' ", 24, 24', 24", 24' ") und die Wirbelkammern (6, 16, 116), als Ausnehmungen und/ oder Durchbrüche in Platten aus einem für die zu mischenden Fluide ausreichend inerten Material eingebracht sind und diese offenen Strukturen durch die Stapelung der Platten und durch mindestens eine mit dem Plattenstapel fluidisch dicht verbundene Deck- und/ oder Bodenplatte (21, 22) abgeschlossen sind, wobei die Deck- und/ oder Bodenplatte (21, 22) mindestens eine Zufuhrung (23, 23'", 24, 24'") für die beiden Fluide und/ oder mindestens eine Abführung (25) für die gebildete Mischung aufweisen.29. Static micromixer according to one of claims 12 to 28, characterized in that the fluid guide structures, such as the fluid channels (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53), the inlet chambers (4, 14 , 34, 44), the focusing channels (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115'), feeders (23, 23 ', 23 ", 23'", 24, 24 ', 24 ", 24 '") and the swirl chambers (6, 16, 116), as recesses and / or Breakthroughs in plates made of a material that is sufficiently inert for the fluids to be mixed are introduced and these open structures are completed by the stacking of the plates and by at least one cover and / or bottom plate (21, 22) that is fluidly tightly connected to the plate stack, the Cover and / or base plate (21, 22) have at least one feed (23, 23 '", 24, 24'") for the two fluids and / or at least one drain (25) for the mixture formed.
30. Statischer Mikrovermischer nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch eine zwischen einer Mischerplatte (20) mit Fluidkanälen (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53), Einlaßkammer (4, 14, 34, 44), Fokussierungskanälen (5, 15, 35, 45, 105, 105', 115, 115') und Wirbelkammer (6, 16, 116) und der Bodenplatte (22) angeordnete und mit diesen fluidisch dicht verbundene Verteilerplatte (26) mit den Zuführungen (23", 24") zum getrennten Zuführen der Fluide von den Zuführungen (23'", 24'") in der Bodenplatte (22) in die Fluidkanäle (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53) in der Mischerplatte (20).30. Static micromixer according to claim 29, characterized by an between a mixer plate (20) with fluid channels (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43, 52, 53), inlet chamber (4, 14, 34, 44 ), Focusing channels (5, 15, 35, 45, 105, 105 ', 115, 115') and vortex chamber (6, 16, 116) and the base plate (22) arranged and fluidly connected to this with the distributor plate (26) Feeders (23 ", 24") for separately feeding the fluids from the feeders (23 '", 24'") in the base plate (22) into the fluid channels (2, 3, 12, 13, 32, 33, 42, 43 , 52, 53) in the mixer plate (20).
31. Verwendung des Verfahrens und/oder des statischen Mikrovermischers nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen zum Reagieren mindestens zweier Stoffe, wobei beide Stoffe in einem eingeleiteten Fluid oder ein erster Stoff in einem ersten Fluid und ein zweiter Stoff in einem weiteren eingeleiteten Fluid enthalten sind.31. Use of the method and / or the static micromixer according to one or more of the preceding claims for reacting at least two substances, both substances being contained in an introduced fluid or a first substance in a first fluid and a second substance in a further introduced fluid.
32. Verwendung des Verfahrens und/oder des statischen Mikrovermischers nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen zur Herstellung einer Gas-Flüssig-Dispersion, wobei mindestens ein eingeleitetes Fluid ein Gas oder ein Gas-Gemisch und mindestens ein weiteres eingeleitetes Fluid eine Flüssigkeit, ein Flüssigkeitsgemisch, eine Lösung, eine Dispersion oder eine Emulsion aufweist. 32. Use of the method and / or the static micromixer according to one or more of the preceding claims for producing a gas-liquid dispersion, at least one introduced fluid being a gas or a gas mixture and at least one further introduced fluid being a liquid, a liquid mixture, a solution, a dispersion or an emulsion.
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