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CN1780681A - 静态的分层微混合器 - Google Patents

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CN1780681A CNA2003801053256A CN200380105325A CN1780681A CN 1780681 A CN1780681 A CN 1780681A CN A2003801053256 A CNA2003801053256 A CN A2003801053256A CN 200380105325 A CN200380105325 A CN 200380105325A CN 1780681 A CN1780681 A CN 1780681A
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Abstract

在这里描述一种用于使至少两种液相混合、弥散、乳化或悬浮的静态的分层微混合器，该混合器包括至少一个具有缝隙开口的缝隙板和一个设置在其上的具有小孔缝的小孔板，其缝隙由透穿的开口加工而成。

Description

静态的分层微混合器
本发明涉及一种用于使至少两种液相混合、弥散、乳化或悬浮的微混合器，其中这个混合器必须包括一个具有缝隙开口的缝隙板和一个设置在其上的具有小孔缝的小孔板。这些位于所述缝隙板和小孔板中的缝隙开口由透穿的开口构成。所述开口可以任意成形，该开口最好具有一个简单的几何形状(例如孔或矩形缝隙)。
对于静态微混合器涉及一种微反应技术的关键元件。静态微混合器利用多层原理，用于通过扩散实现液相的快速混合。通过交替设置的薄片的几何结构能够保证在显微范围中的良好混合。在文献中早就描述过由结构化的和周期堆叠的薄板构成的多层混合器；例如对此在德国专利DE 44 16 343，DE 195 40 292和德国专利申请DE 19928 123中已知。此外德国专利申请DE 199 27 554描述了一种与由结构化的和周期堆叠的薄板构成的多层混合器不同的、用于混合两种或多种离析物的微混合器，其中该混合器具有混合室。每个混合室都具有一个输入腔，在该输入腔上紧连着至少两组指形通道，它们为了形成混合区梳形地嵌入到指形通道之间。在混合区上具有排出缝隙，它们垂直于指形通道延伸并通过它们逸出产品。通过在两个空间方向上并联连接就能够明显地提高流量。
在权利要求1中给出的本发明提出的问题是，微混合器可能添加杂质颗粒并且由此具有堵塞倾向；由于不能实现的清洁方法使得微混合器的添加可能性受到明显的限制。在由平板构成的微混合器中所述平板最好固定地相互连接并且由此不再能够自由地接触到所述微结构；因此不能以简单的方式和方法实现上述微混合器的清理。为了清理一种相应的微混合器必须拆卸所述平板堆叠，这通常是非常费事的。
这个问题通过在权利要求1中描述的静态层式微混合器得以解决，该混合器为了混合至少两种液相包括至少一个具有缝隙开口的缝隙板和一个设置在其上的具有小孔缝的小孔板。所述缝隙开口通常由透穿的开口构成。
通过本发明实现的优点是，所述静态的层式微混合器可以经济地制成，易于清洁并且使要被混合的液体迅速且有效地相互混合。此外压力损失小到也可以应用于大流量。
本发明的有利改进方案在权利要求2和后面的权利要求中给出。按照权利要求2，所述小孔板中的小孔缝的数量和/或所述缝隙板中的缝隙开口的数量多于1。按照权利要求3，在缝隙板的缝隙开口中这样导引由不同的液体分布区域引出的液流，使得该液流进入到位于上方的缝隙板或小孔板的缝隙开口中。按照权利要求5这些液相一起进入到小孔板的缝隙开口中。所述缝隙板中的缝隙开口在此可以相互平行错开地和/或以一个周期的图案相互设置。按照权利要求6通过适当的几何形状和取向，缝隙板中的缝隙开口结构有利于产生二次影响(Sekundaereffekt)。这些二次影响例如可以通过板后面的涡流分离或者通过来自输入管道的横向分量产生。由此使二次通流叠加到通过扩散产生的分子表面上的混合之上，这使得扩散路径缩短并由此使混合时间缩短。按照权利要求7所述缝隙开口可以相互间倾斜地设置。另一改进方案允许所述缝隙开口漏斗形地或者瓣形地构成。所述形状的这种方案适宜使压力均匀地分布在输送通道中。这是在整个结构部件中产生均匀的混合品质的前提。此外可以使多个缝隙板和/或小孔板紧挨着上下错开地相互设置。按照权利要求9如果安装紧挨着上下放置或错开设置的缝隙板和/或小孔板，则可以实现液流的转向。按照权利要求11的转向作用可以用于使一个或多个液流有目的地向着一个或多个液流的配量位置导引。
按照权利要求12所述混合腔可以安置在小孔板的上方。按照权利要求13也可以使所述小孔板中的小孔缝相互平行错开地和/或以一个周期式的图形相互设置。根据本发明的另一改进方案，可以使所述缝隙板中的缝隙开口和所述小孔板中的小孔缝以任意的角度、最好90°相互旋转地设置。按照权利要求15还可以使所述缝隙板中的缝隙开口和所述小孔板中的小孔缝具有一个小于500μm的宽度。为了改善在液体混合、乳化或悬浮时的结果尤其选择缝隙开口的宽度小于100μm。在所述缝隙板中的缝隙开口的宽度在混合器的基本型式中对于所有液相都是相同的。但是已经证实，在不同液体粘度的液体组合时、和/或在体积流相互间处于不同于1∶1的比例时有利的是，在所述缝隙板中的缝隙开口的宽度和/或形状和横截面对于不同的液体是不同的。另一有利的方案是，所述缝隙板和小孔板可以局部地或全部地由金属、玻璃、陶瓷和塑料或者由这些材料的组合物制成。按照权利要求17所述缝隙板和小孔板可以通过冲裁、模压、铣削、腐蚀、刻蚀、等离子刻蚀、激光切割、激光烧蚀或者通过LIGA技术、但是最好通过激光切割或LIGA技术进行加工。另一有利的方案允许所述缝隙板和小孔板由一堆叠微型结构化的薄板构成；这些结构化的的薄板可以材料配合连接地通过钎焊、焊接、扩散焊接或粘接或者传力连接地通过螺栓、挤压(例如在一个外壳中)或者铆接相互连接起来。按照权利要求20的一个优选方案所述小孔板中的小孔缝和所述缝隙板中的缝隙开口可以分支地构成。按照权利要求21可以将这样得到的静态微混合器安置在一个为其所设置的外壳中。按照权利要求22所述外壳可以包含通道并因此能够实现液体的空间分布。按照权利要求23这些通道可以相互平行地、径向地、同心地或前后地设置。为了使速度沿着通道适当地分布，有利的是，按照权利要求24使通道的横截面在其长度上保持不变或者改变。
按照权利要求25所述微混合器可以单独地或者作为一个模块式构成的装置的组成部分用于进行物理的或者化学的转换，或者按照权利要求26与其它的功能模块一起组合成一个构件。
在附图中示出本发明的实施例并在下面详细描述。
附图中：
图1是由一个缝隙板和一个小孔板组成的静态微混合器的示意图；
图2a示出一个静态层式微混合器的分解图，它由外壳底部部件(10)、输入通道(11)、缝隙板(20)和小孔板(30)组成；
图2b示出一个静态层式微混合器的视图，它由外壳底部部件(10)、输入通道(11)、缝隙板(20)和小孔板(30)组成；
图3a示出一个静态层式微混合器的输入通道(11)、缝隙开口(22a，22b)和小孔缝(31)的俯视图；
图3b示出在一个静态层式微混合器的一个缝隙板(20)中的不同几何形状和取向的缝隙开口(22)的俯视图；
图3c示出在一个静态层式微混合器的一个缝隙板(20)中的不同几何形状和取向的缝隙开口(22)的俯视图；
图3d示出在一个缝隙板(20)中的不同几何形状和取向的缝隙开口(22)的俯视图，其中用于两种液体的缝隙开口在缝隙板平面中搭接；
图3c示出在一个缝隙板(20)中的不同几何形状和取向的缝隙开口(22)的俯视图，其中缝隙开口具有不同的宽度和形状；
图3f示出在一个缝隙板(20)中的不同几何形状和取向的缝隙开口(22)的俯视图，其中缝隙开口、小孔缝(31)和/或输入通道(11)具有不同的和变化的宽度和形状；
图4a示出一个静态的层式微混合器的俯视图，它由外壳底部部件(10)、缝隙板(20)和小孔板(30)组成；
图4b示出一个静态的层式微混合器的俯视图；
图5示出一个静态的微混合器的分解图；
图6示出一个从下面看去的静态微混合器的分解图；
图7a示出外壳底部部件(10)的示意图；
图7b示出沿着平面B-B的外壳底部部件(10)的横截面图；
图7c示出沿着平面C-C的外壳底部部件(10)的横截面图；
图8a示出一个静态的微混合器的示意图，它具有两个不同的缝隙板和相互错开设置的缝隙开口(22，23)；
图8b示出一个组装的静态层式微混合器的示意图，它具有两个不同的缝隙板；
图9a示出层式微混合器的分解图，它具有平行错开布置的通道结构用于散开外壳中的液体；
图9b示出层式微混合器的分解图，它具有径向同心的通道结构用于散开外壳中的液体；
图10示出一个层式微混合器(60)(参见图9a)作为与一个热交换单元(70)组合到一起的工艺装置的组成部分。
图1示出一个静态层式微混合器的示意图，它由底部部件10、一个缝隙板20和一个小孔板30组成。所述底部部件10包括用于液体A的输入通道11a和用于液体B的输入通道11b。所述缝隙板20具有用于液体A和B的缝隙开口22a和22b，它们由输入通道11a和11b供液。具有一个小孔缝31的小孔板30位于所述缝隙板20的上方。该小孔板30在此遮盖缝隙开口22a和22b的外部区域，而缝隙开22a和22b的中间区域与小孔缝31搭接并由此保持流通。
图2a示出一个静态微混合器的分解图，它由底部部件10、输入通道11a和11b、缝隙板20和小孔板30组成。所述输入通道11a和11b分别含有液体A和B；具有缝隙开口22a和22b的缝隙板20位于这些输入通道上方。所述小孔板30位于缝隙板的上方，该小孔板的小孔缝与缝隙开口22a和22b成90°角地设置。
图2b示出一个静态微混合器的示意图，与图2a一样，它由底部部件10、缝隙板20和小孔板30组成。
图3a以缝隙区21的形式示出以双排设置的缝隙开口22a和22b。这些缝隙区21通过输入通道11a和11b供以液体。该缝隙开口22a的一半与输入通道11a搭接，而另一半与输入通道11b搭接。在双排的中间部位中所述缝隙开口22与安置在位于其上方的小孔缝31搭接。如图所示，所述缝隙开22也可以倾斜地设置。
图3b、图3c、图3d、图3e和图3f示出具有不同几何结构和取向的缝隙开口22。所述输入通道11位于缝隙开口下方。所述小孔缝31位于缝隙开口上方。所述输入通道11和小孔缝31的横截面可以沿着其走向变化(见图3f)。所述缝隙开口22可以漏斗形地扩展。所述缝隙开口22的宽度和形状可以在液体之间(见图3e)和液体内部(见图3f)变化。
图4a示出外壳底部部件10的俯视图。该外壳底部部件10配有大量的缝隙形输入通道11a和11b，它们交替地向右或向左偏移地示出。由黑线条表示的缝隙区21位于设置在底部部件上方的缝隙板20中；所述缝隙区21在此分别定位在两个输入通道11a与11b之间，因此使这个缝隙区被两个输入通道搭接。位于缝隙板上方的小孔板30的小孔缝31中间地位于缝隙板20的缝隙区21上面。
图4b示出由输入通道11a和11b、缝隙区21和小孔缝31的示意结构。
图5示出一个静态层式微混合器的分解图；该微混合器由外壳底部部件10和外壳顶部部件40组成。所述缝隙板20和小孔板30位于外壳底部部件10与外壳顶部部件40之间。一个槽13位于外壳底部部件10中，在该槽中可以嵌入一个密封环50，用于使微混合器相对于外界密封。所述外壳底部部件10和外壳顶部部件40分别配有用于固定部件44的开孔，通过该固定部件可以使这两者相互固定。所述外壳底部部件10在外表面上包括两个用于要被混合的液体A和B的液体流入通道12a和12b。在外壳底部部件10的上表面上加工出许多缝隙形的输入通道11a和11b，它们交替地向着所述一侧或者所述另一侧延长地构成，并因此可以供以液体A和液体B。所述缝隙板20包括许多缝隙区21；在缝隙板20的上方安置小孔板30，该小孔板具有许多小孔缝31。所述外壳顶部部件40包括一个用于排出所获得的混合物的液体出口42。
图6与图5类似以从下面看去的角度示出一个静态层式微混合器的分解图。所述外壳顶部部件40包括一个大的混合腔45，所述小孔板30的所有小孔缝31通入到该混合腔中。为了支承小孔板30，在外壳顶部部件40中设置许多支承结构41。
图7a示出所述外壳底部部件10的示意图。该外壳底部部件10配有用于要被混合的液体A和B的输入通道11a和11b。在外壳底部部件的外侧面上存在液体入口12a和12b。在外壳底部部件10的四个角上的空隙44构成外壳底部部件的固定。
图7b示出沿着图7a中的B-B线的外壳底部部件10的截面图。所述入口12a在用于液体A的液体流入通道14中是连续的。用于液体的输入通道11a位于液体流入通道14的上侧面上。一个用于嵌入一个密封环的槽13位于外壳底部部件10的上侧面上。
图7c示出沿着图7a中的C-C线的外壳底部部件10的截面图。用于液体A的输入通道11a和用于液体B的输入通道11b交替地平行延伸，而不存在这两个输入通道之间的横向连接。一个用于嵌入一个密封环的槽13仍然位于外壳底部部件10的上侧面上。
图8a示出一个静态层式微混合器的示意图，它具有两种不同的缝隙开口22a/22b和23a/23b。所述第一缝隙板的缝隙开口22a和22b构成用于具有小缝隙开口23a和23b的第二缝隙板的输入通道。所述缝隙开口22a/22b和23a/23b分别相互旋转90°地设置。
图8b示出按照图8a的这种静态微混合器的俯视图，它由两个不同的缝隙板组成，其缝隙开口相互旋转90°。
图9a和9b以分解图示出两个用于层式微混合器的实施例。据此缝隙板中的缝隙开口、小孔板中的缝隙开口以及用于分布液体的通道圆形或平行错开地设置。
图10示出一个用于层式微混合器的实施例作为一个用于执行物理-化学转换的组合装置的组成部分。在所示情况中层式微混合器(60)与管束热交换器(70)组合成一个结构部件。
                   附图标记列表
10，10a    外壳底部部件
11a        用于液体A的输入通道
11b        用于液体B的输入通道
12a        用于液体A的液体入口
12b        用于液体B的液体入口
13         用于密封环的槽
14         液体入口通道
20         缝隙板
21         缝隙区
22a        用于液体A的缝隙开口
22b        用于液体B的缝隙开口
23a        用于液体A的缝隙开口
23b        用于液体B的缝隙开口
30         小孔板
31         小孔缝
40，40a    外壳顶部部件
41         支承结构
42         液体出口
44         用于固定部件的开孔
45         混合腔
50         密封环
60         微混合器
70         管束热交换器

Claims (25)

1.用于使至少两种液相混合、弥散、乳化或悬浮的静态的分层微混合器，其特征在于，该混合器包括至少一个具有缝隙开口的缝隙板以及一个设置在该缝隙板之上的、具有小孔缝的小孔板，该小孔板的缝隙由透穿的开口加工而成。
2.如权利要求1所述的微混合器，其特征在于，所述缝隙板中的缝隙开口的数量和/或所述小孔板中的小孔缝的数量多于一个。
3.如权利要求1和2所述的微混合器，其特征在于，在所述液相进入到一个位于缝隙板上方的板的开口中之前，该液相在其进入到缝隙板的缝隙开口之后首先相互输入。
4.如权利要求1至3中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述缝隙板中的缝隙开口这样相互设置，使得液相进入一个位于缝隙板上方的小孔板或缝隙板的缝隙开口中。
5.如权利要求1至4中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述液相在小孔板的缝隙开口中相互接触。
6.如权利要求1至5中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述缝隙板中的缝隙开口的几何形状和取向有利于产生二次影响。
7.如权利要求1至6中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述缝隙开口相互倾斜地设置。
8.如权利要求1至7中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述缝隙板中的缝隙开口的横截面漏斗形或瓣形地构成。
9.如权利要求1至8中任一项所述的微混合器，其特征在于，多个缝隙板和/或小孔板紧挨着上下地或相互错开地设置。
10.如权利要求1至9中任一项所述的微混合器，其特征在于，将所述结构安置到缝隙板上或者由板加工出来。
11.如权利要求1至10中任一项所述的微混合器，其特征在于，通过一个或多个缝隙板和/或小孔板的适当结构使一种液体向着另一种液体的出口导引。
12.如权利要求1至11中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述微混合器设置在小孔板的上方。
13.如权利要求1至12中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述小孔板中的小孔缝相互平行地错置和/或以一个周期式的图案相互设置。
14.如权利要求1至13中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述缝隙板中的缝隙开口和所述小孔板中的小孔缝相互间以任意的角度、最好以90°角旋转地设置。
15.如权利要求1至14中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述缝隙板中的缝隙开口和所述小孔板中的小孔缝具有一个小于500μm、但是最好小于100μm的宽度。
16.如权利要求1至15中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述缝隙板和小孔板可以局部地或全部地由金属、玻璃、陶瓷和塑料或者由这些材料的组合物制成。
17.如权利要求1至16中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述缝隙板和小孔板通过冲裁、模压、铣削、腐蚀、刻蚀、等离子刻蚀、激光切割、激光烧蚀或者通过LIGA技术、但是最好通过激光切割或LIGA技术进行加工。
18.如权利要求1至17中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述缝隙板和小孔板由一个微结构的薄板堆叠构成。
19.如权利要求18所述的微混合器，其特征在于，所述结构化的的薄板可以材料配合连接地通过钎焊、焊接、扩散焊接或粘接或者传力配合地通过螺栓、挤压或者铆接相互连接。
20.如权利要求1至19中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述小孔板中的小孔缝和所述缝隙板中的缝隙开口可以分支地构成。
21.如权利要求1至20中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述微混合器安置在一个为其所设置的外壳中。
22.如权利要求1至21中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述外壳可以包含构成液相的空间分布的通道。
23.如权利要求1至22中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述通道为了使液体在外壳中分布而相互平行错开地、径向地、同心地或前后地设置。
24.如权利要求1至23中任一项所述的微混合器，其特征在于，所述通道为了使液体在外壳中分布而以保持相同的或变化的横截面构成。
25.一种用于使至少两种液相混合、弥散、乳化或悬浮的方法，其特征在于，这些液相通过至少一个具有缝隙开口的缝隙板和一个位于缝隙板上方的具有小孔缝的小孔板导引，所述缝隙开口的缝隙由透穿的开口加工而成。
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