EP1572335B1 - Statischer laminationsmikrovermischer - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Mikrovermischer zum Vermischen, Dispergieren, Emulgieren oder Suspendieren von mindestens zwei fluiden Phasen, wobei dieser mindestens eine Schlitzplatte mit Schlitzöffnungen und eine darüber angeordnete Blendplatte mit Blendschlitzen enthalten muss. Die Schlitzöffnungen in der/den Schlitzplatte(n) und Blendplatte(n) sind als durchgehende Öffnungen ausgeführt.
• Bei statischen Mikrovermischem handelt es sich um Schlüsselelemente der Mikroreaktionstechnik. Statistische Mikrovermischer nutzen das Prinzip der Multilamination aus, um so ein schnelles Vermischen von fluiden Phasen durch Diffusion zu erreichen. Durch eine geometrische Ausgestaltung von abwechselnd angeordneten Lamellen ist es möglich, ein gutes Vermischen im mikroskopischen Bereich zu gewährleisten. Multilaminationsmischer aus strukturierten und periodisch gestapelten dünnen Platten sind bereits in der Literatur ausführlich beschrieben; Beispiele hierfür finden sich in den deutschen Patenten DE 44 16 343 , DE 195 40 292 , DE 199 17 156 A1 und der deutschen Patentanmeldung DE 199 28 123 . Die deutsche Patentanmeldung DE 199 27 554 beschreibt außerdem im Gegensatz zu den Multilaminationsmischern, die aus strukturierten und periodisch gestapelten, dünnen Platten bestehen, einen Mikrovermischer zum Mischen von zwei oder mehr Edukten, wobei der Mikrovermischer Mischzellen aufweist. Jede dieser Mischzellen weist eine Zuführkammer auf, an die mindestens zwei Gruppen von Kanalfingern angrenzen, die zur Bildung von Mischbereichen kammartig zwischen die Kanalfinger eingreifen. Über dem Mischbereich befinden sich Auslassschlitze, die sich senkrecht zu den Kanalfingern erstrecken und durch die das Produkt austritt. Durch die Parallelschaltung in zwei Raumrichtungen ist ein deutlich höherer Durchsatz möglich.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist der im Patenanspruch 1 beschriebene statische Laminationsmikrovermischer.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass der statische Laminationsmikrovermischer kostengünstig gefertigt werden kann, leicht zu reinigen ist und die zu mischenden Fluide schnell und effektiv miteinander vermischt werden. Zudem ist der Druckverlust so gering, dass er auch für große Durchsätze Anwendung finden kann.
• Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben.
• Es zeigen:

Fig. 1

schematische Darstellung des statischen Mikrovermischers bestehend aus einer Schlitz- und einer Blendplatte;

Fig. 2a

Expolsionsdarstellung eines statischen Laminationsmikrovermisches bestehend aus Gehäuseunterteil (10), Zuführkanälen (11), Schlitzplatte (20) und Blendplatte (30);

Fig. 2b

Darstellung eines statischen Laminationsmikrovermischers bestehend aus Gehäuseunterteil (10), Zuführkanälen (11), Schlitzplatte (20) und Blendplatte (30);

Fig. 3a

Draufsicht auf die Zuführkanälen (11), Schlitzöffnungen (22a, 22b) und Blendschlitzen (31) eines statischen Laminationsmikrovermischers;

Fig. 3b

Draufsicht auf die Schlitzöffnungen unterschiedlicher Geometrie und Orientierung (22) in einer Schlitzplatte (20) eines statischen Laminationsmikrovermischers;

Fig. 3c

Draufsicht auf die Schlitzöffnungen unterschiedlicher Geometrie und Orientierung (22) in einer Schlitzplatte (20) eines statischen Laminationsmikrovermischers;

Fig. 3e:

Draufsicht auf die Schlitzöffnungen unterschiedlicher Geometrie und Orientierung (22) in einer Schlitzplatte (20), wobei die Schlitzöffnungen unterschiedliche Breiten und Formen haben;

Fig. 3f:

Draufsicht auf die Schlitzöffnungen unterschiedlicher Geometrie und Orientierung (22) in einer Schlitzplatte (20), wobei die Schlitzöffnungen, die Blendschlitze (31) und/oder die Zuführkanäle (11) unterschiedliche und variable Breiten und Formen haben;

Fig. 4a

Draufsicht auf einen statischen Laminationsmikrovermischer bestehend aus Gehäuseunterteil (10), Schlitzplatte (20) und Blendplatte (30);

Fig. 4b

Draufsicht auf einen statischen Laminationsmikrovermischer;

Fig. 5

Explosionsdarstellung eines statischen Mikrovermischers;

Fig. 6

Explosionsdarstellung eines statischen Mikrovermischers mit Betrachtungswinkel von unten;

Fig. 7a

schematische Darstellung des Gehäuseunterteils (10);

Fig. 7b

Querschnitt durch Gehäuseunterteil (10) entlang der Ebene B-B;

Fig. 7c

Querschnitt durch Gehäuseunterteil (10) entlang der Ebene C-C;

Fig. 8a

schematische Darstellung eines statischen Mikrovermischers mit zwei unterschiedlichen Schlitzplatten und versetzt zueinander angeordneten Schlitzöffnungen (22, 23);

Fig. 8b

schematische Darstellung eines zusammengesetzten statischen Laminationsmikrovermischers mit zwei unterschiedlichen Schlitzplatten;

Fig. 9a

Explosionsdarstellungen von Laminationsmikrovermischern mit parallel versetzter Anordnung der Kanäle zur Auftrennung der Fluide im Gehäuse;

Fig. 9b

Explosionsdarstellungen von Laminationsmikrovermischern mit radial konzentrischer Anordnung der Kanäle zur Auftrennung der Fluide im Gehäuse;

Fig. 10

Laminationsmikrovermischer (60) (vgl. Fig. 9a) als Bestandteil einer integrierten Prozessanordnung zusammen mit einer Wärmetauscheinheit (70).

• Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung eines statischen Laminationsmikrovermischers bestehend aus Unterteil 10, einer Schlitzplatte 20 und einer Blendplatte 30. Das Unterteil 10 enthält für das Fluid A den Zuführkanal 11a und für das Fluid B den Zuführkanal 11b. Die Schlitzplatte 20 weist für die Fluide A und B Schlitzöffnungen 22a und 22b auf, die aus dem Zuführkanal 11a und 11 b gespeist werden. Oberhalb der Schlitzplatte 20 befindet sich die Blendplatte 30 mit einem Blendschlitz 31. Die Blendplatte 30 deckt hierbei den äußeren Bereich der Schlitzöffnungen 22a und 22b ab, während der mittlere Bereich der Schlitzöffnungen 22a und 22b mit dem Blendschlitz 31 überlappt und dadurch frei bleibt.
• Fig. 2a zeigt die Explosionsdarstellung eines statischen Mikrovermischers bestehend aus Unterteil 10, Zuführkanälen 11a und 11 b, Schlitzplatte 20 und Blendplatte 30. Die Zuführkanäle 11a und 11b enthalten jeweils die Fluide A und B; über diesen Zuführkanälen befindet sich die Schlitzplatte 20 mit den Schlitzöffnungen 22 a und 22b. Oberhalb dieser befindet sich die Blendplatte 30, deren Blendschlitze in einem Winkel von 90° zu den Schlitzöffnungen 22a und 22b angeordnet sind.
• Fig. 2b zeigt eine schematische Darstellung eines statischen Mikrovermischer, wie in Fig. 2a dargestellt, bestehend aus Unterteil 10, Schlitzplatte 20 und Blendplatte 30.
• Fig. 3a zeigt als Doppelreihen angeordnete Schlitzöffnungen 22a und 22b in Form von Schlitzbereichen 21. Diese Schlitzbereiche 21 werden durch die Zuführkanäle 11a und 11 b mit Fluiden gespeist. Die eine Hälfte der Schlitzöffnungen 22a überlappt mit den Zuführkanälen 11a, die andere mit den Zuführkanälen 11b. In mittleren Bereich der Doppelreihen überlappen die Schlitzöffnungen 22 mit dem darüber angebrachten Blendschlitz 31. Die Schlitzöffnungen 22 können, wie hier dargestellt, auch schräg angeordnet sein.
• Fig. 3b, Fig. 3c, Fig. 3e und Fig. 3f zeigen Schlitzöffnungen 22 mit unterschiedlicher geometrischer Ausgestaltung und Orientierung. Unterhalb der Schlitzöffnungen befinden sich die Zuführkanäle 11. Oberhalb der Schlitzöffnungen befinden sich die Blendschlitze 31. Die Querschnitte der Zuführkanäle 11 und der Blendschlitze 31 können entlang ihres Verlaufs variieren (Fig. 3f). Die Schlitzöffnungen 22 können trichterförmig in erweitert sein. Die Breite und Form der Schlitzöffnungen 22 kann zwischen den Fluiden (Fig. 3e) und innerhalb der Fluide (Fig. 3f) variieren.
• Fig. 4a zeigt die Draufsicht auf ein Gehäuseunterteil 10. Das Gehäuseunterteil 10 ist mit zahlreichen schlitzförmigen Zuführkanälen 11 a und 11 b versehen, die abwechselnd rechts oder links verlagert dargestellt sind. In der darüber angeordneten Schlitzplatte 20 befinden sich der als schwarze Balken dargestellte Schlitzbereich 21; der Schlitzbereich 21 ist hierbei jeweils zwischen zwei Zuführkanälen 11a und 11 b positioniert, sodass dieser von zwei Zuführkanälen überlappt wird. Die Blendschlitze 31 der darüber liegenden Blendplatte 30 befinden sich mittig über den Schlitzbereichen 21 der Schlitzplatte 20.
• Fig. 4b zeigt eine schematische Anordnung aus Zuführkanälen 11a und 11 b, Schlitzbereichen 21 und Blendschlitzen 31.
• Fig. 5 zeigt die Explosionsansicht eines statischen Laminationsmikrovermischers; der Mikrovermischer besteht aus Gehäuseunterteil 10 und Gehäuseoberteil 40. Zwischen dem Gehäuseunterteil 10 und Gehäuseoberteil 40 befinden sich die Schlitzplatten 20 und die Blendplatten 30. In dem Gehäuseunterteil 10 befindet sich eine Nut 13, in die ein Dichtungsring 50 eingelegt werden kann, um so den Mikrovermischer gegen die Umgebung abzudichten. Das Gehäuseunterteil 10 und das Gehäuseoberteil 40 sind jeweils mit Öffnungen für Befestigungselemente 44 versehen, durch die beide gegeneinander fixiert werden können. Das Gehäuseunterteil 10 enthält an der Außenfläche zwei Fluideinlasskanäle 12a und 12b für die zu mischenden Fluide A und B. Auf der Oberseite des Gehäuseunterteils 10 sind zahlreiche schlitzförmige Zuführkanäle 11a und 11 b eingearbeitet, die abwechselnd zu der einen oder der anderen Seite verlängert ausgestaltet sind und so vom Fluid A oder vom Fluid B gespeist werden können. Die Schlitzplatte 20 enthält zahlreiche Schlitzbereiche 21; oberhalb der Schlitzplatte 20 ist die Blendplatte 30 angebracht, die eine Vielzahl von Blendschlitzen 31 aufweist. Das Gehäuseoberteil 40 enthält einen Fluidauslass 42 zur Ableitung des gewonnenen Gemisches.
• Fig. 6 zeigt in Analogie zu Fig. 5 eine Explosionsdarstellung eines statischen Laminationsmikrovermischers mit Betrachtungswinkel von der Unterseite. Das Gehäuseoberteil 40 enthält eine große Mischkammer 45, in die alle Blendschlitze 31 der Blendplatte 30 münden. Zur Abstützung der Blendplatte 30 sind mehrere Stützstrukturen 41 im Gehäuseoberteil 40 angebracht.
• Fig. 7a zeigt die schematische Darstellung des Gehäuseunterteils 10. Das Gehäuseunterteil 10 ist mit Zuführkanälen 11a und 11b für die zu mischenden Fluide A und B versehen. An den Außenseiten des Gehäuseunterteils sind Fluideinlässe 12a und 12b vorhanden. Die Aussparungen 44 an den vier Ecken des Gehäuseunterteils 10 gestatten dessen Fixierung.
• Fig. 7b zeigt den Querschnitt durch das Gehäuseunterteil 10 entlang der Linie B-B in Fig. 7a. Der Fluideinlass 12a setzt sich in dem Fluideinlasskanal 14 für das Fluid A fort. Auf der Oberseite des Fluideinlasskanals 14 befinden sich die Zufuhrkanäle 11 a für das Fluid. Auf der Oberseite des Gehäuseunterteils 10 befindet sich eine Nut 13 für das Einlegen eines Dichtungsrings.
• Fig. 7c zeigt den Querschnitt durch das Gehäuseunterteil 10 entlang der Linie C-C in Fig. 7a. Die Zuführkanäle 11a für das Fluid A und 11 b für das Fluid B verlaufen abwechselnd parallel, ohne dass es eine Querverbindung zwischen diesen beiden Zuführkanälen gibt. Auf der Oberseite des Gehäuseunterteils 10 befindet sich wieder eine Nut 13 für das Einlegen eines Dichtungsrings.
• Fig. 8a zeigt die schematische Darstellung eines statischen Laminationsmikrovermischers mit den zwei unterschiedlichen Schlitzöffnungen 22a/22b und 23a/23b. Die Schlitzöffnungen 22a und 22b der ersten Schlitzplatte bilden die Zuführkanäle für die zweite Schlitzplatte mit kleinen Schlitzöffnungen 23a und 23b. Die Schlitzöffnungen 22a/22b und 23a/23b sind jeweils um 90° zueinander verdreht angeordnet.
• Fig. 8b zeigt die Draufsicht eines solchen statischen Mikrovermischers nach Fig. 8a bestehend aus zwei unterschiedlichen Schlitzplatten, deren Schlitzöffnungen zueinander um 90° gedreht sind.
• Fig. 9a und Fig. 9b zeigen zwei Ausführungsbeispiele für Laminationsmikrovermischer in der Explosionsdarstellung. Danach können die Schlitzöffnungen in der Schlitzplatte, die Schlitzöffnungen in der Blendplatte sowie die Kanäle zur Verteilung der Fluide kreisförmig oder parallel versetzt angeordnet sein.
• Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Einsatz eines Laminationsmikrovermischers als Bestandteil einer integrierten Anordnung zur Durchführung physikalisch-chemischer Umwandlungen. Im aufgeführten Fall wurden Laminationsmikrovermischer (60) und Rohrbündelwärmeübertrager (70) in ein Bauteil integriert.
Bezugszeichenliste:

• 10, 10a	Gehäuseunterteil
  11a	Zuführkanal für Fluid A
  11b	Zuführkanal für Fluid B
  12a	Fluideinlass für Fluid A
  12b	Fluideinlass für Fluid B
  13	Nut für Dichtungsring
  14	Fluideinlasskanal
  20	Schlitzplatte
  21	Schlitzbereich
  22a	Schlitzöffnung für Fluid A
  22b	Schlitzöffnung für Fluid B
  23a	Schlitzöffnung für Fluid A
  23b	Schlitzöffnung für Fluid B
  30	Blendplatte
  31	Blendschlitz
  40, 40a	Gehäuseoberteil
  41	Stützstruktur
  42	Fluidauslass
  44	Öffnung für Befestigungselement
  45	Mischkammer
  50	Dichtungsring
  60	Mikrovermischer
  70	Rohrbündelwärmeübertrager

Claims (13)

1. Statischer Laminationsmikrovermischer zum Mischen, Dispergieren, Emulgieren oder Suspendieren von mindestens zwei fluiden Phasen umfassend.
   ein Gehäuseunterteil (10) mit getrennten, zur Oberseite des Gehäuseunterteils to offenen Zuführkanälen (11a/b) für mindestens zwei Fluide,
   eine auf dem Gehäuseunterteil aufliegende Schlitzplatte (20) mit darin paarweise angeordneten, als durchgehende Öffnungen mit geschlossenem Rand und einer Breite von weniger als 500 Mikrometern ausgebildeten Schlitzöffnungen (22a/b),
   eine auf der Schlitzplatte aufliegende Blendplatte (30) mit wenigstens einer schlitzförmigen, als durchgehende Öffnung mit geschlossenem Rand und einer Breite von weniger als 500 Mikrometern ausgebildeten Blendöffnung (31) sowie
   einen oberhalb der Blendplatte befindlichen Mischraum (45),
   wobei innerhalb eines Paares von Schlitzöffnungen in der Schlitzplatte (20) jeweils eine Schlitzöffnung des Paars mit ihrem einen Ende mit einem der Zuführkanäle (11) im Gehäuseunterteil (10) überlappt, während die andere Schlitzöffnung des Paars mit ihrem einen Ende mit einem anderen Zuführkanal (11) im Gehäuseunterteil (10) überlappt und beide Schlitzöffnungen des Paares mit derselben Blendöfnung (31) in der Blendplatte jeweils genau eine Überlappungsfläche bilden.
2. Mikrovermischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Schlitzöffnungen in der Platte trichterförmig oder keulenförmig ausgestaltet ist.
3. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendschlitze in der Blendplatte parallel zueinander versetzt und/oder in einem periodischen Muster zueinander angeordnet sind.
4. Mikrovermicher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzöffnungen in der Schlitzplatte und die Blendschlitze in der Blendplatte in einem Winkel von 90° zueinander verdreht angeordnet sind.
5. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzöffnungen in der Schlitzplatte und die Blendschlitze in der Blendplatte eine Breite von weniger als 100 µm aufweisen.
6. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitz- und Blendplatte teilweise oder vollständig aus Metall, Glas, Keramik und Kunststoff oder aus einer Kombination dieser Materialien bestehen.
7. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitz- und Blendplatten durch Stanzen, Prägen, Fräsen, Erodieren, Ätzen, Plasmaätzen, Laserschneiden, Laserablatieren oder durch die LIGA-Technik, vorzugsweise aber durch Laserschneiden oder LIGA-Technik, hergestellt worden sind.
8. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitz- und Blendplatten aus einem Stapel mikrostrukturierter, dünner Platten bestehen.
9. Mikrovermischer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dünnen, mikrostrukturierten Platten stoffschlüssig durch Löten, Schweißen, Diffusionsschweißen oder Kleben oder kraftschlüssig durch Verschrauben, Verpressen oder Vernieten miteinander verbunden sind.
10. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrovermischer in einem dafür vorgesehenen Gehäuse untergebracht ist.
11. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse Kanäle enthält, die eine räumliche Aufteilung der fluiden Phasen gestatten.
12. Mikrovermischer nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle zur Aufteilung der Fluide im Gehäuse parallel zueinander versetzt, radial, konzentrisch oder hintereinander angeordnet sind.
13. Verfahren zum Mischen, Dispergieren, Emulgieren oder Suspendieren von mindestens zwei fluiden Phasen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein statischer Laminationsmikrovermischer nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingesetzt wird.

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