Hochleistungsflüssigkeitschromatographie

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für das longitudinale Mischen einer aus wenigstens zwei Komponenten bestehenden Flüssigkeit, insbesondere für die Hochleistungs- flüssigkeitschromatographie (HPLC), mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

In der HPLC erzeugen speziell dafür ausgelegte Pumpen einen sehr konstanten Strom eines flüssigen Laufmittels. Dieser Laufmittelstrom wird kontinuierlich über eine Trennsäule gepumpt. Zu einer bestimmten Zeit wird in diesen Strom vor der Trennsäule eine Probe injiziert, deren Bestandteile unterschiedlich schnell über die Trennsäule gefördert werden. Ein am Ausgang der Trennsäule angeschlossener Detektor kann so die verschiedenen getrennten Probenbestandteile sowohl qualitativ als auch quantitativ detektieren.

Um die Trennung aller Bestandteile zu optimieren, werden auch sogenannte Gradientenpumpen eingesetzt. Diese können die Zusammensetzung des Laufmittels während der Trennung der Probe ändern. Hierfür besitzt eine solche Gradientenpumpe mehrere Eingänge für die verschiedenen Laufmittelkomponenten. Am Ausgang einer solchen Pumpe sollte im Idealfall eine homogene Mischung der Laufmittelkomponenten im gewünschten Mischungsverhältnis austreten. Die Praxis zeigt jedoch, dass die Zusammensetzung des Laufmittels sowohl zeitlich als auch räumlich im Bereich des Pumpenausgangs von der ideal homogenen Mischung der Laufmittelkomponenten abweicht. Die zeitlichen Abweichungen sind zum großen Teil periodisch und korrelieren mit periodischen Vorgängen innerhalb der Pumpe.

Die räumlichen Abweichungen des Mischungsverhältnisses über den Querschnitt der Ausgangskapillare einer Gradientenpumpe werden zunächst mit Hilfe eines Radialmischers ausgeglichen. Dem Radialmischer wird meist ein weiterer Mischer nachgeschaltet, der die Aufgabe hat, die zeitlichen Abweichungen der Laufmittelzusammensetzung auszugleichen. Hierfür kommen nach dem Stand der Technik unterschiedlichste Ausführungsformen zum Einsatz. Diese haben alle gemeinsam, dass zeitlich nacheinander aus der Pumpe austretende Laufmittelportionen vermischt werden. Deshalb werden derartige Mischer auch longi- tudinale Mischer genannt. Ein longitudinaler Mischer soll also„alten" und„neuen" Fluss, d.h. früher eintreffendes Laufmittel mit später eintreffendem Laufmittel vermischen. Dies kann prinzipiell folgendermaßen geschehen:

Zum einen kann in einer dynamischen Mischkammer, beispielsweise mittels eines bewegten Rührfischs, ein Mischvolumen gerührt werden. Neues Laufmittel wird dabei sofort in der ganzen Mischkammer verteilt und verdünnt das alte Laufmittel exponentiell. Diese Lösung ist jedoch mechanisch aufwändig und vor allem wartungsbedürftig.

Vorteilhafter sind diesbezüglich passive Mischer, die beispielsweise durch Bereitstellen unterschiedlich langer Wege von der Zuführöffnung zur Abführöffnung der Mischkammer und Sicherstellen der gewünschten Flussaufteilung auf die unterschiedlich langen Wege die longitudinale Mischung erzielen.

Verschieden lange Wege können beispielsweise durch einzelne, geeignet dimensionierte Parallel-Kapillaren realisiert sein, die in einen Stapel übereinander gelagerter Scheiben eingearbeitet und durch Bohrungen miteinander verbunden sind (vgl. z.B. DE 10 2006 058 026 A1 ). Nach dem gleichen Prinzip arbeitet auch die Mischvorrichtung gemäß der US 6,942,792 B2.

Das Bewirken der Flussaufteilung auf die unterschiedlich langen Wege kann beispielsweise mit Hilfe einer Fritte geschehen. Das zeitliche Differenzieren der Flussaufteilung kann durch zusätzliche Volumina vor und nach der Fritte erfolgen. Eine derartige Mischvorrichtung ist beispielsweise in der DE 30 37 898 A1 beschrieben, in der eine passive Mischkammer mit Fritte offenbart ist. Die Mischkammer ist als Doppelkonus ausgebildet, wobei zwischen den beiden, sich nach außen verjüngenden konischen Kammerbereichen die Fritte angeordnet ist. Am äußeren Endbereich jedes Konus ist die Zuführöffnung bzw. Abführöffnung für die zu mischende Flüssigkeit vorgesehen. Die Aufgabe der Fritte besteht darin, einen räumlich verteilten Flusswiderstand zu schaffen, der hoch ist im Vergleich zu den in den Volumina der konischen Kammerbereiche wirksamen Flusswiderständen. Dadurch ist auf der gesamten Frittenoberfläche der Druck annähernd gleich, sowohl auf der stromaufwärts gerichteten Oberfläche als auch auf der stromabwärts gerichteten Oberfläche der (eben ausgebildeten) Fritte. Somit ergibt sich über die gesamte Frittenfläche eine im Wesentlichen konstante Flussdichte. An dieser Stelle sei erwähnt, dass in der vorliegenden Beschreibung unter dem Begriff Fritte jedes Element verstanden wird, das einen relativ hohen Flusswiderstand aufweist und geeignet ist, eine über den Querschnitt konstante Flussdichte zu erzeugen.

Die Mischwirkung kommt bei dieser Ausführungsform eines longitudinalen Mischers durch die unterschiedlichen Weglängen zu Stande, welche die Flüssigkeit zwischen der Zuführöffnung und der jeweiligen Durchtrittsposition durch die Fritte bzw. zwischen der jeweiligen Durchtrittsposition durch die Fritte und der Abführöffnung zurücklegen muss. Das Delayvolumen der Anordnung weist also eine gewisse Verteilung auf. Hierdurch können nacheinander zugeführte Lösungsmittelkomponenten miteinander vermischt werden.

Auch in einer Veröffentlichung der Fa. Agilent aus dem Jahr 2004 mit dem Titel„Ultra-fast liquid chromatography using the Agilent 1 100 Series HPLC System and 1 .8-μm ZORBAX SB C18 Rapid Resolution HT columns" wird ebenfalls dieses einfache longitudinale Mischprinzip verwendet. Dabei wird der Standardmischer durch einen einfachen 80 μl Upchurch- Filter ersetzt, mit dem Ziel, das Delayvolumen zu verringern.

Dabei besteht der offensichtliche Unterschied dieser Mischkammer gegenüber der Mischkammer gemäß der DE 30 37 898 A1 nur darin, dass die beiden Volumina in Strömungsrichtung vor und nach der Fritte nicht kegelförmig (mit einem relativ großen Öffnungswinkel), sondern zylindrisch ausgeführt sind.

Eine weitere Möglichkeit, mit Hilfe von definierten Flusswiderständen und definierten Delayvolumina zu arbeiten, wird in der EP 1 174 179 A1 aufgezeigt, wobei definierte kurze, mittlere und lange Wege vom Eingang zum Ausgang die gewünschte longitudinale Mischung erzielen.

Nachteilig bei diesen bekannten Mischvorrichtungen ist zum einen die Komplexität der Fertigung bei definierten Kapillarwegen oder aber die eher ungenügende Mischeffizienz bzw. die ungenügende Stabilität der Mischergebnisse bei einfachen Ausführungen, wie z.B. nach der DE 30 37 898 A1. Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Mischvorrichtung für das longitudinale Mischen einer aus wenigstens zwei Komponenten bestehende Flüssigkeit, insbesondere für die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) zu schaffen, bei der trotz eines einfachen Aufbaus eine gute Mischeffizienz gewährleistet ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass das Mischverhalten der vorstehend beschriebenen Mischerkonstruktion, bei der in eine Mischkammer eine Fritte eingebracht ist und die unterschiedlichen Weglängen für die zu mischende Flüssigkeit durch die Volumina vor und/oder nach der Fritte bewirkt werden, durch das Vorsehen einer Strömungsleitvorrichtung in das Kammervolumen vor und/oder nach der Fritte drastisch verbessert werden kann. Dabei wird die Verbesserung des Mischerverhaltens insbesondere durch das Vorsehen der Strömungsleitvorrichtung in das Kammervolumen (in Strömungsrichtung) vor der Fritte erreicht. Der Strömungswiderstand der Strömungsleitvorrichtung bzw. des damit gefüllten vorderen oder hinteren Kammerbereichs ist nach der Erfindung groß gegen den Strömungswiderstand des betreffenden (vorderen oder hinteren oder vorderen und hinteren) Kammerbereichs ohne die Strömungsleitvorrichtung und darüber hinaus klein gegen den Strömungswiderstand der Fritte zu wählen.

Es hat sich herausgestellt, dass durch das Einbringen einer geeigneten Strömungsleitvorrichtung in das Kammervolumen vor bzw. nach der Fritte das Einfließen in den Frittenkörper bzw. das Abfließen aus dem Frittenkörper möglichst laminar und wirbelfrei erfolgt. Dies gilt insbesondere auch bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten. Dadurch wird die Mischeffizienz deutlich verbessert.

Die Strömungsleitvorrichtung innerhalb des betreffenden Kammerbereichs bewirkt, dass der gesamte Strömungswiderstand des Kammerbereichs nicht mehr nur durch die Innenwandung des Kammerbereichs, sondern zusätzlich auch durch die Strömungsleitvorrichtung beeinflusst wird. Hierdurch ergibt sich eine„Homogenisierung" des Strömungswiderstands entlang der verschiedenen Flusspfade. Die verbesserte Mischeffizienz zeigt sich auch dadurch, dass bei einer Sprunganregung des Mischers die gewünschte Zielkonzentration deutlich früher erreicht wird, wobei gleichzeitig durch einen gleichmäßigeren Anstieg der Konzentration bis zur Zielkonzentration die longitudinale Mischwirkung gesteigert wurde.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mischkammer rotationssymmetrisch ausgebildet und weist vorzugsweise eine in der Achse liegende, fluidisch mit dem Eingangsport verbundene Zuführöffnung und eine in der Achse liegende, fluidisch mit dem Ausgangsport verbundene Abführöffnung auf. Hierdurch wird insbesondere in Verbindung mit einem isotropen und (makroskopisch betrachtet) homogenen porösen Material die Dimensionierung, das Design und die Herstellung der Mischvorrichtung vereinfacht.

Dabei können der vordere und hintere Kammerbereich von der Zuführöffnung bzw. Abführöffnung in Richtung auf die Fritte radial erweiternd ausgebildet und in an sich bekannter Weise kegelartig oder kegelstumpfartig ausgebildet sein. Vorzugsweise können die Kammerbereiche jedoch auch jeweils eine paraboloidartige Form aufweisen. Hierdurch wird die zeitliche Mischfunktion verbessert, insbesondere einem linearen Verlauf möglichst angenähert.

Die Strömungsleiteinrichtung kann einen anisotropen Strömungswiderstand aufweisen, wobei der Strömungswiderstand in radialer Richtung, bezogen auf die Strömungsrichtung der in den vorderen Kammerbereich einströmenden Flüssigkeit oder bezogen auf die aus dem hinteren Kammerbereich ausströmenden Flüssigkeit, kleiner ist als in axialer Richtung.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Strömungsleitvorrichtung so ausgebildet ist, dass sich in einem Kammerbereich mit der Strömungsleitvorrichtung ein Strömungswiderstand ergibt, der dazu führt, dass die radialen Geschwindigkeitskomponenten des Flusses der den Kammerbereich durchströmenden Flüssigkeit für jeweils einen bestimmten radialen Abstand von der Längsachse der Mischkammer im Wesentlichen konstant und unabhängig von der axialen Position sind.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Strömungsleitvorrichtung als poröses Material ausgebildet sein und vorzugsweise aus einem gestrickten oder gewirkten oder geknüllten Fasermaterial bestehen. In gleicher Weise kann die Strömungsleitvorrichtung als poröses Festkörpermaterial ausgebildet sein und beispielsweise aus einem Festkörperschaum bestehen.

Der vorstehend erwähnte anisotrope spezifische Flusswiderstand kann bei derartigen Ausführungsformen beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zunächst ein Körper aus einem faserförmigen Festkörpermaterial hergestellt wird, der anschließend in einer oder mehreren vorgegebenen Richtungen gepresst wird. Hierdurch wird eine gewisse Ausrichtung der Fasern, d.h. eine gewisse Vorzugsrichtung erzeugt, wodurch z.B. in der Pressrichtung ein anderer (größerer) Flusswiderstand entsteht als in der Richtung senkrecht hierzu.

Es ist jedoch beispielsweise auch denkbar, das poröse Material aus einer Vielzahl von geschichteten Lochplatten herzustellen, die an mindestens einer Oberfläche Noppen aufweisen, die in Relation zu den Löchern in den Platten so angeordnet und geformt sind, dass sich in radialer Richtung ein anderer spezifischer Flusswiderstand ergibt als in axialer Richtung.

Als Materialien kommen Metalle, beispielsweise Edelstahl oder Titan, oder Kunststoffe oder auch mineralische Materialien in Frage, unabhängig davon, ob das Material faserartig oder als poröser Festkörper eingesetzt wird.

Bei diesen Ausführungsformen erweist es sich als vorteilhaft, wenn die (maximale) Höhe des vorderen und/oder hinteren Kammerbereichs, in dem das poröse Material vorgesehen ist, d.h. der maximale Abstand der Frittenoberfläche von der Wandung des Kammerbereichs senkrecht zur Frittenoberfläche, sollte vorzugsweise groß gegen die mittlere Porengröße des porösen Materials sein. Hierdurch kann die gewünschte Laminarisierung des Flusses gewährleistet werden. Die Poren des porösen Materials sollten groß gegen die Poren der Fritte sein, um zu gewährleisten, dass auf der Frittenoberfläche die gewünschte konstante Flussverteilung gegeben ist.

Zudem ist es vorteilhaft, wenn das den vorderen bzw. hinteren Kammerbereich ausfüllende poröse Material eine hohe Porosität aufweist, um in den Kammerbereichen einen möglichst großen Anteil des Delayvolumens zu erreichen. Denn das Volumen in den Poren der Fritte kann nicht zum Mischvorgang beitragen. Für die Porosität, die als Eins minus dem Quotient aus der Rohdichte des Materials (einschließlich der Poren) und der Reindichte des Material (ohne Poren) definiert ist, wird vorzugsweise ein Bereich größer als 0,60, höchst vorzugsweise ein Bereich größer als 0,75 vorgesehen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung liegt das Verhältnis der Höhe des vorderen und/oder hinteren Kammerbereichs bezogen auf den Durchmesser im Bereich von 0,02 bis 0,30 liegt, vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 0,15.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Strömungsleitvorrichtung ein oder mehrere Strömungsleitelemente umfassen, welche sich jeweils von der den betreffenden Kammerbereich begrenzenden Innenwandung bis unmittelbar an oder zumindest nahe an die Fritte erstrecken, wobei die Wandungen der Strömungsleitelemente vorzugsweise parallel zur Achse der Mischkammer verlaufen. Auch hierdurch lässt sich die gewünschte Homogenisierung des Flusswiderstands über das gesamte Kammervolumen erreichen. Zudem können die Strömungsleitelemente die Fritte abstützen, so dass, insbesondere bei Verwendung einer entsprechenden Strömungsleitvorrichtung in beiden Kammerbereichen, eine sehr dünne Fritte verwendet werden kann. Dies führt zu baukleinen Mischvorrichtungen.

Dabei kann zumindest eines der Strömungsleitelemente als spiralförmige oder mäander- förmige Wandung ausgebildet sein, deren Zentrum auf der Achse der Mischkammer liegt und deren Wandung sich von der den betreffenden Kammerbereich begrenzenden Innenwandung bis unmittelbar an oder zumindest nahe an die Fritte heran erstreckt, wobei die Wandung vorzugsweise parallel zur Achse der Mischkammer verläuft. In ihrer Projektion auf die Fritte kann die spiralförmige oder mäanderförmige Wandung jeweils einen konstanten Abstand der benachbarten Wandungsbereiche aufweisen (Abstand sei hier als diejenige Strecke definiert, die senkrecht auf einem Punkt der Projektion der Wandung steht und zwischen den einander gegenüberliegenden Seitenflächen der Wandung liegt). Es kann sich insbesondere um eine archimedische Spirale handeln. Wird eine Wandung, die in ihrer Projektion auf die Fritte als archimedische Spirale erscheint, so gestaltet, dass ihre Höhe (in axialer Richtung der Mischkammer) linear abnimmt (von innen nach außen), so ergibt sich eine annähernd paraboloid-förmige Einhüllende für die obere Stirnfläche der Wandung (d.h. für die von der Fritte abgewandte Seite). Mit anderen Worten: Wird ein paraboloidischer Kammerbereich mit einer derartigen spiralförmigen Wandung mit einer in der Projektion auf die Fritte als archimedische Spirale erscheinenden Struktur verwendet, bei der die Spirale unmittelbar an oder in der Nähe der zentralen Zuführ- oder Abführöffnung für das Fluid beginnt und sich bis in den radial äußersten Bereich des Kammerbereichs fortsetzt, so entsteht ein spiralförmiger Kanal mit konstanter Breite und mit einer Höhe, die linear mit der Kanallänge abnimmt (wenn in vorteilhafter Weise die Wandung in ihrer Höhe auf der Frittenoberfläche beginnt und sich bis an die Innenwandung des Kammerbereichs erstreckt.

Nach einer anderen Ausführungsform kann statt der spiral- oder mäanderförmigen Wandung oder zusätzlich hierzu eine Vielzahl von säulenartig oder stiftartig ausgebildeten Strömungsleitelementen vorgesehen sein, deren Achsen vorzugsweise zueinander parallel verlaufen und in einer hierzu senkrechten Ebene in einem vorgegebenen Raster mit äqui- distantem Abstand liegen.

Nach einer Ausführungsform kann die Strömungsleitvorrichtung auch eine Mehrzahl von radial zur Achse der Mischkammer verlaufenden Wandungen aufweisen, die sich vorzugsweise von einer radialen Position nahe der Zuführöffnung oder der Abführöffnung bis an die radial äußerste Position des betreffenden Kammerbereichs verlaufen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Strömungsleitvorrichtungen integriert mit einem den betreffenden Kammerbereich der Mischkammer bildenden Bauelement ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich eine einfache und kostengünstige Herstellung für die Mischvorrichtung.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Mischvorrichtung nach der Erfindung im Längsschnitt; Fig. 2 eine schematische Darstellung der Mischvorrichtung in Fig. 1 ohne das erfindungsgemäß vorzusehende poröse Material im vorderen und hinteren Kammerbereich;

Fig. 3 ein Diagramm mit jeweils einer Sprungantwort einer Mischvorrichtung mit und ohne porösem Material;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines einen Kammerbereich der Mischkammer realisierenden Bauelements mit einer spiralförmigen Wandung als Strömungsleitvorrichtung;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Bauelements ähnlich Fig. 4, jedoch mit einer Strömungsleitvorrichtung, welche eine Vielzahl von säulen- oder stiftartigen Strömungsleitelementen aufweist; und

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Bauelements ähnlich Fig. 4, jedoch mit einer Strömungsleitvorrichtung, welche eine Mehrzahl von radial verlaufenden Wandungen als Strömungsleitelemente aufweist.

Die in Fig. 1 schematisch im Längsschnitt dargestellte Mischvorrichtung 10 weist eine Mischkammer 14 auf, die über einen Eingangsport 1 1 mit einer die longitudinal zu mischende Flüssigkeit zuführende Fördervorrichtung, beispielsweise eine Pumpe, verbindbar ist. Die zugeführte Flüssigkeit wird über den Eingangsport 1 1 und die Zuführöffnung 19 in die Mischkammer 14 geleitet. Die Mischkammer 14 weist in der dargestellten Ausführungsform eine paraboloidartige, sich ausgehend von der Zuführöffnung 19 radial erweiternde Form auf und geht anschließend in einen Bereich konstanten Durchmessers über, in welchem eine Fritte 13 vorgesehen ist. Als Fritte kann beispielsweise ein in der Flüssigkeitschromatographie übliches Filter in Form einer Fritte verwendet werden, die, wie aus Fig. 1 ersichtlich, eine konstante Dicke aufweist und eben ausgebildet ist. Die Fritte kann aus einem porösen Material bestehen, welches eine vergleichsweise kleine Porengröße aufweist. In Strömungsrichtung gesehen nach der Fritte ist die Mischkammer wiederum paraboloidartig ausgebildet und verjüngt sich radial bis zu einer Abführöffnung 16, über die die Flüssigkeit einem Ausgangsport 15 zugeführt wird.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der vordere Kammerbereich 12 der Mischkammer 14 mit einem porösen Material 17a ausgefüllt. In gleicher Weise ist der hintere Kammerbereich 18 der Mischkammer 14 mit einem porösen Material 17a gefüllt.

Das poröse Material 17a weist vorzugsweise isotrope Durchströmungseigenschaften auf und dient als Strömungsleitvorrichtung 17. Hierdurch wird das Design einer derartigen Mischvorrichtung im Hinblick auf vorbestimmte, gewünschte Mischeigenschaften erleichtert.

Das poröse Material 17a kann beispielsweise als Fasermaterial ausgebildet sein, beispielsweise als Gestrick, Gewirk, oder einfach unregelmäßig geknülltes Fasermaterial. In gleicher Weise kann es sich bei dem porösen Material um ein poröses Festkörpermaterial handeln, beispielsweise um ein schaumartiges Material. Als Stoffe für das poröse Material, unabhängig, ob es sich um ein faserartiges oder poröses Feststoffmaterial handelt, eignen sich beispielsweise inerte Metalle, wie beispielsweise Edelstahl oder Titan. Darüber hinaus sind auch nichtmetallische Stoffe, wie mineralische Stoffe oder Kunststoffe verwendbar. Die Materialfüllung aus porösem Material 17a für den vorderen bzw. hinteren Kammerbereich 12 bzw. 18 kann beispielsweise aus einem Metallschaum bestehen, der nach seiner Herstellung in eine entsprechende Form gebracht wird. Selbstverständlich ist ebenfalls denkbar, entsprechende Kammerbereiche mit einem geeigneten Material auszuschäumen. Wird ein faserartiges Ausgangsmaterial verwendet, so kann dieses beispielsweise strumpfartig gestrickt und nachträglich in eine entsprechende Form gepresst werden.

Der Strömungswiderstand des porösen Materials sollte auf jedem möglichen Strömungspfad zwischen der Zuführöffnung 19 und der ihr zugewandten Oberfläche der Fritte 13 klein sein gegenüber dem jeweiligen weiteren Strömungspfad durch die Fritte 13. Hierdurch wird erreicht, dass sich auf der gesamten Oberfläche der Fritte 13 ein im Wesentlichen konstanter Fluss einstellt.

Das im hinteren Kammerbereich 18 enthaltene poröse Material kann in gleicher Weise mit identischen Eigenschaften ausgebildet sein. Durch den hohen Strömungswiderstand der Fritte 13 ergibt sich über den gesamten Querschnitt der Fritte 13 eine im Wesentlichen konstante Druckdifferenz, so dass sich dementsprechend (ein konstanter Strömungswiderstand über den gesamten Querschnitt vorausgesetzt) eine konstante Flussdichte, über die Querschnittsfläche der Fritte 13 gesehen, ergibt.

Wie bereits vorstehend erläutert, wird durch die unterschiedlich langen Strömungspfade, die in Fig. 1 schematisch gestrichelt eingezeichnet und mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet sind, die erwünschte longitudinale Mischung der über den Eingangsport 1 1 zugeführten Flüssigkeit erreicht, die gemischt über den Ausgangsport 15 abgeführt wird.

Durch das im vorderen und hinteren Kammerbereich 12 bzw. 18 enthaltene poröse Material 17a wird eine laminare Strömung der Flüssigkeit in diesen Kammerbereichen gewährleistet.

Um die Wirkung des porösen Materials 17a zu verdeutlichen, ist in Fig. 2 die Mischvorrichtung 10 gemäß Fig. 1 ohne poröses Material 17a zusammen mit den sich hierbei ergebenden Strömungsverhältnissen dargestellt. Aus Fig. 2 ist dabei ersichtlich, dass sich insbesondere im vorderen Kammerbereich 12 Teilbereiche ausbilden, in denen sich beim Durchströmen Verwirbelungen zeigen. Um derartige Verwirbelungen zu vermeiden und eine laminare Strömung ohne Wirbel zu erzeugen, muss der Strömungswiderstand des porösen Materials 17a deutlich größer sein als der Strömungswiderstand des betreffenden Kammerbereichs 12, 18 ohne das poröse Material 17a.

Fig. 2 macht des Weiteren deutlich, dass sich insbesondere durch das Vorsehen von porösem Material 17a im vorderen Kammerbereich 12 der gewünschte Vorteil ergibt, da das Auftreten von Verwirbelungen im hinteren Kammerbereich 18 in geringerem Maß vorkommt. Aus diesem Grunde wird man insbesondere den vorderen Kammerbereich 12 mit geeignetem porösen Material 17a füllen. Eine Verbesserung der Wirkung ergibt sich jedoch auch durch das zusätzliche Füllen des hinteren Kammerbereichs 18 mit porösem Material 17a. Eine geringere, jedoch durchaus auch spürbare Verbesserung des Mischverhaltens ergibt sich für den Fall, wenn nur der hintere Kammerbereich 18 mit porösem Material 17a gefüllt wird.

Durch das Einbringen des porösen Materials 17a in die Kammerbereiche 12, 18 ergibt sich somit eine sehr viel definiertere Strömung, die auch weitaus unabhängiger von der betref- fenden Flussrate und Viskosität der zu mischenden Flüssigkeit (bzw. der Flüssigkeitskomponenten) ist. In Fig. 3 ist die Verbesserung der Mischvorrichtung 10 nach Fig. 1 gegenüber der selben Mischvorrichtung, jedoch ohne poröses Material 17a gemäß Fig. 2 dargestellt. Die in Fig. 3 dargestellten Kurven sind Messergebnisse des folgenden Experiments:

Der betreffenden Mischvorrichtung 10 mit bzw. ohne porösem Material wird bis zum Zeitpunkt to = 5 min. als Flüssigkeit reines Wasser zugeführt. Zum Zeitpunkt t ₀ = 5 min. wird umgeschaltet auf eine Flüssigkeit, die zu 0,7% aus Aceton und im Übrigen aus Wasser besteht. Am Ausgangsport 15 wird mittels einer optischen Messeinrichtung die Absorption der aus der Mischvorrichtung 10 austretenden, longitudinal gemischten Flüssigkeit gemessen. Mit anderen Worten, in Fig. 3 stellen die Kurven a bzw. b die Sprungantworten dar, die sich bei Verwendung einer Mischvorrichtung 10 ohne poröses Material 17a (Kurve a) bzw. mit porösem Material (Kurve b) ergeben.

Kurve a weist einen weniger gleichmäßigen Anstieg als die Kurve b auf und erreicht erst sehr viel später (bei ca. 12 min.) als die Kurve b den stationären Zustand. Damit kommt die Kurve b der Sprungantwort eines idealen Mischers, die aus einer zum Zeitpunkt t ₀ beginnenden und bis zum Erreichen des Sättigungswerts reichenden Gerade mit einer dem Delayvolumen entsprechenden Steigung besteht, sehr viel näher als die Kurve a der Mischvorrichtung 10 ohne das poröse Material in den Kammerbereichen 12, 18. Erläuterung:

Der lange Anstieg der Sprungantwort a ist durch die schlecht gespülten Totwasserbereiche, in denen auch Verwirbelungen auftreten, verursacht. Die voreilende Stufe der Sprungantwort a ist durch den Strömungsabriss an der Mündung im Einlauf verursacht. Beides wird durch das poröse Material 17a in den domartigen Kammerbereichen 12 und 18 verhindert.

Ein zusätzlicher Vorteil wird gegenüber rein kegelartigen oder kegelstumpfartigen Kammerbereichen 12 bzw. 18 durch die paraboloidartige Form der Außenwandung in diesen Bereichen erreicht. Auch diese Form trägt zu einem möglichst linearen Anstieg der Sprungantwort über einen weiten Bereich bei, der sich vorteilhaft auf den Mischvorgang auswirkt.

Generell sollte die Höhe dieser domartigen Kammerbereiche (unabhängig von der konkreten Form) vorzugsweise klein gegenüber dem maximalen Durchmesser (im Bereich der Oberflächen der Fritte 13) sein. Das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser liegt vorzugswei- se im Bereich von 0,02 bis 0,30, wobei im Bereich von 0,05 bis 0,15 besonders vorteilhafte Mischergebnisse erzielt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme, ein poröses Material vorzusehen, ist die longitudi- nale Mischwirkung auch weitgehend unabhängig von den Betriebsbedingungen wie Flussrate des Laufmittels, Temperatur, Viskosität der Laufmittelkomponenten.

Im erfindungsgemäßen Mischer bewirken die unterschiedlichen Pfadlängen in den domartigen Zu- und Abströmbereichen vor und hinter der Fritte die longitudinale Mischwirkung. Die Fritte bestimmt im Wesentlichen den Strömungswiderstand des Mischers. Da dieser Widerstand über die Oberfläche der Fritte gleich verteilt ist, ist auch die Flussdichte über der Fritte relativ gleich verteilt.

Durch die geometrische Form der domartigen Zu- und Abströmbereiche kann die Mischverzögerung und damit die Mischfunktion variiert werden. Vorteilhaft ist hier eine paraboloidartige Form.

Das Strömungsprofil in den ungefüllten Zu- und Abströmbereichen in Fig. 1 a ist von den Betriebsbedingungen, wie Flussrate und Viskosität des Laufmittels abhängig. Wird in diesen Bereichen ein Gestrick eingebracht, wird die Strömung sehr viel definierter und unabhängig von Flussrate und Viskosität.

Die erfindungsgemäß wesentliche Funktion des Gestrickeinsatzes ist die Laminarisierung der Strömung in den Volumenbereichen oberhalb bzw. unterhalb der Fritte, die letztendlich die Mischverzögerung bewirken.

Das Gestrick besteht vorteilhafterweise aus Drahtmaterial, das beispielsweise strumpfartig gestrickt und nachträglich in Form gepresst wurde. Der Strömungswiderstand des Gestricks ist isotrop, so dass die Rotationssymmetrie des Aufbaus nicht gestört wird.

Als Materialien für das Gestrick kommen im Wesentlichen inerte Metalle in Frage wie z.B. Edelstahl oder Titan. Es sind allerdings auch Gestricke aus nichtmetallischem Fasermaterial, Mineralfaser oder Kunststofffaser einsetzbar. Es ist auch möglich, einen Einsatz aus einem ungestrickten Fasermaterial oder auch aus einem allgemein porösen Gewöll oder einem porösen Festkörpermaterial wie zum Beispiel Metallschaum zu verwenden. Erfindungsgemäß sollte der Einsatz so beschaffen sein, dass er einen geringeren Strömungswiderstand wie das verwendete Frittenmaterial darstellt, und dass der Strömungswiderstand vorzugsweise homogen und isotrop ist.

Im Folgenden werden in den Fig. 4 bis 6 drei weitere Ausführungsformen für eine Strömungsleitvorrichtung 17 beschrieben, deren Wirkungsweise ähnlich der vorstehend erläuterten Wirkungsweise des porösen Materials 17a ist. Insbesondere bewirken auch diese Ausführungsformen eine Homogenisierung der Strömung des Mediums im betreffenden Kammerbereich, mit dem Ziel, die radiale Komponente der Flussgeschwindigkeit für einen gegebenen Radius (d.h. Abstand von der Achse der Mischvorrichtung) unabhängig von der axialen Position innerhalb des Kammerbereichs möglichst konstant zu halten und mit zunehmendem Radius ausgehend von der Achse der Mischvorrichtung zu verringern, so dass sich eine möglichst lineare Sprungantwort für die Mischfunktion gemäß Fig. 3 ergibt.

Fig. 4 zeigt ein Bauelement 25 zur Herstellung einer Mischvorrichtung 10 ähnlich Fig. 1 , wobei das dargestellte Bauelement 25 einen vorderen Kammerbereich 12 realisiert. Abgesehen vom Bezugszeichen für die zentrale Öffnung, die in Fig. 4 als Zuführöffnung 19 bezeichnet ist, wäre die Darstellung eines derartigen Bauelements, das einen hinteren Kammerbereich 18 (Fig. 1 ) realisiert, identisch.

Das Bauelement 25 kann eine außen zylindrische Form aufweisen, so dass es in übliche zylindrische Gehäuse bekannter, bereits vorhandener Mischvorrichtungen eingesetzt werden kann. Das Bauelement kann beispielsweise aus Metall oder Kunststoff bestehen, wie z.B. PEEK. Dabei kann das Bauelement 25 mit entsprechenden Bereichen gleichzeitig als Dichtung fungieren, beispielsweise mit seiner Stirnseite 25a, welche auf der Fritte 13 aufliegt.

Die Strömungsleitvorrichtung 17 ist bei dem Bauelement 25 nach Fig. 4 als spiralförmige Wandung 17b ausgebildet, deren Projektion in die Ebene der Stirnfläche 25a eine archimedische Spirale ergibt. Die Innenwandung des Bauelements 25, welche den Kammerbereich 12 begrenzt ist nach innen konvex (konkav) ausgebildet und besitzt eine im Wesentlichen paraboloidische Form. Damit ergibt sich für die Wandung 17b, die sich in axialer Richtung der rotationssymmetrischen Mischvorrichtung 10 von der Ebene der Stirnfläche 25a bis an die Innenwandung des Bauelements 25 erstreckt, eine Höhe, die linear mit zunehmender Länge der Wandung 17b - ausgehend von dem der Zuführöffnung 19 unmittelbar benachbarten Ende - linear abnimmt. Entsprechend ergibt sich für die Strömung ein Kanal, dessen Höhe - bei konstanter Kanalbreite - ebenfalls mit zunehmender Länge des Kanals abnimmt.

Die Ausführungsform in Fig. 5 zeigt ein ähnliches Bauelement 25, bei dem die Strömungsleitvorrichtung 17 durch eine Vielzahl von säulen- oder stiftartig ausgebildeten Strömungsleitelementen 17c gebildet ist, die einen konstanten Querschnitt aufweisen und parallel zur Achse der Mischvorrichtung 10 verlaufen. Sie erstrecken sich jeweils von der wiederum paraboloidischen Innenwandung bis in die Ebene der Stirnfläche 25a des Bauelements 25.

Eine dritte Variante zeigt Fig. 6, bei der die Strömungsleitvorrichtung 17 durch eine Mehrzahl, im dargestellten Beispiel durch acht radial verlaufende Wandungen 17d realisiert ist. Die Wandungen 17d sind in ihrer Höhe wiederum axial ausgerichtet und erstrecken sich zwischen der erneut paraboloidischen Innenwandung des Bauelements 25 und der Ebene der Stirnfläche 25a.

Selbstverständlich kann bei allen Varianten - generell bei der Verwendung von„diskreten" Strömungsleitstrukturen innerhalb der Kammerbereiche 12, 18 - das Bauelement 25 und die Strömungsleitstrukturen integriert ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Bauelement 25 durch Fräsen einer zylindrischen Scheibe erzeugt werden, wobei durch den Fräsvorgang die vorzugsweise paraboloidische Innenwandung und die Strömungsleitstrukturen, wie beispielsweise die spiralförmige Wandung 17b, die Säulen 17c oder die radialen Wandungen 17d, in einem einzigen Arbeitsschritt herstellbar sind. Das Bauelement 25 kann dann entweder in ein äußer Gehäuse der Mischivorrichtung 10 eingesetzt werden oder das Gehäuse selbst bilden. In letzterem Fall können zwei im Wesentlichen gleichartige Bauelemente 25 hergestellt werden, die durch Verbindungsmittel, beispielsweise zusammenwirkende Gewinde, verbindbar sind, wobei die Fritte im Wesentlichen mittig in den beiden Bauelementen aufgenommen ist.

Die Form des Kammerbereichs 12, 18 ist somit leicht reproduzierbar und einfach aus praktisch beliebigem Material herstellbar.