Die Erfindung betrifft einen statischen Mikrovermischer mit einer Mischkammer und einem vorgeschalteten Führungsbauteil für die getrennte Zufuhr von zu mischenden oder zu dispergie- renden Fluiden zu der Mischkammer gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Aus der WO91/16970 AI (PCT/CH91/00109 V. 14.11.1991) ist eine Mischeranordnung in einer Kolonne mit Misch-, Katalysator¬ bzw. Kanalelementen bekannt, die in Schichten oder Lagen ange¬ ordnet sein können. Benachbarte Elemente innerhalb einer Lage oder Schicht sind gegeneinander zur Hauptströmungsrichtung ge¬ neigt angeordnet. Hierzu können die Elemente die Form eines schiefen Prismas haben, das von im Querschnitt quadratischen, gerade und parallel zueinander verlaufenden Kanälen durchzogen ist und das durch Zusammenfügen strukturierter Platten gefer¬ tigt werden kann. Bei einer so getroffenen Anordnung wird ein gleichmäßiger Strömungswiderstand bezüglich der zu mischenden Fluide erzielt, die Mischungseffektivität fällt jedoch vom Zentrum zu den Randzonen hin des als Mischkammer dienenden Ko¬ lonnenraumes am abströmseitigen Ende der Elemente stark ab.

Aus der DE 31 14 195 C2 ist eine gattungsgemäße Mischvorrich¬ tung zur Vermischung strömender Medien mit mindestens zwei Einlaßkanälen, mit einem sich an diese anschließenden Kanal¬ körper sowie mit einem an die gemeinsame Auslaßseite des Ka¬ nalkörpers angeschlossenen Auslaßkanal bekannt. Der von Ein¬ zelkanälen durchzogene Kanalkörper, der zur getrennten Zufuhr der zu mischenden Medien zum Auslaßkanal dient, ist aus auf¬ einander aufgeschichteten Einzelwell-Einheiten aufgebaut, die aus je einer Trennwand und einem Wellbogen bestehen. Die Ein¬ zelkanäle jeder Einheit werden von den Wellungen des Wellbo- gens und der zugehörigen Trennwand gebildet. Die Einheiten sind so aufeinander geschichtet, daß die Einzelkanäle benach¬ barter Einheiten vorbestimmte Winkel zueinander bilden. In ei¬ nem Ausführungsbeispiel ist die Anordnung so getroffen, daß

der Kanalkörper gleich lange, parallele Einzelkanäle hat, wo¬ bei die Einzelkanäle der jeweiligen Einheiten abwechselnd an je einen von zwei Einlaßkanälen angeschlossen sind, auf der Auslaßseite des Kanalkörpers mit ihren Mündungen jedoch über¬ einander liegen. Da das jeweilige Medium nur in jeden zweiten Einzelkanal, in der Höhenerstreckung des Kanalköpers gesehen, einströmen darf, muß der Einlaß zu der jeweils dazwischenlie¬ genden Einheit geschlossen sein (s. Spalte 6, Zeilen 26 bis 33 in Verbindung mit Fig. 7a, 7b) , wodurch Totvolumina entstehen. Aber auch bei dieser Bauart ergibt sich nur im Zentrum der Auslaßseite des Kanalkörpers eine optimale Durchmischung; zu den Randzonen hin nimmt die Mischungseffektivität ab. Auch ist das Ausformen oder Anbringen der erforderlichen Einlaß-Ver¬ schlüsse aufwendig und stößt mit kleiner werdenden Kanalquer¬ schnitten auf fertigungstechnische Schwierigkeiten.

Ausgehend von dem vorstehend erörteten Stand der Technik hat die Erfindung zur Aufgabe, bei einem statischen Vermischer der gattungsgemäßen Bauart das Führungsbauteil für die getrennte Zufuhr der zu mischenden Fluide zur Mischkammer so zu gestal¬ ten, daß eine erhöhte örtliche und zeitliche Effektivität der Vermischung in der Mischkammer erzielt wird. Darüber hinaus soll der Vermischer hinsichtlich der Kanäle in dem Führungs¬ bauteil eine vakuumdichte und druckfeste Ausführung ermögli¬ chen, so daß er insbesondere in der chemischen Technik einge¬ setzt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen von Pa¬ tentanspruch 1 gelöst. Die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen dieser Lösung.

Durch die bogenförmig gestalteten, parallel zueinander und zur Hauptströmungsrichtung in die Mischkammer ausmündenden Kanäle der Elemente A und B des Führungsbauteils wird über dem ge¬ samten Ausströmquerschnitt eine gleichmäßig hohe Vermischung bei Vermeidung von Totvolumina im Führungsbauteil erzielt. Aufgrund der Mikrostrukturierung der Kanalreihen werden die zu

vermischenden oder zu dispergierenden Fluide in eine Vielzahl feinster benachbarter Stromfäden oder Lamellen unterteilt, die beim Eintritt in die Mischkammer sich auf schnellstem und kürzestem Wege durchmischen können oder in eine Tropfen oder Blasen bildende Dispersphase und eine die kontinuierliche Phase bildende Hüllphase zerteilt werden. Die Dichte der Kanalmündungen und damit der Stromfäden am Eintritt in die Mischkammer beträgt einige tausend Mündungen bzw. Stromfäden pro cm ² .

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrovermischers sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben werden im fol¬ genden anhand der Zeichnungen erläutert.

Die Figur 1 zeigt perspektivisch und in starker Vergrößerung zwei übereinander zu schichtende, genutete Folien und eine Deckplatte;

die Figur 2 zeigt den Mikrovermischer schematisch in der Draufsicht;

die Figur 3 veranschaulicht das Herstellungsverfahren für die genuteten Folien.

Gemäß Fig. 1 bestehen die piattenförmigen, übereinanderzu- schichtenden Elemente abwechselnd jeweils aus dünnen Folien 1A und IB mit einer Dicke von 30 bis 1000 μm, vorzugsweise < 250 μm bei einer lateralen Ausdehnung im Millimeterbereich. In die Folien IA, IB ist je eine Schar eng benachbarter, bogenförmig gekrümmter Nuten 2A, 2B eingearbeitet, so daß beim Übereinan- derschichten der Folien IA, IB abwechselnd je eine Reihe von Kanälen 3A und 3B entsteht (siehe Fig. 2) .

Die Nuten haben Tiefen von < 1000 μm, vorzugsweise < 250 μm, Breiten von 10 μm bis in den Millimeterbereich, vorzugsweise jedoch < 500 μm, bei Wanddicken der Zwischenstege 4A, 4B und Nutböden 5A, 5B von < 1000 μm, vorzugsweise < 250 μm. Die

Nutenschar 2B verläuft von der linken, hinteren Stirnfläche 6B bogenförmig zum mittleren Bereich 6C der vorderen Stirnfläche 8B der Folie IB, die Nutenschar 2A verläuft bogenförmig von der rechten, hinteren Stirnfläche 6A zum mittleren Bereich 6C der vorderen Stirnfläche 8A der Folie IA, wobei beide Folien¬ arten IA und IB den gleichen Grundriß haben. Dieser Grundriß hat die geometrische Form eines Fünfecks, gebildet aus einem Rechteck mit hieran angeschlossenem, gleichschenkeligem Drei¬ eck, wobei eine Seite des Rechtecks die Grundseite des gleich- schenkeligen Dreiecks bildet.

Schichtet man eine Vielzahl dieser Folien IA und IB abwech¬ selnd und deckungsgleich übereinander, so entsteht ein Führungsbauteil 6, wie es in der Draufsicht schematisch aus Fig. 2 hervorgeht. An die beiden von den Schenkeln des Drei¬ ecks gebildeten Flächen 6A, 6B sind die Zufuhrkammern 7A, 7B für die Fluide A', B' angeschlossen. An den mittleren Bereich 6C der gegenüberliegenden Fläche 8, in den die Kanäle 3A, 3B parallel zueinander ausgerichtet ausmünden, ist die Misch¬ kammer 9C angeschlossen, über die die miteinander zu ver¬ mischenden oder zu dispergierenden Fluide A', B ¹ bzw. deren Reaktionsprodukte C abgeführt werden.

Die Schenkelflächen 6A, 6B sind gegenüber der Fläche 8 bzw. den beiden Seitenflächen 10, 11 des Führungsbauteils 6 so ge¬ neigt, daß die vom mittleren Bereich 6C der Fläche 8, an den die Mischkammer 9C angeschlossen ist, ausgehenden, von Folie IA zu Folie IB abwechselnd zu der Zufuhrkammer 7A und der Zufuhrkammer 7B führenden Scharen von bogenförmigen Kanälen 3A bzw. 3B annähernd gleiche Längen aufweisen.

Bei kreisbogenförmigen Nuten bzw. Kanälen bedeutet dies, daß die Bogenlänge

2τrr « α !

L = = const .

360°

sein soll, wobei r den jeweiligen Krümmungsradius und α den zugehörigen Bogenwinkel der betreffenden Nuten bzw. Kanäle be¬ deutet. Dies würde an sich zu gekrümmten Schenkelflächen 6A, 6B führen. In der Praxis ist es jedoch im allgemeinen ausrei¬ chend, diese gekrümmten Flächen durch eine Näherungsgerade "einzuebnen", z. B. nach der Vorschrift

«2 ri

<*1 *2 wobei ri- den größten und r ₂ den kleinsten Radius und a-^ bzw. α ₂ die zugehörigen Bogenwinkel zur äußersten und innersten Nut bedeuten.

Nach dem Übereinanderschichten werden die Folien IA, IB mit Deckplatten 15 versehen und vakuumdicht und druckfest mitein¬ ander verbunden, z. B. diffusionsverschweißt, so daß das so entstandene Führungsbauteil 6 die Gestalt eines homogenen Mikrostrukturkörpers erhält, der an die Kammern 7A, 7B und 9C angeschlossen wird.

Zur Herstellung der Folien IA, IB kann eine drehbare Sinterme¬ tallplatte 12 mit geschliffener Oberfläche eingesetzt werden, auf der eine Rohfolie 13 aus einem Metall wie z. B. Kupfer oder Silber mittels Unterdruck aufgespannt wird (siehe Fig. 3) . In die sich drehende Rohfolie 13 werden mittels einem Formdiamanten (nicht dargestellt) in einem mittleren Bereich zwischen Drehmittelpunkt M und Peripherie der Rohfolie 13 eine Schar konzentrischer Nuten 14 eingearbeitet. Sodann wird die Rohfolie 13 in vier Einzelfolien IA, IB unterteilt in der Weise, daß vier mit dem mittleren Durchmesser der konzentri¬ schen Nutenschar übereinstimmende Längsseiten 8, von deren mittlerem Bereich die kreisbogenförmige Nutenschar 14 ihren Ausgang nimmt, je zwei, also insgesamt acht Schmalseiten 10, 11 sowie je zwei Schenkelpaare 6A, 6B entstehen, wobei die Nu¬ tenschar 14 jeweils in einen der beiden Schenkel 6A bzw. 6B ausmündet. Es entstehen also aus vier Segmenten die vorerwähn¬ ten vier deckungsgleichen Fünfecke. Die Nuten haben Vorzugs-

weise rechteckige Querschnitte. Es können auch mehrere genu¬ tete Rohfolien übereinander geschichtet und gemeinsam in die Fünfecke zerschnitten werden.

Bezuαszeichenliste

IA Folie

IB Folie

2A Nuten

2B Nuten

3A Kanäle

3B Kanäle

4A Zwischenstege

4B Zwischenstege

5A Nutböden

5B Nutböden

6 Führungsbauteil

6A hintere Stirnfläche

6B hintere Stirnfläche

6C mittlerer Bereich

7A Zufuhrkammer

7B Zufuhrkammer

8 vordere Stirnfläche

9C Mischkammer

10 Seitenflächen

11 Seitenflächen

12 Sintermetallplatte

13 Rohfolie

14 Nuten

15 Deckplatte A- Fluide

B' Fluide

C• Reaktionsprodukt ri Krümmungsradius r ₂ Krümmungsradius αi Bogenwinkel α ₂ Bogenwinkel

M Drehmittelpunkt