DE2437784A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen herstellung von stoffgemischen bzw. loesungen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Stoffgemischen bzw. Lösungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Stoffgemischen bzw.
• Lösungen aus flüssigen Stoffen mit bis zu 20 Gewichtsprozent Anteilen an festen Stoffen und Füllmaterialien, wobei die Komponenten in einem, mit einem rotierenden Mischwerkzeug versehenen Gehäuse, einem Mischeffekt unterworfen werden.
• Es ist bekannt, Stoffgemische unter Verwendung einer Mischtrommel herzustellen, der die Kunststoff-Rohmaterialien zusammen mit Farbstoffen, Füllstoffen, Stabilisatoren-und Gleitmittel aufgegeben werden. Dabei erfolgt die Mischung und Gelierung der aufgegebenen Stoffe durch die beim Betrieb der Mischtrommel entstehenden Reibungswärme. Die Reibungswärme wird danach durch Drehzahlanpassung des Mischwerkzeuges einreguliert.
• Gemäß der österreichischen Patentschrift 270 997 ist weiterhin eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Aufbereiten von Formmassen bekannt, die aus einem horizontalen zylindrischen Behälter mit darin koaxial angeordneter Welle, auf welcher Mischwerkzeuge befestigt sind, besteht. Die Mischwerkzeuge sind aus mehreren1 in einer zur Drehachse geneigten Ebene und mit einer Anfasung versehenen, flügelförmigen Schaufeln gebildet und führen bei der Drehung der Welle eine taumelscheibenartige Bewegung aus, so daß die einzelnen Formmassenteilchen in ein horizontales Durchlaufsystem eingebracht werden.
• Schließlich wird in der deutschen Patentschrift 2 118 280 eine Vorrichtung zum Herstellen von Formmassen auf Basis von Bitumen und thermoplastischen Kunststoffen beschrieben, wobei in einem Gehäuse koaxial ein drehbares Mischwerkzeug angeordnet ist. Das Werkzeug wird aus, zwischen den Gehäuseenden angeordneten und von Wellenenden getragenen, längs des Gehäuses mit Abstand von dessen Achse verlaufenden Leisten gebildet. Zwischen den Leisten können schrägstehende Scheiben oder Kreisringe eingesetzt sein.
• Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen befriedigen jedoch beim Herstellen von Stoffgemischen bzw Lösungen aus flUssigen Stoffen mit weniger als 20 Gewichtsprozent Anteilen an festen Stoffen nicht in jeder Hinsicht, da die verfahrenstechnischen Funktionen wie gleichmäßiges Erwärmen, gleichmäßiges Mischen oder gleichmäßige mechanische Beanspruchung der Massen nur bedingt erfüllt werden. Bei niedrigen Feststoffanteilen bzw.
• hohem ueberschuß an flüssigen Mischungskomponenten bildet sich vor den Scherelementen ein Flüssigkeitsstau mit einer starken Fließkomponente in Achsrichtung aus, die nicht aufgeschmolzene, bzw. nicht gelöste Teile zum Austrag transportiert und der Vermischung entzieht Ein Stau am Ende des Gehäuses, durch eine Stauscheibe mit geringem Spalt oder durch ein Drosselventil im Austrag hervorgerufen, wirkt sich ebenfalls ungünstig aus, da sich dann der freie Raum im Gehäuseinnern mit Produkt füllt, das der Mischwirkung der Werkzeuge ebenfalls entzogen wird.
• Es wurde nun unter Umgehung vorstehend genannter Nachteile ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art zur kontinuierlichen Herstellung von Stoffgemischen bzw. Lösungen gefunden, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Erwärmung der Feststoffkomponente und die Förderung durch das Gehäuse über die flüssigen Stoffe erfolgt und daß die Vermischung bzw. Lösung bei Drucken von 2 bis 60 at und bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der festen Stoffe vorgenommen wird.
• Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen insbesondere in der kurzen Verweilzeit der Komponenten im Gehäuse, dem daraus resultierenden hohen Massedurchsatz sowie in der sehr guten Homogenität der verarbeiteten Medien.
• Das Verfahren eignet sich besonders zum Verarbeiten von Stoffgemischen bzw. Lösungen aus flüssigen Stoffen und festen schmelzbaren und/oder nicht lösbaren oder lösbaren Stoffen. Die Anteile der festen Stoffe sollen dabei 20 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Massen, nicht überschreiten.
• Unter Verarbeiten im Sinne der Erfindung werden charakteristische Verfahrensschritte, wie Mischen, Homogenisieren, Rühren usw. verstanden. Auch Reaktionen, z. B. zwischen Schmelzen und Flüssigkeiten usw¢, sind durchführbar.
• Die Flüssigkeiten können Newtonsche Flüssigkeiten, z. B. Wasser, Bitumen oder Teere, organische Lösungsmittel, wie Toluol, Benzol, Tetrahydrofuran und dergleichen, aber auch solche pumpfähigen Medien sein, deren Fließeigenschaften vom Newtonschen Fließverhalten mehr oder weniger stark abweichen.
• Als feste Stoffe kommen insbesondere thermoplastische Kunststoffe und Füllstoffe in Betracht. Geeignete Polymere sind beispielsweise Homo- und Copolymere des ethylens, des Propylens oder Polymere des Vinylchlorids0 Ferner eignen sich auch Polyisobutylen, Polyester und Polycarbonate. Füllstoffe sind bevorzugt solche feinkörnigen oder faserförmigen Charakters wie Holzmehl, Ruß, Kieselgur, Kaolin, Quarzmehl, Sand, Schiefermehl, Asbestfasern, Glasfasern und Steinkohle sowie Gummimehl, Wollfilz, Jute oder auch Synthesefasern. Der Anteil dieser feinteiligen Füllstoffe kann innerhalb weiter Grenzen variiert werden und liegt im allgemeinen zwischen etwa 5 bis 70 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Feststoffkomponente. Zur Einfärbung der Stoffgemische bzw. Lösungen können auch Pigmente zugegeben werden. Dafür genügen oft schon ganz geringe Anteile. Auch Stabilisatoren und'Weichmacher lassen sich einarbeiten.
• Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse mit Ein- bzw. Auslaßöffnungen und einem in dem Gehäuse koaxial angeordneten drehbaren Mischwerkzeug, das unterschiedlich gestaltete Abschnitte aufweist, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß im Anschluß an eine Einzugschnecke mindestens zwei, längs des Gehäuses mit Abstand von dessen Achse verlaufende, an sich bekannte Scherelemente und danach folgend mehrere, am Umfang des Mischwerkzeugs gleichmäßig verteilte Homogenisierelemente angeordnet sind, wobei zwischen Scherelementen und Homogenisierelementen eine Stauscheibe befestigt ist. Die Scherelemente können am Umfang in Drehrichtung eine konkave Anschrägung aufweisen.
• Nach einem weiteren-Merkmal der Erfindung sind die Homogenisierelemente pyramidenstumpfförmig ausgebildet und in mehreren Reihen gegeneinander versetzt angeordnet.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines AusfUhrungsbeispiels der Vorrichtung, das in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist, näher erläutert.
• Es zeigt Figur 1 einen Längsschnitt, Figur 2 einen Querschnitt der Vorrichtung in der Ebene I-I und Figur 3 einen Querschnitt in der Ebene II-II.
• Die Mischungskomponenten werden bei einem Druck von zweckmäßig 2 bis 60, vorteilhaft 2 bis 20 at und einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts der Feststoffkomponente, d. h. je nach Mischungsverhältnis bei 20 bis 4000C, möglichst unter Sauerstoffausschluß in einem, im wesentlichen zylinderförmigen Gehäuse (4) erwärmt, geschmolzen und gemischt. Die festen Stoffe werden vorwiegend in Pulver- oder Granulatform über einen Einfülitrichter (1) und eine kernprogressiv ausgeführte Einzugschnecke (2) in das Gehäuse (4) gegeben. Die Zufuhr der flüssigen Stoffe erfolgt über eine Dosierpumpe (in der Zeichnung nicht dargestellt) durch die am Gehäuseumfang radial angeordnete ¢ffnung (3). Bereits vorplastifizierte oder flüssige Stoffe mit niedriger Viskosität können auch über die ffnung (12) in des Gehäuse ge£Urdert werden.
• Die Wärmeübertragung erfolgt über die bereits erwärmten flüssigen Stoffe innerhalb des Gehäuses. Die Strömungsverhältnisse sind so festgelegt, daß jedes Volumenelement der Stoffgemische bzw. Lösungen möglichst häufig in die Nähe der Gehäusewand gelangt. Der eigentliche Aufschmelz- und Mischprozeß vollzieht sich in erster Linie in einem Scher- und Keilspalt. Um eine gleichmäßige, schonende und auch definierbare Scherbeanspruchung des eingesetzten Gutes zu erhalten, müssen alle Materialteilchen gleichmäßig und gleich häufig während des Verarbeitungsprozesses in den Spalt (11) zwischen den rotierenden Scher- (5) und Homogenisierelementen (7) und dem Zylindermantel des Gehäuses (4) eingezogen werden.
• Mit (13) sind die, die Scher- und Homogenisierelemente tragenden Wellenenden bezeichnet. Die Scherelemente (5) sind erfindungsgemäß als längs des Gehäuses (4) mit Abstand von dessen Achse verlaufende Leisten ausgebildet und zweckmäßigerweise am Umfang in Drehrichtung mit einer konkaven AnschrK-gung versehen, um möglichst große Turbulenz der Flüssigkeiten in diesen Bereichen zu erzielen. Die Anzahl der Leisten richtet sich nach der Größe des Gehäuses und nach den Eigenschaften der Mischkomponenten und beträgt im allgemeinen 2 bis 12, vorteilhaft 2 bis 4. An die Scherelemente (5) schließen sich die pyramidenstumpfförmig ausgebildeten Homogenisierelemente (7) an. Diese sind, in Förderrichtung, in mehreren Reihen hintereinander und gegeneinander versetzt, am Umfang einer Hohlwelle, angeordnet9 Zwischen den Scher- und Homogenisierelementen und gegebenenfalls auch im Bereich dieser Elemente können im wesentlichen senkrecht zur Gehäuseachse stehende Stauscheiben (6), (8) und (9) angeordnet sein, die jeweils einen Mischabschnitt durch Drosselstellen begrenzen. Der Austrag der Stoffgemische bzw. Lösungen erfolgt über den regulierbaren Auslauf (10).
• Die Vorrichtung zeichnet sich insbesondere durch kompakte Bauweise aus und ist bedingt durch die strömungsgünstige Gestaltung der Scher- und Homogenisierelemente außerordentlich unempfindlich gegen Ablagerungen und sonstige Störungen, beispielsweise Verklebungen.
• Beispiel 1 90 Teile Bitumen, das nach DIN 1995 eine Penetration von 80 hat, werden mit 10 Teilen Polyolefine mit einem Schmelzindex MFI 190/o, 325 nach DIN 53 735 von 2,5, vermischt. Die feste Komponente wird bei Raumtemperatur durch die Einzugsschnecke, die flüssige mit einer Temperatur von 1800C und einen Druck von 3 at am Umfang des Gehäuses, nach der Einzugsschnecke, in den Aufschmelzteil transportiert und dort bei hoher Turbulenz vom Scherteil erfaßt. Die zum Aufschmelzen des festen Stoffes erforderliche Energie wird zum überwiegenden Teil von der eingebrachten Wärmemenge der flüssigen Komponente gedeckt. Die Umfangsgeschwindigkeit der Scher- und Homogeniesierelemente beträgt 5,8 m/s bei einer Scherspaltweite von 1,25 mm. Bei einem Massedurchsatz von 500 kg/h ergibt sich eine Verweilzeit von 20 s und eine Antriebsleistung von etwa 2 kW. Das Gemisch weist trotz kurzer Verweilzeit einen sehr guten Homogenitätsgrad auf.
• Beispiel 2 Gemäß Beispiel 1 wird in der Vorrichtung eine Lösung aus 94 Gewichtsteilen Leichtbenzin und 6 Gewichtsteilen Polyäthylen hergestellt. Das Polyäthylen hat eine Dichte von o, 96 gr/cm3 und einen Schmelzindex von 5 gr/10 Min.. Das Leichtbenzin besßitzt einen Siedebereich von 35 - 950C. Das Polymere wird in Granulatform über eine kernprogressive Einzugsschnecke zudosiert. In den Flüssigkeitsraum der Vorrichtung wird durch eine Dosierpumpe das Lösungsmittel mit einer Temperatur von 1650C über die oeffnung 3 zugeführt. Die Erwärmung der Flüssigkeit erfolgt in einem separaten Vorwärmer. Der Druck im Gehäuse beträgt 15 bar. Die Umfangsgeschwindigkeit der Zerteil- und Homogenisierelemente beträgt 10 m/sek, die Scherspaltbreite 0,8 mm. Bei einem Durchsatz von 100 kg/h ergibt sich eine Verweilzeit von 20 sek.
• und eine Temperatur der Lösung von 1550C. ueber eine direkt an den Ausgangsstutzen angeschlossene Leitung wird die homogene Lösung einer Zerfaserungsvorrichtung zugeführt.
• Beispiel 3 88 Teile eines mittelmolekularen, niederviskosen Polyisobutylens, das einen Schmelzindex von 1,5 und eine Dichte von 0,92 g/cm3 hat, werden mit 12 Teilen eines PIB-Gemisches, das sich zu gleichen Teilen aus einem mittel- und hochmolekularen PIB zusammensetzt, vermischt. Die niederviskose Komponente wird mit 1800C, der Batch bei einer Temperatur von 170°C in den Aufschmelzteil transportiert und dort von den Scherelementen erfaßt. Die Komponenten werden infolge von Friktion und Scherung bei einem Druck von 5 at auf 2500C weiter erwärmt und vermischt und im Homogenisierteil weiter verteilt. Die Umfangsgeschwindigkeit beträgt 1,7 m/s und die Scherspaltweite 1,25 mm. Bei einem Massedurchsatz von 70 kg/h ergibt sich eine Verweilzeit in der Vorrichtung von etwa 25 s, wobei die Leistungsaufnahme 10 kW beträgt. Die aus der Vorrichtung auslaufende Schmelzflüssigkeit ist gut homogenisiert und hat eine Viskosität von etwa 400 cP.

Claims (4)

1. Patentansprüche

   0 Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Stoffgemischen bzw. Lösungen aus flüssigen Stoffen mit bis zu 20 Gewichtsprozent Anteilen an festen Stoffen und FUllmaterialien, wobei die Komponenten in einem, mit einem rotierenden Mischwerkzeug versehenen Gehäuse, einem Mischeffekt unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Feststoffkomponente und die Förderung durch das Gehäuse über die flüssigen Stoffe erfolgt und daß die Vermischung bzw. Lösung bei Drucken von 2 bis 60 at und bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der festen Stoffe vorgenommen wird.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse mit Ein- bzw. Auslaßöffnungen und einem in dem Gehäuse koaxial angeordneten, drehbaren Mischwerkzeug, das unterschiedlich gestaltete Abschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an eine Einzugschnecke (2) mindestens zwei, längs des Gehäuses (4) mit Abstand von dessen Achse verlaufende, an sich bekannte Scherelemente (5) und danach folgend, mehrere, am Umfang des Mischwerkzeugs gleichmäßig verteilte Homogenisierelemente (7) angeordnet sind, wobei zwischen Scherelementen (5) und Homogenisierelementen (7) eine Stauscheibe (6) befestigt ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scherelemente (5) am Umfang in Drehrichtung eine konkave Anschrägung aufweisen.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierelemente (7) pyramidenstumpfförmig ausgebildet und in mehreren Reihen, gegeneinander versetzt, angeordnet sind.

   Zeichn. L e e r s e i t e