DE2654774C3 - Schneckenmaschine zur Homogenisierung von aufgeschmolzenen Polymeren - Google Patents

Description

a) Mindestens eine Zuführleitung (20, 32) für Kühlwasser mündet — in Förderrichtung (16) gesehen — vor der Homogenisierzone (d) in die Gehäusebohrung (12,13).

b) In Förderrichtung gesehen vor dem Materialaufgabestutzen (17) ist ein Abzug (30) für das Wasser bzw. dessen Dampf vorgesehen.

c) Es sind Einrichtungen vorgesehen, mittels derer die Schneckenmaschine im Bereich zwischen der mindestens einen Zuführleitung (20, 32) für Kühlwasser und dem Abzug (30) mit Teilfüllung betreibbar ist.

2. Schneckenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Förderrichtung (16) gesehen unmittelbar hinter der Kühlzone (f) und vor der Homogenisierzone (d) eine Staueinrichtung (Schneckenwindungsstück 21) angeordnet ist.

3. Schneckenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Materialaufgabestutzen (17) ein Dosierventil (19) vorgesehen ist.

4. Schneckenmaschine nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Materialaufgabestutzen (17) und dem Abzug (30) bei/mindestens d» einen Schnecke (10, 11) ein Schneckensteg (29) mit erheblich geringerer Steigung als in der Einzugszone (a) vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft eine Schneckenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei der Herstellung von Polymeren, insbesondere Hochdruck-Polyäthylen, entstehen durch unterschiedliehe Verweilzeiten im Reaktor, sowie durch unterschiedliche Temperaturen und unterschiedliche Katalysatorkonzentrationen im Reaktionsraum des Reaktors Polymere, die sich aus Anteilen mit sehr unterschiedlichem Molekulargewicht und unterschiedlicher Moleku- ^gewichtsverteilung zusammensetzen. Die Folge sind Polymerisate mit sehr heterogenen Theologischen, optischen, mechanischen und anwendungstechnischen Eigenschaften. Eine Weiterverarbeitung derartiger Polymere ist nur schwes möglich und hat nach ihrer f>o Verarbeitung Fertigteile mit geringer Qualität zur Folge, Versuche, diese Mängel bereits im Herstellungsprozeß zu verhindern oder zu beseitigen, sind bisher fehlgeschlagen.

Es ist bereits bekannt, diese unterschiedliche Eigenschäften aufweisenden Polymere durch eine nachträgliche Homogenisierung zu vergleichmäßigen, so daß Material mit einheitlichen Eigenschaften erhalten wird,

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4U aus dem sich wiederum Produkte mit optimalen Eigenschaften herstellen lassen. Die Homogenisierung erfolgt dadurch, daß die aufgeschmolzenen Polymere unterhalb einer bestimmten, für das jeweilige Polymer festgelegten Maximaltemperatur einem definierten Scherprozeß unterworfen werden. Ein Problem besteht darin, mindestens die durch den Scherprozeß in dem Polymer entstehende Wärme durch eine äußere Kühlung wieder abzuführen. Ein weiteres Problem besteht darin, noch mehr Wärme als die bei der Scherung entstehende abzuführen, da die Polymerschmelze normalerweise den Reaktionsraum des Reaktors mit einer Temperatur verläßt, die oberhalb der für den Homogenisierprozeß zulässigen Maximaltemperatur liegt und daher erst verringert werden muß. Es ist ein Erfahrungssatz, daß das Verhältnis der bei der Scherung entstehenden Wärme zu der durch Kühlung abgeführten Wärme im wesentlichen proportional der Umfangsgeschwindigkeit der Schnecke ist. Wenn keine Erwärmung der Schmelze über die zulässige Maximaltemperatur eintreten sol!, dann muß das Verhältnis von bei der Scherung entstehender Wärme zu der durch Kühlung abgeführten Wärme kleiner 1 sein. Bei zu verarbeitenden Materialien mit üblichen Viskositäten kann dieses Verhä'tnis eingehalten werden, solange die Umfangsgeschwindigkeit der Schnecke unter ca. 1 m/s bleibt. Problematisch wird es bei größeren Schncckendurchmessern, hei denen mit höheren Umfangsgeschwindigkeiten gearbeitet wird. Es wäre zwar möglich, mit steigendem Schneckendurchmesser die Drehzahl zu verringern, um eine gleichbleibende Umfangsgeschwindigkeit der Schnecke zu erreichen; dies würde aber dazu führen, daß die Durchsatzleistung der Schneckenmaschinen nur linear mit dem Durchmesser der Schnecken steigen würde, was wirtschaftlich untragbar wäre.

Versuche, die Wärmeübergangsbedingungen zu verbessern, indem mit möglichst kaltem Kühlmedium gearbeitet wird und durch Einsatz einer sogenannten nassen Büchse besonders intensiv gekühlt wird, bringen nur eine graduelle Verbesserung, können das Problem grundsätzlich jedoch nicht lösen.

Aus der DE-AS 11 74 054 ist eine Schneckenstrangpresse bekannt, die im Anschluß an einen Materialaufgabetrichter eine Hochdruckzone und hieran anschließend eine Niederdruckzone aufweist. Zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckzone ist eine als Ventil dienende Staueinrichtung vorgesehen, durch die die Durchflußgeschwindigkeit des zu behandelnden Materials in der Maschine gesteuert wird. Diese bekannte Schneckenmaschine weist im Bereich der Hochdruckzone und im Bereich der Niederdruckzone Kühlkanäle auf, wobei das Gehäuse auch im Bereich des Materialaufgabestutzens gekühlt ist. Die Kühleinrichtungen dienen dazu, überschüssige Reibungswärme abzuführen, die infolge der Bearbeitung des Materials durch die Schnecke erzeugt wird. Die Kühleinrichtungen im Bereich des Materialaufgabestutzens dienen dazu zu verhindern, daß das in das Gehäuse aufgegebene Material klebrig wird und an der Schnecke anklebt.

Aus der DE-AS 18 03 896 ist eine Strangpresse bekannt, bei der einem einem Materialaufgabestutzen nachgeordneten Förderubschnitt noch ein Mischabschnitt nachgeschaltet ist. An diesen Mischabschnitt schließt sich ein Wärmetauscher an. Bei dieser bekannten Strangpresse wird das zu behandelnde Kunstharz als Granulat aufgegeben und im Förderabschnitt auf eine Temperatur von 130 bis 150⁰C erwärmt und dabei geschmolzen. Im Mischabschnitt wird ein

inzwischen zugeführtes Blähmittel gründlich mit dem Kunstharz vermischt, währenddessen eine Erwärmung des Gemisches auf 170⁰C erfolgt. Im Anschluß daran wird die gründlich vermischte Kunstharzschmelze in dem Wärmetauscher auf etwa 100° C abgekühlt

Aus dem DE-GM 72 36 396 ist es bekannt, auf Schneckenwellen von Schneckenknetmischern Schnekkenwindungen mit unterschiedlicher Steigung, also auch Schneckenwindungen vorzusehen, die eine geringere Steigung aufweisen als andere Schneckenwindungsstükke.

Aus der US-PS 37 99 234 ist eine Schneckenmaschine mit Einrichtungen zum Entziehen der flüchtigen Bestandteile aus au verarbeitenden Kunststoffen bekannt. Hierzu wird Wasserdampf in das aufgeschmolzene Material eingegeben und — in Förderrichtung gesehen — vor der Dampfzugabestelle abgezogen. In dem Bereich zwischen der Dampfzugabe und der Abzugsstelle wird die Schneckenmascnine derart betrieben, daß der Druck von der Abzugstelle zur Zufuhrstelle ansteigt, so daß der Dampf zwangsläufig im Gegenstrom durch die Maschine strömt.

In Förderrichtung gesehen hinter der Dampfzugabestelle und hinter einer Homogenisierzone ist ein Zulauf für Wasser vorgesehen, mittels dessen die zu bearbeitenden Kunststoffe gekühlt werden. Das Wasser wird stromabwärts als Dampf entnommen, der auch noch Restbestandteile der zu entziehenden flüchtigen Bestandteile enthält. Der Nachteil dieser Ausgestaltung liegt darin, daß der zu bearbeitende Kunststoff in der vorgeordneten Homogenisierzone bereits über eine zulässige Temperatur hinaus erhitzt worden sein kann. Dieser Nachteil würde — wie bereits ausgeführt wurde

— besonders bei großen Schneckendurchmessern zum Tragen kommen.

Eine bezüglich der Kühlung der zu verarbeitenden Kunststoffe mit direkt eingespritztem Wasser vergleichbare Schneckenmaschine ist aus der US-PS 36 83 511 bekannt.

Aus der CH-PS 3 33 283 ist es bekannt, einem kontinuierlich arbeitenden Schneckenkneter zum Mischen und Plastizifizieren von Kunststoffen eine Austragsschnecke nachzuordnen. Diese Austragsschnecke besitzt eine heiz- und kühlbare Schneckenwelle, die in einem mit einem Heiz- und Kühlmantel versehenen Schneckengehäuse gelagert ist. Am Schnekkengehäuse sind zum Entgasen des plastifizierten Kunststoffes Entlüftungsstutzen vorgesehen, und zwar ein Entlüftungsstutzen im Materialaufgabestutzen der Austragsschnecke und ein weiterer Entlüftungsstutzen

— in Förderrichtung der Austragsschnecke gesehen — vor dem Materialaufgabestutzen. Die erwähnte Anordnung der Entlüftungsstutzen ist deshalb vorgesehen, da im Einlauf der Austragsschnecke das in plast-fizierter Form aufgegebene Material besonders stark durchgearbeitet wird, so daß flüchtige Stoffe gasförmig entweichen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schneckenmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so auszugestalten, daß auch bei großen Schneckendurchmessern zuverlässig ein Überschreiten der für die Homogenisierung zulässigen Maximaltemperatur des Polymers verhindert wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Schneckenmaschine der gattungsgemäßen Art durch die Merkmale des Kenn-Zeichnungsteils des Patentanspruches 1 gelöst. Hierdurch wird erreicht, daß mittels des Wassers eine besonders intensive Kühlung der noch in der Eingabezone befindlichen Schmelze erreicht wird, wobei dadurch, daß das Wasser einerseits und die Schmelze andererseits im Gegenstrom zueinander geführt werden, eine besonders intensive Berührung und Durchdringung von Wasser und Schmelze erreicht wird, wodurch wiederum einerseits eine besonders intensive Kühlung erreicht wird, und wodurch andererseits die in der Schmelze enthaltenen flüchtigen Bestandteile in das Wasser bzw. dessen Dampf übergehen. Damit wird also erreicht, daß auch bei großen Schneckendurchmessern und entsprechend hohen Umfangsgeschwindigkeiten der Schnecke bzw. Schnecken, bei denen in der Homogenisierzone selber nicht die durch die Scherung erzeugte Wärme vollständig abgeführt werden kann, die zulässige Maximaltemperatur in der Homogenisierzone nicht überschritten wird, da das zu homogenisierende Polymer bereits mit einer deutlich unterhalb dieser zulässigen Maximaltemperatur liegenden Temperatur in die Homogenisierzone eintritt, also die bei der Scherung entstehende Wärme teilweise oder völlig unter gleichzeitiger Temperaturerhöhung aufnehmen kann, ohne daß die zulässige Maximaltemperatur erreicht wird. Außerdem kann durch diese Maßnahmen die in der Regel für die Homogenisierung zu hohe Temperatur der vom Reaktor kommenden Polymerschmelze erheblich gesenkt werden. Durch die erfindungsgemäße Führung des Kühlwassers am Materialaufgabestutzen vorbei tritt im Gefolge des Kühlprozesses eine gerade bsi der Verarbeitung von Hochdruck-Polyäthylen besonders bedeutsame Entgasung ein, da Hochdruck-Polyäthylen als flüchtigen Bestandteil Äthylen enthält, das explosiv ist Bei den bekannten Verfahren bzw. Schneckenmaschinen verbleibt ein nicht unbeträchtlicher Teil des Äthylens in der Schmelze und dem daraus hergestellten Granulat, so daß die Bunker, in denen das Granulat gelagert wird, ständig gut belüftet werden müssen. Diese Maßnahmen können aufgrund des erfindungsgemäßen Kühlprozesses weitgehend oder völlig entfallen. Die Anordnung des Abzuges — in Förderrichtung gesehen — vor dem Materialaufgabestutzen führt dazu, daß im Bereich des Abzuges mit Sicherheit keine Schmelze vorhanden ist. Insbesondere bei hohen Kühlleistungen und daraus resultierenden hohen Kühlwassermengen bestünde die Gefahr, daß aufgrund der auftretenden hohen Dampfgeschwindigkeiten die Schmelze mit aus dem Abzug herausgerissen würde, wenn sich dieser — in Förderrichtung gesehen — hinter dem Materialaufgabestutzen befinden würde.

Die Maßnahme nach dem Anspruch 2 dient dazu zu verhindern, daß Wasser oder dessen Dampf in Förderrichtung durch die Maschine strömt An der Staueinrichtung staut sich die durch die Schneckenmaschine geförderte Schmelze, so daß kein freier Querschnitt für ein freies Durchströmen des Wassers bzw. dessen Dampfes verbleibt

Die Maßnahme nach dem Anspruch 3 dient dazu, den Betrieb der Schneckenmaschne im Einzugsbereich mit Teilfüllung zu realisieren.

Die Maßnahme nach dem Anspruch 4 dient dazu zu verhindern, daß Schmelze in den Bereich des Abzugs gelangt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigi

Fig. I_- einen vertikalen Längsschnitt durch eine Schneckenmaschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig.2 einen vertikalen Querschnitt durch die

Schneckenmaschine gemäß der Schnittlinie H-Il in Fig I.

Die in Fig. 1 dargestellte Schneckenmaschine besteht aus einem Gehäuse 1, das aus mehreren Schüssen 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 besteht, die axial hintereinander ο angeordnet und aneinandergeflanscht sind. In dem Gehäuse 1 -.md zwei achsparallele Schnecken 10, 11 angeordnet, die auf ihrem Außenumfang mit schraubenlinienförmig verlaufenden Schneckenstegen versehen sind, auf die im einzelnen noch näher eingegangen wird. Die Schnecken 10, 11 sind in entsprechenden, etwa zylindrischen, seitlich miteinander verbundenen Gehäusebohrungen 12, 13 angeordnet, wobei zwischen den Schneckenstegen und der Innenwand der Gehäusebohrungen 12, 13 nur das konstruktiv notwendige Laufspiel besteht. Die Schnecken 10, 11 sind von einem nicht dargestellten Antriebsmotor über ein ebenfalls nicht dargestelltes Getriebe gleichsinnig entsprechend den Drehrichtungspfeilen 14,15 antreibbar.

An dem in Förderrichtung 16 zweiten Schuß 3 des Gehäuses 1 ist ein Materialaufgabestutzen 17 angebracht, durch den das zu bearbeitende Material, das beispielsweise aus einer Reaktionskammer 18 kommt, in die Schneckenmaschine gegeben wird. In dem Materialaufgabestutzen 17 ist ein Dosierventil 19 angebracht, durch das die pro Zeiteinheit in die Schneckenmaschine gelangende Materialmenge genau eingestellt werden kann. In dem in Förderrichtung 16 nachgeordneten Schuß 4 des Gehäuses 1 ist eine Zuführleitung 20 zur Zuführung von Wasser in die Gehäusebohrungen 12,13 vorgesehen.

In dem wiederum dem Schuß 4 des Gehäuses 1 nachgeordneten Gehäuseschuß 5 ist auf den Schnecken !0, 11 jeweils ein kurzes Schneckenwindungsstück 21 mit gegenläufiger Steigung angebracht, das also auf das in Förderrichtung 16 geförderte Material stauend wirkt. Der Bereich von dem Materialaufgabestutzen 17 bis zu dem Schneckenwindungsstück 21 stellt eine Einzugszone a dar, in der die Schnecken 10, 11 mit Schneckenstegen 22 verhältnismäßig großer Steigung to versehen sind. Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, greifen diese Schneckenstege 22 der beiden Schnecken 10, 11 ineinander, d. h. sie kämmen, so daß ein einwandfreier Fördereffekt auch bei Teilfüllung gewährleistet ist.

in dem nachgeordneten Gehäuseschuß 6 ist ein Abzug 23 angebracht. Der Gehäuseabschnitt von dem als Staueinrichtung dienenden Schneckenwindungsstück 21 bis unmittelbar hinter dem Abzug 23 bildet eine Entspannungszone b. Der nachgeordnete, sich etwa bis in die Mitte des nächsten Gehäuseschusses 7 erstrecken- -so de Bereich bildet eine Kompressionszone c In der Entspannungszone b und der Kompressionszone c sind auf den Schnecken 10, Il durchgehende Schneckensicge 24 angebracht, die im Prinzip gleichartig ausgestaltet sind, wie die Schneckenstege 22 in der Einzugszone a.

An die Kompresstonszone c schließt sich eine Homogenisierzone d an, die sich in dem dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel etwa von der Mitte des Gehäuseschusses 7 bis zum Ende des nachfolgenden Gehäuseschusses 8 erstreckt. In dieser tio Homogenisierzone d sind auf den Schnecken 10, 11 scheibenförmige Knetelemente 25 angebracht, wie sie aligemein üblich und beispielsweise aus der US-PS 33 92 962 bekannt sind.

Der Homogenisierzone d schließt sich eine Austragszone e an. die sich im wesentlichen über den in Fördsmchtung 16 letzten Gehäuseschuß 9 erstreckt In diener Austragszone e sind auf den Schnecken 10, 11 wiederum Schneckenstege 26 angebracht, die wiederum im Prinzip denen in der Einzugszone a, der Entspannungszone bund der Kompressionszone centsprechen. An den letzten Gehäuseschuß 9 ist in üblicher Weise ein Strangpreßmundstück 27 angeflanscht, dem eine Granuliereinrichtung nachgeordnet sein kann. In den einzelnen Gehäuseschüssen 2 bis 9 sind in möglichst geringem Abstand von den Gehäusebohrungen 12, 13 Kühlwasserkanäle 28 vorgesehen. In Förderrichtung 16 vor dem Materialaufgabestutzen 17 ist der Gehäuseschuß 2 vorgesehen, in dessen Bereich die Schnecken 10, 11 mit Schneckenstegen 29 sehr viel geringerer Steigung als die Schneckenstege 22, 24, 26 vorgesehen sein. Der Gehäuseschuß 2 ist mit einem Deckel 31 verschlossen, durch den lediglich die Schnecken 10 bzw. 11 hindurchgeführ! sind.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Schneckenmaschine arbeitet wie folgt:

Durch den Materialaufgabestutzen 17 wird eine Polymer-Schmelze vorzugsweise Hochdruck-Polyäthylen-Schmelze aufgegeben, wobei die zuzugebende Menge mittels des Dosierventils 19 so dosiert wird, daß pro Zeiteinheit weniger Schmelze zugeführt wird, als dem Fordervolumen der Schnecken entspricht. Hierdurch bedingt wird die Schneckenmaschine in der Einzugszone a nur mit Teilfüllung betrieben. Durch die Zuführleitung 20 wird Wasser zugeführt, das wegen der Teilfüllung in der Einzugszone a entgegen der Forderrichtung 16 durch die Gehäusebohrung bis zum Abzug 30 strömt. Das Wasser strömt deswegen entgegen der Förderrichtung 16 durch die Gehäusebohrungen 12,13. weil in Förderrichtung 16 gesehen hinter der Einmündung der Zuführleitung 20 das als Staueinrichtung dienende Schneckenwindungsstuck 21 angebracht ist, in dessen Bereich sich die Schmelze staut, so daß kein freier Querschnitt mehr vorhanden ist, durch den das Wasser hindurchströmen könnte. Auf dem Weg von der Einmündung der Zuführleitung 20 bis zum Abzug 30 kommt das Wasser in innige Berührung mit der ständig durch die Schnecken umgewälzten Schmelze, so daß die Berührung zwischen Schmelze und Wasser aui einer sehr großen Oberfläche erfolgt. Verstärkt wird dieser Effekt noch dadurch, daß Wasser und Schmelze im Gegenstrom zueinander geführt werden, wodurch die Schmelze zumindest im Bereich ihrer jeweiligen Oberfläche aufgelockert und von dem Wasser durchdrungen wird. Hierbei tritt ein großer Wärmeübergang von der Schmelze auf das Kühlwasser ein, wodurch zum einen die Schmelze gekühlt wird und zum anderen das Wasser im wesentlichen in dampfförmigen Zustand übergeht. Gleichzeitig findet ein Stoffaustausch in der Weise statt, daß flüchtige Monomere aus der Schmelze in das Wasser bzw. den Wasserdampf übergehen, d. h. der wesentliche Teil der ohnehin notwendigen Entgasung der Schmelze erfolgt gleichzeitig mit dem Kühlen.

Wenn eine besonders starke Kühlung notwendig ist. kann weiteres Wasser durch eine zweite Zuführleitung 32 in die Gehäusebohrungen 12, 13 eingeführt werden, die ebenfalls in Förderrichtung 16 vor dem als Staueinrichtung dienenden Schneckenwindungsstück 21 angeordnet ist Geringe, in der Schmelze enthaltene Wasseranteile, die die Staueinrichtung überwunden haben, werden durch den vor der Homogenisierzone d angeordneten Abzug 23 aus der Schmelze abgezogen, wobei gleichzeitig auch noch restliche Monomere in flüchtiger Form miiabgezogen werden. Beide Abzüge 23 h/w. 30 werden in der Regel an Teilvakuumquellen

angeschlossen, um den Wasserdampf zufriedenstellend abziehen zu können.

In der Homogenisierzone d wird die Schmelze in üblicher Weise außerordentlich intensiv durch Einleitung von Scherkräften mittels der scheibenförmigen Knetelemente 25 homogenisiert, wobei aufgrund der inneren Reibung der Schmelze in beträchtlichem Umfang Wärme entsteht. Da die Schmelze in der Kühlzone f, die sich von der Einmündung der Zuführleitung 20 bzw. der Einmündung der Zuführleitung 32 bis zum Abzug 30 erstreckt, in erheblichem Umfang Wärme entzogen worden ist, tritt bei der nachfolgenden Erwärmung in der Homogenisierzone d keine Erhöhung der Temperatur über eine zulässige Temperatur ein.

Nach dem Homogenisieren wird die Schmelze durch das Strangpreßmundstück 27 ausgepreßt und gegebenenfalls zu Granulat weiterverarbeitet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Schneckenmaschine zur Homogenisierung von aufgeschmolzenen Polymeren, insbesondere Hochdruck-Polyäthylen, mit mindestens einer mit Schnekkenstegen versehenen, in einer Gehäusebohrung eines Gehäuses angeordneten Schnecke, wobei einer Einzugszone mit einem Materialaufgabestutzen mindestens eine Homogenisierzone nachgeordnet ist, und wobei im Bereich der Einzugszone und im Bereich der Homogenisierzone Kühlzonen vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender zum Teil bekannter Merkmale: