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Verfahren zum Konzentrieren von Kautschukmilch durch Eindampfen im Vakuum.
Die Erfindung bezieht sich auf das Konzentrieren von Kautschukmilch. Durch die dauernd zunehmende, unmittelbare Verwendung der Kautschu1. ïnilch in der Gummiindustrie hat auch die Frage der Konzentrierung der Kautschukmilch eine immer grössere Bedeutung erlangt, und es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, brauchbare Konzentrierungsmethoden auszuarbeiten. Es sind vier grundsätzlich verschiedene Wege beschritten worden, um die Konzentrierung der Kautschukmilch zu bewirken, u. zw. das Konzentrieren durch Zentrifugieren, durch Aufrahmen, durch Filtrieren und durch Verdampfen, bzw. Verdunsten des in der Kautschukmilch enthaltenen Wassers.
Den nach den ersten drei Methoden gewonnenen Konzentraten sind die Serumbestandteile weitgehend oder praktisch vollständig entzogen, während die nach dem vierten Verfahren, d. h. durch Eindicken, erhaltenen Produkte die gesamten Latexbestandteile mit Ausnahme eines mehr oder minder grossen Teils des Wassers enthalten. Daher können auch nur diese letzteren durch einfaches Verdünnen mit Wasser in Kautschukdispersionen verwandelt werden, die in ihren Eigenschaften und in ihrer Zusammensetzung so gut wie vollständig dem ursprüng- lichen Kautschukmilchsaft gleichen. Aus diesem Grunde ist das Eindicken den andern Konzentrierlngsverfahren für Kautschukmilch wohl grundsätzlich vorzuziehen.
Wegen der ganz eigenartigen Verbindung bestimmter Eigenschaften, nämlich einer hochgradigen Neigung zu starkem Schäumen, einer ungewöhnlich hohen Klebrigkeit und der Leichtigkeit, mit der sie koaguliert, verursacht indessen die Kautschukmilch bei allen Eindickverfahren ganz ungewöhnliche und einzigartige Schwierigkeiten. Deshalb sind von den für das Eindicken von Kautschukmilch bereits in grosser Zahl vorgeschlagenen Verfahren nur ganz wenige praktisch brauchbar, und es versagen vielfach Verfahren und Vorrichtungen völlig, die sich beim Eindicken anderer Flüssigkeiten bewährt haben.
Man hat mit wenig Erfolg zunächst versucht, Kautschukmilch in offenen Gefässen unter Rühren einzudicken. Später hat man in geschlossenen Gefässen mit Vakuum gearbeitet. Auch hat man im Vakuum Latex durch erwärmte Röhren gezogen. Nach einem andern Eindampfverfahren sollte Latex in dicken Strahlen senkrecht von oben nach unten mehrfach durch eine Heizkammer geführt werden. Des weiteren hat man durch Versprühen von Kautschukmilch in einem warmen Luftraum oder Luftstrom die Konzentrierung vorzunehmen versucht, gegebenenfalls nach Vorkonzentrierung der mit Schutzkolloiden versetzten Kautschukmilch in einer Zentrifuge. Auch die Eindampfung von Kautschukmilch nach dem sogenannten Kletterprinzip in Röhrenapparaten nach Kestner ist vorgeschlagen worden.
Andern Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, jeweils einen Teil der einzudickenden Kautschukmilch unter Erwärmung in dünner Schicht auszubreiten, derart, dass der Kautschukmilch ein Teil ihres Wassergehaltes dabei in Form von Wasserdampf entzogen wird. Das so gewonnene Konzentrat wird dann mit der Hauptmenge der Kautschukmilch'wieder vereinigt, und es werden diese Massnahmen so lange wiederholt, bis die gesamte Menge der Kautschukmilch die gewünschte Konzentration erreicht hat. Für diesen Zweck wurden um die Längsachse rotierende Trommelapparate verwendet, die nur im untersten Teil mit Kautschukmilch gefüllt waren und in denen man die Kautschukmilch erhitzte, während man einen Luftstrom axial durch die Trommel über die Oberfläche der Kautschukmilch blies.
Das Wasser wurde dabei insbesondere den Teilen des Trommelinhaltes entzogen, die an den Trommelwänden hafteten, bis sie schliesslich wieder in den Hauptinhalt der Trommel untertauchten. Man hat aber den gleichen Grundgedanken auch noch durch andere Apparate der verschiedenartigsten Gestaltungen zur Ausführung gebracht.
Von den überaus zahlreichen und mannigfaltigen Verfahren und Vorrichtungen, die für die Eindampfung der Kautschukmilch vorgeschlagen worden sind, haben, wie schon bemerkt, die meisten praktische Erfolge nicht erzielen können. Insbesondere haben alle Siedeverfahren versagt, teils weil sie das starke Schäumen der Kautschukmilch überhaupt nicht auf ein unschädliches Mass zurückführen konnten, teils weil Koagulation erfolgte, zu der die dünnen, die Schaumbläschen bildenden Latexfilme besonders stark neigen, wenn ihnen durch Verdampfung Wasser entzogen wird. Praktisch ausführbar waren bisher nur Verdunstungsverfahren, bei denen das Eindicken in Gegenwart von Luft oder andern Gasen erfolgte, die das der Kautschukmilch zu entziehende Wasser in Dampfform aufnahmen.
Aber auch diese Verfahren arbeiteten nur zufriedenstellend, wenn bei verhältnismässig langsam vor sich gehender Wasserentziehung dafür gesorgt wurde, dass die Kautschukmilch der Oberflächenschicht ständig mit den tieferliegenden Schichten durchmischt wurde. Wurden nicht fortwährend neue Kautschukmilchteilchen an die Verdunstungsoberflächen gebracht, so erfolgte sehr bald Hautbildung und Koagulation.
Alle Verdunstungsverfahren haben neben grossem Wärmeverbrauch den weiteren grossen Nachteil, dass beträchtliche Mengen von Luft in das Konzentrat eingerührt werden, die nachträglich noch durch Oxydation oder durch Begünstigung der Entfaltung von Mikroorganismen die Kautschukmilch schädigen kann.
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Durch die Erfindung gelingt es, diese Gefahrenquelle restlos auszuschliessen und dabei die Konzentrierung selbst noch wesentlich wirtschaftlicher zu gestalten.
Grundsätzlich beruht die Erfindung darauf, dass man die unter Verhütung von Dampfbildung erwärmte Kautschukmilch, die zweckmässig mit den üblichen Schutzstoffen gegen Koagulation, wie z. B. Alkali, Schutzkolloiden u. dgl., versetzt ist, in grossoberflächiger Form einem nicht beheizten Vakuumverdampfer zuführt, in dem ein Druck herrscht und während des Einströmens der Kautschukmilch aufrechterhalten wird, der niedriger ist als der Dampfdruck der Kautschukmilch bei der Temperatur, mit der die Kautschukmilch in den Verdampfer eintritt. Die Zufuhr des Kautschukmilchsaftes in den Verdampfer erfolgt durch eine enge Öffnung oder deren mehrere, vorzugsweise durch eine oder mehrere Düsen in den oberen Teil des Verdampfers. Das Zuflussorgan ist vorzugsweise zentral in der Decke des Verdampfers angebracht, doch kann es z. B. auch oben seitlich, z.
B. tangential, angeordnet sein. Da die Flüssigkeit unter den angeführten Temperatur-und Druekbedingungen in den Verdampferraum mit einer Temperatur gelangt, die oberhalb ihrer Siedetemperatur unter dem im Verdampfer herrschenden Druck liegt, so gerät sie unmittelbar nach dem Eintritt in den Verdampfer ins Sieden und gibt dabei so lange Dampf ab, bis infolge des Wärmeverbrauchs durch den Verdampfungsvorgang die Temperatur der Kautschukmi1ch praktisch auf die Siedetemperatur unter dem im Verdampfer herrschenden Druck gefallen ist. Die Wassermenge, die bei der Entspannung im Verdampfer abgegeben wird, ist somit abhängig von der Differenz zwischen der Temperatur der eintretenden Kautschukmilch und der Temperatur, bei welcher unter dem Druck im Verdampfer die Kautschukmilch siedet.
Je grösser dieser Unterschied ist, desto mehr Wasser wird bei der Entspannung verdampft. Es ist daher vorteilhaft, den Druck im Verdampfer möglichst niedrig zu halten. Dies empfiehlt sich auch aus dem weiteren
Grund, weil die Verdampfung um so stürmischer und explosionsartiger verläuft, je grösser die Differenz zwischen der Temperatur der in den Verdampfer eintretenden Flüssigkeit und der dem Druck im Verdampfer entsprechenden Gleichgewichtstemperatur ist, und letztere um so tiefer liegt, je niedriger der Druck im Verdampfer ist. Das heftige Sieden ist anzustreben, weil dadurch die Flüssigkeit auf das wirksamste überaus fein verteilt wird und der Siedevorgang infolgedessen fast momentan bis zum Gleichgewichtszustand führt.
Im allgemeinen empfiehlt es sich, den Druck im Verdampfer mindestens 300 mm
Quecksilbersäule unter dem im Heizsystem herrschenden zu halten und bei einem hohen Vakuum im Verdampfer, z. B. einem Druck von nicht über etwa 70 mm Hg, vorzugsweise nicht über 50 mm Hg, z. B. einem solchen von 40 mm Hg, zu arbeiten. Für die erfolgreiche Durchführung des Verfahrens ist es wichtig, dass die Verdampfung des unter den gegebenen Bedingungen verdampfbaren Wassers aus der einströmenden Kautschukmi1ch beendet ist, bevor diese die auf dem Boden des Verdampfers angesammelte Kautschukmilch erreicht, da sonst letztere ins Sieden gerät und infolgedessen durch Schaumbildung Störungen entstehen.
Bei Einhaltung der erwähnten Arbeitsbedingungen erhält man auf dem Boden des Verdampfers ein ganz oder fast ganz schaumfreies Konzentrat ; denn bei der stürmisehen Verdampfung des fein zerstäubten Kautschukmilchsaftes entsteht überraschenderweise in der Regel überhaupt kein Schaum, und falls solcher sich zuweilen in geringen Mengen bildet, wird er bald wieder zerstört. Die Verdampfung im Verdampferraum erfolgt überdies ohne jede Hautbildung und Koagulation, so dass das Verfahren gemäss der Erfindung zu Eindampferzeugnissen von bisher nicht bekannter Güte führt. Ferner ist es möglich, die eingedickte Flüssigkeit ohne jede Schädigung wesentlich höher als bisher zu konzentrieren.
In der Regel wird eine einzige Entspannung nicht genügen, um die gewünschte Konzentrierung zu bewirken. Man muss alsdann die Behandlung mehrfach wiederholen, wobei man zweckmässig die Kautschukmilch im Kreislauf aus dem Verdampfer wieder dem Heizsystem und von dort dem Verdampfer oder nacheinander mehreren Verdampfern zuführt. Wenn man den Verdampferraum höher als das Heizsystem anordnet, so kann man die konzentrierte Kautschukmilch durch ihren hydrostatischen Druck aus dem Verdampfer in das Heizsystem zurückführen und aus dem Heizsystem unter Ausnutzung des Vakuums im Verdampfer in diesen einsaugen. Bei solcher Arbeitsweise braucht man keine Pumpe zum Umwälzen der Flüssigkeit.
Doch ist es vorteilhafter, die zu konzentrierende Kautschukmilch im Apparat mittels einer Pumpe im Kreislauf zwischen Heizsystem und Verdampferraum zu halten.
Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Flüssigkeit in einem Heizsystem erwärmt, in dem sie unter einem Druck steht, der gleich oder höher ist als der Dampfdruck des Wassers bei der Temperatur, auf die die Flüssigkeit erhitzt werden soll. Erst beim Eintritt in den Verdampferraum findet eine plötzliche Entlastung der Flüssigkeit auf den im Verdampfer herrschenden Druck statt. Falls der Druck im Heizsystem nicht ausreicht, die Dampfbildung völlig auszuschliessen, so ist das nicht unbedingt schädlich, weil die dabei entstehenden Schaumblasen beim Eintritt in den Verdampfer sofort gesprengt werden. Immerhin empfiehlt es sich, die Dampfbildung im Heizsystem zu vermeiden, weil damit stets eine Gefahr der Ausbildung von Belägen von durch Wärme koaguliertem Kautschuk auf den Wandungen des Heizsystem verbunden ist.
Die Ausführung des Verfahrens gestaltet sich beispielsweise wie folgt :
Die in einem an sich bekannten Heizsystem mittelbar, z. B. mittels Dampf oder heissem Wasser, auf z. B. 900 erwärmte Kautschukmilch wird durch eine geeignet gestaltete Düse in einen Vakuumraum
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eingelassen, in welchem ein Vakuum von z. B. 90%, entsprechend einer Siedetemperatur des Wassers von etwa 46 , herrscht. Im Augenblick des Eintritts in den Vakuumraum findet eine schnelle Abkühlung um nahe zu 44'durch Wasserverdampfung aus der Kautschukmilch statt, deren Wassergehalt um rund zu vermindert wird. Will man z.
B. einen Kautschukmilehsaft von 35% Trockengehalt auf 75% konzentrieren, so muss man, wenn man innerhalb der angegebenen Temperaturgrenzen arbeitet, die Massnahmen des Erwärmens und des Abkühlens im Vakuum etwa elfmal wiederholen. Je weiter man die Temperaturgrenzen wählt, um so weniger Wiederholungen sind erforderlich, wenn man eine bestimmte Konzentrierung durchführen will.
Zur Einführung der Flüssigkeit in den Verdampferraum hat sich eine Düse als geeignet erwiesen, welche ähnlich der de Laval-Düse aus einem konvergenten und einem divergenten Teil besteht und deren engster Querschnitt so bemessen ist, dass er den Flüssigkeitsstrom so weit drosselt, dass eine Verdampfung vor der Düse noch nicht eintritt. Der divergente Teil der Düse wird derart gestaltet, dass eine möglichst störungsfreie Energieumsetzung und möglichst auch eine stetige Druckverminderung bei dem Eintritt der Flüssigkeit in den Verdampfer stattfindet. Gegebenenfalls können auch mehrere Düsen verwendet werden.
Mit Rücksicht auf die starke Viskositätszunahme bei Konzentrierung in sehr weiten Grenzen, z. B. von 35% auf 75% Troekengehalt, kann man vorteilhaft die Eindickung in zwei Stufen oder gegebenenfalls auch mehr Stufen vornehmen. Man kann dann, wenn man z. B. zweistufig arbeitet, in der ersten Stufe z. B. von 35% auf 65% und in der zweiten, in einem andern Apparat mit weiterer Düsenöffnung und weiteren Rohrverbindungen, von 65 auf 75% konzentrieren. Wegen der Volumenabnahme bei der Konzentrierung ist es zweckmässig, die erste Stufe (oder die ersten Stufen) in mehreren gleichzeitig arbeitenden Apparaten auszuführen und für die zweite Stufe die vereinigten Halbkonzentrate der Apparate der ersten Stufe in einem einzigen Apparat weiter zu konzentrieren.
Beispiel : Es wurde ein mit einer Umwälzpumpe versehener Apparat verwendet, der einen Vakuumverdampfer von 8 Inhalt und eine Zuführungsdüse von 3 cm Durchmesser an der engsten Stelle besass. Der Anwärmer wurde mit Wasser von 85 bis 900 betrieben, wodurch das zu konzentrierende Gut auf ungefähr 600 erwärmt wurde. Der im Verdampfer aufrechterhaltene Druck betrug ungefähr 17 tmn Quecksilbersäule. Bei der Entspannung sank die Temperatur der Kautschukmilch von 60 auf 30 .
Unter den angegebenen Verhältnissen erforderte die Konzentrierung von 1900 kg einer 33% igen Kautschukmilch auf einen Gehalt von 75% acht Stunden.
Das Verfahren kann innerhalb weiter Temperaturgrenzen ausgeführt werden. Die Temperaturbedingungen sind je nach den besonderen Erfordernissen zu wählen. Wo es auf rasche Durchführung der Konzentrierung ankommt, wird man die Temperaturintervalle möglichst gross wählen, also auch mit der Anwärmtemperatur hoch gehen. Man kann dabei unbedenklich bis zum Siedepunkt des Wassers, gegebenenfalls sogar darüber hinaus gehen. Es ist nur dafür zu sorgen, dass im Anwärmer ein genügend hoher Druck herrscht, um Dampfbildung zu verhüten. Im allgemeinen empfiehlt es sich, die Temperatur nicht über den Siedepunkt des Wassers zu steigern, weil bei so hohen Temperaturen schon die Gefahr besteht, dass sich an den Wandungen der Heizvorrichtung koagulierter Kautschuk ansetzt. Je tiefer die Heiztemperatur gewählt wird, desto geringere Gefahr besteht, dass derartige Störungen auftreten.
Niedrige Anwärmtemperaturen für den Kautschukmilchsaft wird man insbesondere dann anwenden, wenn man Wert darauf legt, die Kautschukmilch chemisch unverändert zu erhalten. Die grössere Schonung des Kautschukmilchsaftes muss dann mit einer grösseren Anzahl von Umwälzungen erkauft werden.
Das beschriebene Verfahren bietet grosse Vorteile.
Bei den bisherigen Eindampfkonzentrierungsverfahren musste das zu konzentrierende Gut bis zuletzt ständig gerührt werden. Da nach Erreichung einer gewissen Konzentration die Viskosität stark zunahm, wurden von den hochviskosen Massen die eingerührten Luftbläschen auf das hartnäckigste zurückgehalten. Daher ist es bisher nicht möglich gewesen, einen Trockengehalt von 60% und mehr besitzende, durch Eindampfen erhaltene Kautschukmilchkonzentrate, d. h. solche, die sämtliche Bestandteile der natürlichen Kautschukmilch enthielten, ohne sehr erhebliche Lufteinschlüsse herzustellen.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren ist es zum ersten Male gelungen, ein von Lufteinschlüssen völlig freies Eindampfkonzentrat des angegebenen Trockengehalts zu erhalten. Diese Luftfreiheit ist in mehrfacher Hinsicht von Bedeutung.
So ist das spezifische Gewicht des luftfreien Konzentrats nicht unerheblich grösser als dasjenige der bisherigen Konzentrate. Es fand sich z. B., dass ein erfindungsgemäss hergestelltes Konzentrat von 73%% Trockengehalt ein spezifisches Gewicht von 0-97 hatte, während ein nach dem bekannten Verfahren im rotierenden Trommelverdampfer hergestelltes ein spezifisches Gewicht von 0'92 besass. Das höhere spezifische Gewicht ermöglicht eine wesentliche bessere Ausnutzung der Transportgefässe. Ferner ist die Luftfreiheit insofern wertvoll, als die Bakterienentfaltung im Konzentrat dadurch sehr zurückgedrängt wird, ein Umstand, der für die Haltbarkeit des Erzeugnisses von grosser Wichtigkeit ist. Auch Schädigungen durch Oxydation fallen fort.
Die Haltbarkeit beim Transport wird aber auch noch insofern durch die Luftfreiheit begünstigt, als im Konzentrat eingeschlossene Luft häufig aus der Masse allmählich entweicht und sich über deren Oberfläche ansammelt. Es entsteht so in den Gefässen über dem Konzentrat
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ein Gasraum, der z. B. bei den Srhiffbewegungen während des Transportes ein Schütteln des Konzentrats ermöglicht und so dessen Koagulierung verursachen kann.
Die Behandlung der Kautschukmilch während der Konzentrierung ist erheblich schonender als unter den Verhältnissen der bisher üblichen Eindickung durch Verdunsten, weil die Kautschukmilch nur gerade auf die Einsprühtemperatur gebracht zu werden braucht und dann sofort wieder abgekühlt wird. Die Kautschukmilch bleibt daher nach dem Verfahren der Erfindung nur wesentlich kürzere Zeit auf höheren Temperaturen. Überdies lässt sich das Verfahren so gestalten, dass man mit erheblich tieferen Temperaturen auskommt. Daher werden die hitzeempfindlichen Bestandteile und somit auch die naturliehen Schutzstoffe der Kautschukmilch sowie auch der Kautschukmilch zugesetzte wärmeempfind- liche Stoffe, z. B.
Schutzstoffe, nicht geschädigt, so dass man wesentlich beständigere Konzentrate erhält als nach den bisherigen Verfahren.
Das Verfahren ermöglicht es ferner, beständige, reversible Konzentrate von höherer Konzentration herzustellen als die bisher bekannten Verfahren. Es gestattet auch, die Häutchenbildung beim Eindampfen zu vermeiden. Überdies ist es wirtschaftlicher als die alten Verfahren und hat den Vorzug, wenig Wartung zu erfordern.
Als Kautschukmilch, die erfindungsgemäss konzentriert werden kann, ist neben Kautschukmileh- saft auch Balata- und Guttaperchamilchsaft anzusehen. Die Milchsäfte können in natürlichem Zustande oder konserviert und mit üblichen Zusätzen, wie Alterungsmitteln, Erweiehern, Stabilisatoren, Vulkansationsmitteln, Füll- und Farbstoffen, versetzt sein ; auch können sie im vulkanisierten Zustande verwendet werden. Bei Verarbeitung von ammoniakhaitigen Kautschukmilchsäften bereitet die Anwesenheit von Ammoniak keine Schwierigkeiten durch Beeinträchtigung des Vakuums. Zur Erreichung hoher Konzentrationen müssen die Kautschukmilehsäfte mit Schutzstoffen gegen Koagulation versehen sein.
PATENT-ANSPRÜCHE :
L Verfahren zum Konzentrieren von Kautschukmilch durch Eindampfen im Vakuum, dadurch gekennzeichnet, dass man, gegebenenfalls in mehrfacher Wiederholung, die gegebenenfalls mit den üblichen Schutzstoffen gegen Koagulation versetzte Kautschukmilch unter Vermeidung von Dampf bildung erwärmt und darauf in grossoberflächigem Zustande in einen Vakuumverdampfer einführt, derart, dass die Temperatur, mit der die Kautschukmilch in den Verdampfer eintritt, höher ist als die Siedetemperatur der Kautschukmilch unter dem im Verdampfer herrschenden Druck, der nicht höher als 400, zweckmässig nicht höher als 120 mm Quecksilber ist.