Verfahren zum kontinuierlichen Agglomerieren von pulverförmigen thermoplastischen
Kunststoffen in schnellaufenden Mischern und Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Zum Verdichten von lockeren Pulvern aus thermoplastischen Kunststoffen zu rieselfähigen Agglomeraten werden bekanntlich schnellaufende Mischer benutzt, in denen das Pulver mit so hohen Geschwindigkeiten bewegt wird, dass sich die einzelnen Teilchen durch gegenseitiges Stossen erwärmen und zu grösseren Teilchen zusammensintern. Der Mischapparat kann zur Vergrösserung und Beschleunigung des Sintereffektes beheizt und nach Abschluss des Sintervorganges gekühlt werden.
Bei den bisher be kannten Mischern wird der Ablauf des Sintervorganges empirisch bestimmt, so dass trotz Überwachung der Temperatur des Mischgutes das Korngrössenspektrum der erhaltenen Agglomerate sich über einen weiten Bereich ausdehnt und auch von Charge zu Charge das Korngrössenspektrum verschiedene Breiten aufweist, weil der Beginn des eigentlichen als Agglomerieren bezeichneten Sintervorganges nicht genau festgelegt werden kann und somit die Dauer des Agglomeriervorganges verschieden lang ausfällt.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, obige Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren zu finden, nach dem man pulverförmige, thermoplastische Kunststoffe kontinuierlich in schnellaufenden Mischern zu Agglomeraten mit möglichst engem Korngrössenspektrum und somit verbesserter Rieselfähigkeit agglomerieren kann.
Es ist demnach Gegenstand der Erfindung:
I. ein Verfahren zum kontinuierlichen Agglomerieren von pulverförmigen thermoplastischen Kunststoffen in schnellaufenden Maschinen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass als Beginn des Agglomeriervorganges der Zeitpunkt gewählt wird, in welchem die Leistungsaufnahme des Mischermotors nach Durchlaufen eines Minimums einen konstanten Wert annimmt, innerhalb dieser Zone konstanter Lei stungsau±nahme - je nach der gewünschten Korngrösse des Agglomerates - der Agglomeriervorgang abgebrochen wird und das agglomerierte Gut in einen Kühlmischer befördert und anschliessend dem Mischer eine neue Charge des pulverförmigen Kunststoffes zugeführt wird;
sowie
II. eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Weiterschaltung der Arbeitsvorgänge mit Hilfe von Instrumenten, welche die konstante Leistungsaufnahme des Mischermotors und damit gekoppelt den Zeitablauf des Agglomeriervorganges messen, durchgeführt wird.
Auf der überraschenden Erkenntnis, dass die Leistungsaufnahme des Mischermotors bei Beginn des Sintervorganges der pulverförmigen thermoplastischen Teilchen konstant wird und erst nach Ablauf dieses Vorganges wieder ansteigt, wird das vorliegende Verfahren aufgebaut. Der Zeitpunkt des Be ginns der konstanten Leistungsaufnahme des Mischermotors lässt sich exakt feststellen, um so mehr, als die gegen die Zeit aufgetragene Kurve der Leistungsaufnahme vor dem Übergang in einen konstanten Verlauf ein Minimum aufweist. Der Zeitraum zwischen dem tatsächlichen Beginn und der Registrierung der konstanten Leistungsaufnahme beträgt höchstens 0,5 bis 1 Sekunde, das sind maximal etwa 1 bis 20 /o des erforderlichen Zeitbedarfs für den eigentlichen Sintervorgang.
Eine beispielsweise Ausführungsform des erfin dungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen Steuervorrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, dabei zeigen:
Fig. 1 den Verlauf der Leistungsaufnahme des Mischermotors in Abhängigkeit von der Zeit;
Fig. 2 den Verlauf der Temperatur des Kunststoffpulvers in Abhängigkeit von der Zeit; und
Fig. 3 das Schema einer vollautomatischen Sinteranlage.
Die Fig. 1 zeigt den Verlauf der Kurve der Leistungsaufnahme des Mischermotors in Abhängigkeit von der Zeit. Es ist daraus zu ersehen, dass die Leistungsaufnahme rasch ansteigt, dann auf ein Minimum abfällt und wieder ansteigt bis zu der Zone konstanter Leistungsaufnahme, und anschliessend wieder stark ansteigt.
Parallel mit der Leistungsaufnahme kann der Temperaturverlauf im Kunststoffpulver verfolgt werden. Die Fig. 2 zeigt diesen Temperaturverlauf. Aus dieser Kurve kann man entnehmen, dass die Temperatur während des gesamten Verfahrensablaufes laufend ansteigt und die sogenannte Agglomerier- bzw.
Sinterzone durch einen mehr oder weniger steil verlaufenden Abschnitt innerhalb des allgemeinen Verlaufs der Temperaturkurve gekennzeichnet ist. Durch Messen des Temperaturablaufes lässt sich der Beginn des Agglomerierens nicht so eindeutig festlegen, weil die Temperaturmessung mit einer relativ grossen Trägheit behaftet ist und weil die Wärmeübertragung des umwirbelnden Kunststoffpulvers auf den im Innern des Mischers angebrachten Temperaturfühlern schlecht ist.
Zum Messen der Leistungsaufnahme des Mischermotors verwendet man an sich bekannte Messinstrumente, wie Leistungsmesser, anzeigender oder registrierender Natur; als Steuerungsorgan werden zweckmässig Differentialrelais mit pneumatischem oder elektrischem Ausgangssignal verwendet, die sowohl den Zeitablauf messen und auch bei dem gewünschten Endpunkt innerhalb der Zone der konstanten Leistungsaufnahme des Mischermotors Impulse an die entsprechenden Ventile und die Heizbzw. Kühlvorrichtung weitergeben. Innerhalb der als Sinterzone bezeichneten Strecke der Kurve nach Fig. 1, welche die Dauer der konstanten Leistungsaufnahme des Mischermotors darstellt, kann der Agglomeriervorgang abgebrochen werden. Je länger dieser Zeitraum ist, desto grösser ist der Korndurchmesser der erhaltenen Agglomerate.
Man kann somit anhand eines einfachen Vorversuches jeweils festlegen, welche Dauer der Sintervorgang besitzen muss, um Agglomerate eines bestimmten engen Korngrössenspektrums zu erhalten.
Bei dem vorliegenden Verfahren können die bekannten thermoplastischen Kunststoffe, wie z. B.
Polyvinylchlorid, Polyäthylen, Polystyrol und deren Mischpolymerisate eingesetzt werden.
Als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eignen sich besonders solche Mischer, bei denen in dem Agglomerierraum auf der Antriebswelle mindestens zwei gegeneinander wirkende, nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestaltete Propeller als Strömungserzeuger so angeordnet sind, dass in dem Raum zwischen jeweils zwei Propellern eine Zone stärkster Durchwirbelung erzeugt wird.
Nach dem vorliegenden Verfahren gelingt es auf einfache Weise, den exakten Ablauf des Sintervorganges beim Agglomerieren thermoplastischer Kunststoffe zu steuern, wobei man rieselfähige Agglomerate mit engem Korngrössenspektrum gewinnen kann, die ein erhöhtes Schüttgewicht besitzen und einen gleichmässigeren Fluss und verbesserte Oberflächengüte der verformten Agglomerate ergeben. Ausserdem wird eine erhöhte Ausstossmenge in der Zeiteinheit erzielt und durch die selbsttätige Steuerung des Verfahrensablaufes ein gleichmässigeres Agglomerat erhalten.
In der Fig. 3 ist das Beispiel einer Sinteranlage aufgezeichnet, welche nach dem vorliegenden Verfahren vollautomatisch gesteuert wird.
Die Anlage besteht aus dem eigentlichen Sintermischer M1, in welchem der pulverförmige thermoplastische Kunststoff agglomeriert wird, dem Kühlmischer M2, in welchem das heisse agglomerierte Produkt abgekühlt wird, und dem Aufnahmebunker B, in welchem das fertige Agglomerat gestapelt wird.
Der Mischer M1 wird angetrieben durch den Motor A 1. Die Leistungsaufnahme dieses Motors wird mit Hilfe des Messgerätes L überwacht. Mit Hilfe des Mischermantels H1 kann die Mischapparatur sowohl beheizt als auch gekühlt werden. Die Leitung 1 ist an Heizdampf, die Leitung 2 an Kühlwasser angeschlossen. Die Ventile V1 und V2 sind Absperrventile. Die vom Mantel H1 abführenden Leitungen 3 und 4 stellen die Kondensat- bzw. Kühlwasserablaufleitung mit den Absperrventilen V3 und V4 dar. Über Leitung 5 kann Vakuum an das Innere des Mischers angelegt werden.
V5 stellt das entsprechende Absperrventil und P das zur Überwachung des Vakuums notwendige Manometer dar. Über die Leitung 6 mit dem Absperrventil V6 steht das Mischerinnere mit der Aussenatmosphäre in Verbindung. Durch Leitung 7 mit dem Ventil V7 wird der pulverförmige thermoplastische Kunststoff gegebenenfalls mit Zuschlägen, wie Weichmacher, Farbstoffe, Extender usw., in den Mischer eingeführt. Über den Produktauslassschieber V8 und die Leitung 8 wird das Agglomerat in den Kühlmischer M2 übergeführt. Vor dem Schieber V8 ist eine Druckluftleitung 9 mit Absperrventil V9 angebracht, welche dazu dient, den Schieber V8 nach Entleerung des Mischers M1 freizublasen. In dem Mischer M1 ist ein Temperaturfühler T1 eingebaut.
Der Kühlmischer M2, der von dem Kühlmantel H2, welcher ständig von Kühlwasser durchflossen wird, umgeben ist, wird durch den Motor A2 angetrieben. In dem Mischer M2 ist ein Temperaturfühler T2 eingebaut. Durch die Leitung 11 mit dem Auslassschieber Vl 1 wird das gekühlte Agglomerat zu dem Sammelbunker B geleitet.
Der Sammelbunker B ist mit einer Grenzstand messung St ausgerüstet, die anspricht, wenn das Leervolumen des Bunkers so klein geworden ist, dass er keine Charge aufnehmen kann.
Im folgenden Abschnitt wird das Steuerprogramm für den gesamten Ablauf des Verfahrens beschrieben:
Zu Beginn des Steuerprogramms müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein: Alle Ventile, die ferngesteuert werden, mit Ausnahme von Ventil V6, sind geschlossen; das Kunststoffpulver ist in den Mischer M1 eingewogen, der Mischer M2 läuft und wird gekühlt.
Stufe 1 des Programms
Nach Drücken der Starttaste läuft der Mischer M1 an, gleichzeitig schaltet ein Zeitrelais Z1 ein, das Dampfventil Vl und das Kondensatventil V3 werden geöffnet, und über die Leitung 7 werden die pulverförmigen und/oder flüssigen Zuschlagstoffe in den Mischer gegeben.
Stufe
Nach Ablauf des Zeitrelais Z1 schaltet der Mischermotor auf Schnellgang, gleichzeitig wird das Messinstrument zur Überwachung der Leistungsaufnahme des Mischermotors eingeschaltet, das Entspannungsventil V6 wird geschlossen und das Valcu- umventil V5 geöffnet.
Stufe 3
Das Messinstrument registriert die konstante Leistungsaufnahme des Mischermotors, gleichzeitig wird das Zeitrelais 72 eingeschaltet, das Vakuumventil V5 geschlossen und das Entspannungsventil V6 geöffnet.
Stufe 4
Das Zeitrelais 72 ist abgelaufen (Sintervorgang beendet), das Dampfventil V1 und das Kondensatventil V3 werden geschlossen und das Kühlwasserventil V2 und das Ablaufventil V4 geöffnet, der Antriebsmotor schaltet auf Langsamgang. Der Schieber V8 wird geöffnet und das Zeitrelais 73 eingeschaltet.
Stufe 5
Nach Ablauf des Zeitrelais 73 wird das Druckluftventil V9 geöffnet, das Absperrventil V8 freigeblasen und dann geschlossen. Das Kühlwasserventil V2 wird geschlossen und das Ablaufventil V4 - je nach Kühlmantelinhalt verzögert - ebenfalls geschlossen. Der Antriebsmotor A 1 stoppt.
Stufe 6
Nachdem angezeigt ist, dass das Ventil V4 geschlossen ist, wird das Dampfventil Vl und das Kondensatventil V3 geöffnet und das Zeitrelais 74 einge schaltet.
Stufe 7
Nach Ablauf des Zeitrelais 74 wird das Dampfventil V1 und das Kondensatventil V3 geschlossen.
Der Programmablauf für den Mischer M1, der wieder aufgeheizt ist, ist damit beendet. Der Mischer steht für einen neuen Programmablauf bereit.
In Stufe 5 des Programmablaufes des Mischers M1 ist das heisse Agglomerat in den Kühlmischer gelangt. Wenn das Agglomerat eine Temperatur von 30 C erreicht hat, wird der Auslassschieber Vl 1 ge öffnet und das Zeitrelais Z5 eingeschaltet. Nach Ablauf des Zeitrelais Z5 schliesst der Auslassschieber Viel, und der Kühlmischer M2 steht zur Aufnahme einer neuen Charge bereit.
In das Programm sind noch folgende Verriege- lungen eingebaut:
Falls das Ventil V8 nicht völlig geschlossen ist, erscheint ein Störsignal, und es kann keine neue Charge in dem Mischer M1 gestartet werden.
Wenn der Mischer M2 noch gefüllt ist, so dass kein fertig gesintertes Produkt aus dem Mischer M1 ausgetragen werden kann, bleibt der Mischer M1 auf Stufe 4 Kühlen stehen und wartet ab, bis der Mischer M2 entleert ist. Anschliessend geht der normale Programmablauf weiter.
Wenn der Maximal-Grenzstand des Sammelbunkers B erreicht ist, kann der Mischer M2 nicht in den Bunker B entleeren. Gleichzeitig stoppt der Mischer M1 seinen Programmablauf in Stufe 4 oder - falls der Maximal-Grenzstand erreicht ist, bevor der Mischer M1 eine neue Sinter-Charge gestartet hat lässt sich das Programm nicht einschalten.
Process for the continuous agglomeration of powdery thermoplastics
Plastics in high-speed mixers and control device for carrying out the process
To compress loose powders made of thermoplastics into free-flowing agglomerates, it is known that high-speed mixers are used in which the powder is moved at such high speeds that the individual particles are heated by pushing one another and sintered together to form larger particles. The mixer can be heated to enlarge and accelerate the sintering effect and cooled after the sintering process is complete.
In the mixers known so far, the course of the sintering process is determined empirically, so that despite monitoring the temperature of the mixed material, the grain size spectrum of the agglomerates obtained extends over a wide range and the grain size spectrum also has different widths from batch to batch because the beginning of the actual The sintering process referred to as agglomeration cannot be precisely determined and thus the duration of the agglomeration process varies in length.
The purpose of the present invention is to eliminate the above disadvantages and to find a method by which powdered thermoplastics can be continuously agglomerated in high-speed mixers to form agglomerates with the narrowest possible particle size spectrum and thus improved flowability.
It is therefore the subject of the invention:
I. a process for the continuous agglomeration of powdery thermoplastics in high-speed machines, which is characterized in that the time at which the power consumption of the mixer motor assumes a constant value after passing through a minimum is selected as the start of the agglomeration process, within this zone constant lei stungsau ± acquisition - depending on the desired grain size of the agglomerate - the agglomeration process is terminated and the agglomerated material is conveyed to a cooling mixer and then a new batch of the powdery plastic is fed to the mixer;
as
II. A control device for carrying out the method, which is characterized in that the further switching of the work processes is carried out with the aid of instruments which measure the constant power consumption of the mixer motor and, coupled with it, the timing of the agglomeration process.
The present method is based on the surprising finding that the power consumption of the mixer motor at the beginning of the sintering process of the powdered thermoplastic particles becomes constant and only increases again after this process has ended. The point in time of the beginning of the constant power consumption of the mixer motor can be determined exactly, all the more so since the curve of the power consumption plotted against time has a minimum before the transition to a constant profile. The period between the actual start and the registration of the constant power consumption is at most 0.5 to 1 second, that is at most about 1 to 20 / o of the time required for the actual sintering process.
An example embodiment of the method according to the invention and the control device according to the invention is described in more detail below with reference to the drawings, which show:
1 shows the profile of the power consumption of the mixer motor as a function of time;
2 shows the course of the temperature of the plastic powder as a function of time; and
3 shows the scheme of a fully automatic sintering plant.
Fig. 1 shows the course of the curve of the power consumption of the mixer motor as a function of time. It can be seen from this that the power consumption increases rapidly, then drops to a minimum and rises again up to the zone of constant power consumption, and then rises sharply again.
The temperature profile in the plastic powder can be followed in parallel with the power consumption. Fig. 2 shows this temperature profile. From this curve it can be seen that the temperature rises continuously during the entire process sequence and the so-called agglomeration or
Sintering zone is characterized by a more or less steep section within the general course of the temperature curve. The beginning of agglomeration cannot be determined so clearly by measuring the temperature progression, because the temperature measurement is subject to a relatively high degree of inertia and because the heat transfer of the swirling plastic powder to the temperature sensors installed inside the mixer is poor.
In order to measure the power consumption of the mixer motor, measuring instruments known per se are used, such as power meters, indicating or registering nature; Differential relays with pneumatic or electrical output signals are expediently used as a control element, which measure the timing and also send pulses to the corresponding valves and the heating or heating systems at the desired end point within the zone of constant power consumption of the mixer motor. Pass on cooling device. The agglomeration process can be terminated within the section of the curve according to FIG. 1, which is referred to as the sintering zone and which represents the duration of the constant power consumption of the mixer motor. The longer this period, the larger the grain diameter of the agglomerates obtained.
With the aid of a simple preliminary test, it is thus possible to determine the duration of the sintering process in order to obtain agglomerates of a certain narrow range of grain sizes.
In the present method, the known thermoplastics, such as. B.
Polyvinyl chloride, polyethylene, polystyrene and their copolymers are used.
A particularly suitable device for carrying out the method is those mixers in which at least two opposing propellers, designed according to aerodynamic aspects, are arranged as flow generators in the agglomeration space on the drive shaft so that a zone of the strongest turbulence is generated in the space between each two propellers .
According to the present process, it is possible in a simple manner to control the exact sequence of the sintering process during the agglomeration of thermoplastics, whereby free-flowing agglomerates with a narrow grain size spectrum can be obtained, which have an increased bulk density and result in a more uniform flow and improved surface quality of the deformed agglomerates. In addition, an increased output rate per unit of time is achieved and a more uniform agglomerate is obtained through the automatic control of the process sequence.
FIG. 3 shows the example of a sintering plant which is controlled fully automatically according to the present method.
The system consists of the actual sinter mixer M1, in which the powdered thermoplastic material is agglomerated, the cooling mixer M2, in which the hot agglomerated product is cooled, and the receiving bunker B, in which the finished agglomerate is stacked.
The mixer M1 is driven by the motor A1. The power consumption of this motor is monitored with the aid of the measuring device L. With the aid of the mixer jacket H1, the mixing apparatus can be both heated and cooled. Line 1 is connected to heating steam, line 2 to cooling water. The valves V1 and V2 are shut-off valves. The lines 3 and 4 leading away from the jacket H1 represent the condensate or cooling water drain line with the shut-off valves V3 and V4. Via line 5, vacuum can be applied to the interior of the mixer.
V5 represents the corresponding shut-off valve and P the manometer required to monitor the vacuum. The inside of the mixer is connected to the outside atmosphere via line 6 with shut-off valve V6. The powdery thermoplastic material is introduced into the mixer through line 7 with valve V7, optionally with additives such as plasticizers, dyes, extenders, etc. The agglomerate is transferred into the cooling mixer M2 via the product outlet slide V8 and the line 8. A compressed air line 9 with a shut-off valve V9 is attached in front of the slide V8, which serves to blow the slide V8 free after the mixer M1 has been emptied. A temperature sensor T1 is built into the mixer M1.
The cooling mixer M2, which is surrounded by the cooling jacket H2, through which cooling water constantly flows, is driven by the motor A2. A temperature sensor T2 is built into the mixer M2. The cooled agglomerate is conveyed to the collecting bunker B through the line 11 with the outlet slide Vl 1.
The collecting bunker B is equipped with a limit level measurement St, which responds when the empty volume of the bunker has become so small that it cannot accept a batch.
The following section describes the control program for the entire process sequence:
At the beginning of the control program, the following requirements must be met: All valves that are remote controlled, with the exception of valve V6, are closed; the plastic powder is weighed into the mixer M1, the mixer M2 is running and is cooled.
Stage 1 of the program
After pressing the start button the mixer M1 starts up, at the same time a time relay Z1 switches on, the steam valve V1 and the condensate valve V3 are opened, and the powdery and / or liquid additives are added to the mixer via the line 7.
step
After the timing relay Z1 has expired, the mixer motor switches to high speed, at the same time the measuring instrument for monitoring the power consumption of the mixer motor is switched on, the expansion valve V6 is closed and the valve V5 is opened.
level 3
The measuring instrument registers the constant power consumption of the mixer motor, at the same time the time relay 72 is switched on, the vacuum valve V5 is closed and the expansion valve V6 is opened.
Level 4
The time relay 72 has expired (sintering process ended), the steam valve V1 and the condensate valve V3 are closed and the cooling water valve V2 and the drain valve V4 are opened, the drive motor switches to slow gear. The slide V8 is opened and the timing relay 73 is switched on.
Level 5
After the timing relay 73 has expired, the compressed air valve V9 is opened, the shut-off valve V8 is blown free and then closed. The cooling water valve V2 is closed and the drain valve V4 - delayed depending on the cooling jacket content - also closed. The drive motor A 1 stops.
Level 6
After it is indicated that the valve V4 is closed, the steam valve Vl and the condensate valve V3 are opened and the time relay 74 is switched on.
Level 7
After the time relay 74 has expired, the steam valve V1 and the condensate valve V3 are closed.
The program sequence for mixer M1, which has been heated up again, is thus ended. The mixer is ready for a new program sequence.
In stage 5 of the program sequence of the mixer M1, the hot agglomerate has entered the cooling mixer. When the agglomerate has reached a temperature of 30 C, the outlet slide Vl 1 is opened and the time relay Z5 is switched on. After the timing relay Z5 has expired, the outlet slide valve Viel closes and the cooling mixer M2 is ready to accept a new batch.
The following interlocks are also built into the program:
If the valve V8 is not completely closed, a fault signal appears and no new batch can be started in the mixer M1.
If the mixer M2 is still full so that no finished sintered product can be discharged from the mixer M1, the mixer M1 remains at level 4 cooling and waits until the mixer M2 is emptied. The normal program sequence then continues.
When the maximum limit level of collecting bunker B is reached, mixer M2 cannot empty into bunker B. At the same time the mixer M1 stops its program sequence in stage 4 or - if the maximum limit level is reached before the mixer M1 has started a new sintering batch, the program cannot be switched on.