Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und auf eine Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 22. Derartige oder ähnliche Vorrichtungen sind auch unter den Bezeichnungen Dünnschichtverdampfer oder Reaktor bekannt.
Die thermische Behandlung hochviskoser Produkte, insbesondere von Thermoplasten und Elastomeren ist von steigender Bedeutung. Die Herstellung solcher Produkte erfolgt in zunehmendem Mass durch Polymerisation in Masse und Lösung. Die Tendenz zeigt, dass die bekannten Strip- und Trocknungsverfahren aus Gründen des Umweltschutzes und der dadurch bedingten aufwendigen Reinigung, Entsorgung und Rückgewinnung von Wasser, Kondensat, Luft usw., substituiert werden.
Bekannte Ausrüstungen zur thermischen Behandlung hochviskoser Produkte, wie statische Eindampfer, auch Flashbox genannt, Umlaufverdampfer, Dünnschichtverdampfer für viskose Produkte und Entgasungsextruder sind wirtschaftlich und qualitativ nur bedingt geeignet zur Aufbereitung der genannten Produkte.
Ein aus der DD-B1 226 778 bekannter Dünnschichtverdampfer gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dient zur Eindickung viskoser Medien und weist als Förderelemente wandgängige Flügel in Form von schrägverzahnten Zahnstangen auf. Deren Zähne überlappen sich in Umfangsrichtung des Rotors von Zahnstange zu Zahnstange. Die Zahnstangen weisen einen trapezähnlichen Querschnitt auf, wobei ihre im Vergleich zur wandgängigen gezahnten Stirnseite breitere Rückseite zur Rotorwelle zeigt.
Die durch die Zähne der Zahnstangen gebildeten Förderelemente dieser bekannten Vorrichtung dienen in der Regel zum Fördern des zu behandelnden Gutes entlang einer als Behandlungsfläche dienenden beheizten Mantelfläche in Richtung eines Auslasses, im vorliegenden Fall abwärts zu einer Austragsschnecke. Eine gleichmässige Verteilung des Gutes auf der Behandlungsfläche während des Förderns lässt sich mit dieser bekannten Vorrichtung nur ungenügend erzielen.
Der Erfindung liegt deshalb als erstes die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine gleichmässige Verteilung des zu behandelnden Gutes auf der Behandlungsfläche gewährleistet. Eine erweiterte Aufgabe besteht darin, eine wirtschaftlich und qualitativ gute Aufbereitung der Produkte zu ermöglichen.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemässe Scherkante werden Förderung und Verteilung des Gutes auf der Behandlungsfläche voneinander getrennt. Dabei lässt sich unabhängig von der Förderung des Gutes eine gleichmässige Verteilung desselben auf der Behandlungsfläche erzielen. Als Folge kann die Verweilzeit verkürzt und damit einerseits die Qualität des Produktes verbessert und andererseits die Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung erhöht werden.
Durch eine bevorzugte Ausführungsform nach Anspruch 2 lässt sich die Verweilzeit des Gutes auf der Behandlungsfläche unterschiedlichen Erfordernissen anpassen, indem die Verteilungsrichtung durch den Anstellwinkel der Scherkante beeinflussbar ist. Durch einen negativen Anstellwinkel wird dem Gut eine der Förderrichtung entgegengesetzte Komponente erteilt, wenn die Verweilzeit erhöht werden soll. Ein negativer Anstellwinkel kann beispielsweise 20 DEG betragen, bezogen auf eine sich in axialer Richtung erstreckende Linie.
Bei einer Ausführungsform nach Anspruch 3 kann die Verweilzeit an die zunehmende Eindikkung des Produktes auf dem Behandlungsweg angepasst werden. Es kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn der Anstellwinkel von einem axialen Erstreckung ausgehend zunimmt.
Die Ausführungsform nach Anspruch 4 gewährleistet eine stets gleichbleibende Dicke der aufgetragenen Schicht, unabhängig vom Anstellwinkel.
Die Ausführungsform nach Anspruch 5 garantiert eine optimale Ausnutzung der beheizbaren Behandlungsfläche.
Anspruch 6 beschreibt eine bevorzugte Ausführungsform zur konstruktiven Ausbildung der Scherkante.
Die Bemessungsregel nach Anspruch 7 über die unterschiedlichen Winkel in Umfangsrichtung vor und hinter der Scherkante ermöglicht eine Anpassung an die Eigenschaften des jeweils zu behandelnden Gutes.
Durch bevorzugte konstruktive Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 8 und 9 lässt sich die für reproduzierbare Ergebnisse notwendige Stabilität erzielen.
Bei einer Ausführungsform nach Anspruch 10 ergibt sich eine besonders gleichmässige Förderleistung durch die Förderelemente.
Ausführungsformen nach den Ansprüchen 11 und 12 ermöglichen eine weitere Anpassung der Verteilungsleistung an das jeweils zu behandelnde Gut.
Bei einer Ausführungsform nach Anspruch 13 handelt es sich um einen selbsttragenden Rotor, indem der mehreckige Käfig das Kernrohr ersetzt. Eine solche Ausführung ist einfacher und leichter im Aufbau und ermöglicht den Einbau eines Kondensators im Zentrum des Käfigs.
Anspruch 14 gibt eine Ausführungsform für die Lagerung und Abstützung des Rotors an. Die Förderschnecke dient zum Abfördern des behandelten Gutes. Der Förderschnecke ist in der Regel eine volumetrische Pumpe nachgeordnet, deren Förderleistung in Abhängigkeit von der Menge des behandelten Gutes geregelt werden kann.
Die Vorrichtung nach Anspruch 15 weist zwei koaxial ineinander angeordneten Rotoreinheiten auf. Insbesondere dient diese Vorrichtung zur Erhöhung der Verweilzeit, indem das Gut in der äusseren Rotoreinheit aufwärts und in der inneren abwärts gefördert und dabei behandelt wird. Bei dieser zweistufigen Ausbildung ist es erfindungsgemäss vorteilhaft, wenn die äussere Rotoreinheit mehr Scherkanten als die innere Rotoreinheit aufweist.
Nachfolgend werden weitere Bedingungen und Eigenschaften der Erfindung nach Anspruch 15 herausgestellt.
Bei stark überhitzten Reaktionslösungen erfolgt beim Eintritt in beheizte und teilweise evakuierte Ausrüstungen eine unmittelbare Entspannungsverdampfung, auch Flashen genannt. Dieser Vorgang kann zum Mitreissen von Produktteilen ins Kondensationssystem führen. Die Folgen sind Verstopfungen, Betriebsunterbrechungen und Produktionsverluste.
Zur Lösung dieses Problems führt erfindungsgemäss diejenige Ausführungsvariante, bei welche der Rotor aus zwei koaxialen Rotoreinheiten besteht, wobei die äussere Rotoreinheit der Verteilung und steigenden Förderung des Produktes in einer äusseren Kammer von der in Bodennähe des Reaktors angeordneten Einspeisestelle zu einer Umlenkstelle und die innere Rotoreinheit der Verteilung und fallenden Förderung in einer inneren Kammer von der Umlenkstelle zur in Bodennähe des Reaktors angeordneten Austragstelle dient.
In der äusseren Kammer werden die Brüden im Gleichstrom mit dem Produkt geführt. Die äussere Kammer wirkt dabei gleichzeitig als Beruhigungszone für die Brüden. Die Trennung der Brüden und des Produkts erfolgt bei der Umlenkung in die innere Kammer. Diese Ausführungsform mit zwei koaxialen Rotoreinheiten sowie innerer und äusserer Kammer eignet sich auch für die Polykondensation von Vorkondensaten sowie zum Konzentrieren und Entmonomerisieren von Polymerlösungen. Verfahrensmässig ergibt sich hierbei, dass in der äusseren Kammer die Verweilzeit und damit die Temperaturbelastung bei niedrig reagiertem Kondensat länger ist als in der durch längere Temperaturbelastung bei höher reagiertem Kondensat gekennzeichneten inneren Kammer, was sich vorteilhaft auf die Produktqualität auswirkt.
Unter Polykondensation oder schrittweiser Polymerisation werden hier Reaktionen verstanden, bei welchen die chemische Formel der sich wiederholenden Einheiten, also Molekülketten, gewisse im Monomer vorhandene Bausteine nicht mehr zeigt. Polyäthylen-Therephthalat (PET) beispielsweise wird geformt durch die Polykondensation zweier gleichwertiger Monomere unter Elimination von Wasser. Die zwei gebräuchlichsten Verfahren sind:
- Zweistufige Methode:
Dimethyltherephthalat und Äthylenglykol werden verestert zu Diglykoltherephthalat und Methanol. Das Diglykoltherephthalat reagiert unter Abspaltung von Glykol weiter PET.
- Einstufige Methode:
Bei der Herstellung von Terephthalsäure mit erforderlichem Reinheitsgrad kann die Terephthalsäure direkt in Polyester überführt werden. Aus Terephthalsäure und Glykol entstehen dabei PET-Radikale, die sich durch Kondensation weiter zu PET verketten lassen.
Die erfindungsgemässe, auch Reaktor genannte Vorrichtung mit zwei Rotoreinheiten sowie innerer und äusserer Kammer ist zur Kondensation von PET nach beiden der oben erwähnten Methoden geeignet, wobei vorausgesetzt wird, dass als Speisung ein PET-Vorkondensat mit einem IV-Wert (Intrinsic Viscosity-Wert) von 0,15 bis 0,25 verwendet wird. Die Beaufschlagung des Reaktors mit Vorkondensat erfolgt bevorzugt kontinuierlich. Das Vorkondensat kann sowohl kontinuierlich, als auch batchweise hergestellt werden. Bei batchweiser Umesterung erfolgt die bevorzugte Herstellung in einer Art, dass der erfindungsgemässe Reaktor kontinuierlich beaufschlagt werden kann.
Nach Anspruch 16 genügt eine einzige Heizkammer zum Beheizen sowohl der äusseren als auch der inneren Kammer.
Obwohl es möglich ist, die beiden Rotoreinheiten starr miteinander zu verbinden, kann eine Ausführungsform nach Anspruch 17 vorteilhaft sein, um die Behandlungsleistung beider Rotoreinheiten durch unterschiedliche Drehzahlen optimal aufeinander abstimmen zu können.
Anspruch 18 beschreibt eine bevorzugte konstruktive Ausgestaltung.
Eine Ausführungsform nach Anspruch 19 kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die äussere Kammer des Reaktors, welche die äussere Rotoreinheit aufnimmt, konisch geformt ist, wobei das Ende mit dem grösseren Durchmesser nach unten gerichtet ist. Da die Einspeisung des Gutes bei der Zweikammer-Ausführung unten erfolgt, ist eine solche Ausführungsform geeignet, die zunehmende Eindickung des Gutes im Verlauf der Behandlung durch die in Förderrichtung abnehmende Behandlungsfläche zu berücksichtigen.
Gemäss Anspruch 20 dienen winkelförmige Stegbleche zur Verteilung des Gutes auf den Behandlungsflächen des Rotors bzw. mindestens einer der Rotoreinheiten bei der Zweikammer-Ausführung.
Gemäss dem abhängigen Anspruch 21 weist eine erfindungsgemässe Ausführung mit zwei koaxialen Rotoreinheiten in einer oder beiden Rotoreinheiten zum Verteilen des Gutes auf den Behandlungsflächen dienende Scherkanten auf.
Anspruch 22 gibt eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung an
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Daraus ergeben sich weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung mit zwei Rotoreinheiten in einer Seitenansicht, teilweise im Schnitt,
Fig. 2 eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung mit zwei Rotoreinheiten in einer Seitenansicht, teilweise im Schnitt,
Fig. 3 eine innere Rotoreinheit in einer Seitenansicht,
Fig. 4 die Rotoreinheit nach Fig. 3 in der Draufsicht,
Fig. 5 eine äussere Rotoreinheit, in einer Seitenansicht, teilweise im Schnitt,
Fig. 6 die Rotoreinheit nach Fig. 5 in der Draufsicht,
Fig. 7 eine Rotoreinheit mit Kernrohr, in der Draufsicht,
Fig. 8 eine innere oder alleinige Rotoreinheit in Käfigausführung, in der Draufsicht und
Fig. 9 eine besonders bevorzugte Ausführung einer Vorrichtung mit einem einzigen Rotor, in einer Seitenansicht, teilweise in Schnitt.
Ein in Fig. 1 dargestellter Reaktor 10 weist einen die Prozesszone umfassenden Körper 12 auf. Unmittelbar auf den Körper 12 aufgesetzt und an diesem über eine Flansch- oder Schweissverbindung befestigt ist ein Oberteil 14. Im Reaktor 10 ist ein aus zwei koaxialen Rotoreinheiten 16, 18 zusammengesetzter Rotor mit einer vertikalen Rotorachse z angeordnet. Die Rotoreinheiten 16, 18 lagern einerseits im Oberteil 14 und sind mit einer dem Oberteil 14 aufgesetzten Antriebseinheit 20 verbunden. Am unteren Ende des Körpers 12 befindet sich eine Austrageinheit 22.
Vom Boden des Körpers 12 ausgehend erstreckt sich zwischen den beiden Rotoreinheiten 16, 18 eine Heizkammer 24. Diese weist eine gegen die innere Rotoreinheit 16 gerichtete innere Heizfläche 26 sowie eine gegen die äussere Rotoreinheit 18 gerichtete äussere Heizfläche 28 auf. Die Heizkammer 24 ist mit einem Eintrittsstutzen 30 zur Zufuhr sowie mit einem Austrittsstutzen 32 zur Abfuhr eines flüssigen oder dampfförmigen Wärmeträgers verbunden. Durch die Heizkammer 24 werden somit im Körper 12 zwei Kammern A und B gebildet, welche von der äusseren und von der inneren Rotoreinheit 18, 16 gleichzeitig bestrichen werden.
Die Rotoreinheiten 16, 18 sind derart mit Flügelstummeln 34, 36 bestückt, dass ein über einen in Bodennähe des Körpers 12 angeordneten Produkteinspeisestutzen 40 in die äussere Kammer A eingeführtes Produkt bzw. Gut an der äusseren Heizfläche 28 der Heizkammer 24 nach oben gefördert und am oberen Ende der Heizkammer 24 über ein Umlenkblech 38 in die innere Kammer B überführt wird. In der inneren Kammer B wird das umgelenkte Produkt an der inneren Heizfläche 26 der Heizkammer 24 nach unten gefördert. Am unteren Ende der inneren Rotoreinheit 16 befindet sich eine Förderschnecke 42, die zusammen mit dem Rotor über einer Austragpumpe 44 gelagert ist. Die dem Austrag des Produktes aus dem Reaktor dienende Austragpumpe 44 ist mit einem Eintrittsstutzen 46 zur Zufuhr und einem Austrittsstutzen 48 zur Abfuhr eines Wärmeträgers verbunden.
Das integrierte Austragsystem besteht somit aus einem konischen Teil als Übergangsstück vom Körper 12 auf eine geeignete Austragpumpe 44 - beispielsweise eine Zahnradpumpe - mit im konischen Teil sich drehender Förderschnecke 42 sowie der Pumpe selbst. Die Drehzahl der Austragpumpe 44 kann durch geeignete Massnahmen, z.B. Messen des Zulaufdruckes oder des Niveaus im konischen Teil, geregelt werden. Der Austritt gasförmiger flüchtiger Komponenten erfolgt im Oberteil 14 über einen dort angebrachten Brüden-Auslassstutzen 50.
Der Körper 12, das Oberteil 14 und die Austrageinheit 22 sind gegen die Reaktoraussenseite jeweils von einer mit einem Doppelmantel ausgeführten Körperwand 52, Oberteilwand 58 bzw. Konuswand 64 begrenzt. Für die Zu- bzw. Abfuhr eines den jeweiligen Doppelmantel durchströmenden Wärmeträgers sind Ein- bzw. Austrittsstutzen 60, 62 für die Oberteilwand 58 sowie Ein- bzw. Austrittsstutzen 66, 68 für die Wand 64 des konischen Teils vorgesehen.
Zur vertikalen fliegenden Aufstellung des Reaktors 10 sind mit dem Oberteil 14 Pratzen bzw. eine Platte 70 verbunden. Im Oberteil 14 befinden sich des weiteren eine Lagereinheit sowie Gleitringdichtungen zur Abdichtung des Rotors zu den Kammern A und B.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Variante des Reaktors 10 sind die äussere Heizfläche 28 der Heizkammer 24 sowie die Körperwand 52 nicht vertikal sondern schräg angeordnet. Demzufolge befindet sich auch die von der inneren Heizfläche 26 der Heizkammer 24 und der Körperwand 52 eingeschlossene Kammer A in Schräglage. Die in Fig. 2 gezeigten Ausführungsformen für die innere bzw. äussere Rotoreinheit 16, 18 sowie weitere mögliche Varianten sind nachfolgend anhand der Fig. 3 bis 8 näher erläutert.
Gemäss Fig. 3 und 4 sind an einem Kernrohr 74 parallel zur Rotorachse z angeordnete, winkelförmige Stegbleche 72 angeschweisst. Auf der Aussenseite der Stegbleche sind Blattelemente 76 schraubenlinienförmig angeordnet. Hierbei überragt die äussere Begrenzungslinie 77 der Blattelemente 76 die Kante 78 des winkelförmigen Stegbleches 72 um ein Mass a.
In den Fig. 5 und 6 ist der zu den Fig. 3 und 4 analoge Aufbau einer äusseren Rotoreinheit 18 dargestellt. Die Stegbleche 72 mit den Blattelementen 76 sind hier innerhalb eines Aussenrohrs 80 angeordnet und entsprechend der Förderung des Produkts an der inneren Heizfläche 26 der Heizkammer 24 nach innen gerichtet.
In Fig. 7 und 8 sind zwei alternative Rotor-Ausführungsformen einander gegenübergestellt. Fig. 7 zeigt eine Ausführung mit einem Kernrohr 74. In Fig. 8 ist an Stelle eines Kernrohres ein Käfig 82 angeordnet. Die äussere Begrenzungslinie 77 der schraubenlinienförmig angeordneten Blattelemente 76 steht auch hier gegenüber der senkrechten Kante 84 des Käfigs 82 um ein Mass a vor. Der Rotor in Käfigausführung bietet die Möglichkeit, im Inneren einen Kondensator anzuordnen. Bei beiden Ausführungsvarianten liegt die Anzahl der Blattelemente zwischen 2 und 80, typischerweise zwischen 4 und 32.
Die in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen sind sowohl als innere Rotoreinheit 16 bei einer Vorrichtung mit zwei Rotoreinheiten als auch als einziger Rotor 15 der in der Fig. 9 dargestellten Ausführung einer Vorrichtung mit nur einem Rotor geeignet.
Bei der Ausführung nach Fig. 7 sind die als Förderelemente dienenden, in axialen Reihen verteilt angeordneten, gesamthaft an der äusserem Begrenzungslinie 77 eine Schraubenlinie bildenden Blattelemente 76 an den winkelförmigen Stegblechen 72 befestigt, die ihrerseits mittels Tragelementen 75 am Kernrohr 74 starr befestigt sind. Die Stegbleche 72 bilden jeweils im Querschnitt ein stumpfwinkliges keilförmiges Element, dessen radial gerichtete Spitze als Scherkante 78 dient. Bezogen auf eine über die äussere Begrenzungslinie 77 der Blattelemente 76 gelegte Tangente t weist das keilförmige Element 72 einen in Drehrichtung 71 nachlaufenden Winkel alpha auf, der grösser ist als ein in Drehrichtung 71 vorlaufender Winkel beta .
Obwohl hier der Ausdruck "Stegbleche" 76 für die keilförmigen Elemente verwendet wird, können diese auch aus einem anderen Werkstück, beispielsweise aus einem gezogenen Profil bestehen.
In Abweichung von der dargestellten Ausführung nach Fig. 7 ist es auch möglich, die als Förderelemente dienenden Blattelemente unmittelbar am Kernrohr zu befestigen und die winkelförmigen Stegbleche 72 in axialer Richtung abschnitt weise dazwischen anzuordnen. Dabei können die Blattelemente in der Draufsicht trapezförmig sein, wobei ihre Breitseite der äusseren Begrenzungslinie 77 und ihre Schmalseite dem Kernrohr 74 zugekehrt ist.
Bezugnehmend auf die Fig. 3 bis 8 lässt sich die Funktion des Rotors unterteilen in Fördern und Verteilen des eingetragenen Produktes. Die Verteilung des Produktes auf die innere und äussere Heizfläche 26, 28 der Heizkammer 24 bzw. bei der Reaktorausführung mit nur einem Rotor auf die beheizbare Innenseite der Körperwand 52 wird durch die winkelförmigen Stegbleche 72 erreicht. Die an diesen Stegblechen 72 schraubenlinienförmig angeordneten Blechsegmente bzw. Blattelemente 76 übernehmen die Förderung des Produktes.
Der Spalt zwischen der Kante 78 der Stegbleche 72 zur Heizfläche 26, 28 bzw. zur Innenseite der Körperwand 52 ist hierbei grösser oder gleich dem Spalt zwischen der äusseren Begrenzungslinie 77 der Blattelemente 76 und der Heizfläche 26, 28 bzw. der Innenseite der Körperwand 52. Spaltweiten und Anzahl der Stegbleche sowie deren Länge und Kombination untereinander richten sich nach Art des zu verarbeitenden Produktes.
Die Drehzahlen der Rotoreinheiten 16, 18 in den Kammern A und B können in festem Verhältnis zueinander stehen oder unabhängig voneinander variiert werden. Dies wird erreicht durch eine koaxiale Hohlwellenausführung beider Antriebswellen zu den Rotoreinheiten. Auf die beiden koaxialen Enden der Rotorantriebswellen wird ein Getriebe aufgesteckt. Bei festem Drehzahlverhältnis beider Rotoreinheiten 16, 18 hat das Getriebe eine einzige Antriebswelle, bei unabhängiger Drehzahl beider Rotoreinheiten 16, 19 zwei Antriebswellen. Die Getriebe-Antriebswellen werden durch bekannte drehzahlverstellbare Antriebe angetrieben, beispielsweise durch Hydraulikmotoren oder frequenzgeregelte Elektromotoren. Die gesamte Antriebseinheit ist am Oberteil 14 abgestützt.
Nachfolgend werden beispielhafte Betriebsbedingungen für einen erfindungsgemässen Reaktor gemäss der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform bei der Verarbeitung von Polyäthylen-Terephthalat (PET) näher beschrieben.
Ein typischerweise bei einer Temperatur von etwa 280 DEG C anfallendes PET-Vorkondensat mit einem IV-Wert (Intrinsic Viscosity) von 0,18 bis 0,20 wird mittels einer volumetrischen Pumpe - beispielsweise eine Zahnradpumpe - durch den Produkt-Einspeisestutzen 40 in den Reaktor 10 eingespiesen. Die äussere Rotoreinheit 18 in der äusseren Kammer A erfasst das flüssige Produkt und verteilt es in dünner Schicht auf der beheizten äusseren Heizfläche 28 der Heizkammer 24. Die als Doppelwand der äusseren Kammer A ausgebildeten Körperwand 52 wie auch die Heizkammer 24 werden mit einem flüssigem Heizmedium beaufschlagt, welche eine Temperatur von etwa 320 DEG C aufweist. Die äussere Rotoreinheit 18 in der äusseren Kammer A fördert gleichzeitig das Produkt in dünner Schicht nach oben. Die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors beträgt beispielsweise 2 m/s.
Mit der Drehzahl des Rotors kann dabei gleichzeitig die Verweilzeit des Produktes beeinflusst werden.
Durch die spezielle Ausführung des Rotors wird eine häufige Umschichtung des Produktefilms erzielt und dadurch eine stete Oberflächenerneuerung erreicht. Damit werden ausge zeichnete Verhältnisse für den Stoffaustausch geschaffen. Der Druck in der äusseren Kammer A beträgt etwa 0,5 bis 1,0 mbar.
Am oberen Ende der Kammer A wird das Produkt zur inneren Heizfläche 26 der Heizkammer 24 in die innere Kammer B umgelenkt. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der IV-Wert etwa 0,50. In der inneren Kammer B beträgt der Druck ebenfalls etwa 0,5 bis 1,0 mbar. Das Kondensat wird von der koaxialen inneren Rotoreinheit 16 erfasst und in dünner Schicht auf der inneren Heizfläche 26 der Heizkammer 24 verteilt und nach unten gefördert. Die Umfangsgeschwindigkeit der inneren Rotoreinheit 16 beträgt etwa 1,5 m/s.
Das reagierte Produkt wird durch die integrierte Austrageinheit 22, bestehend aus der Förderschnecke 42 zum Füttern der Austragpumpe 44 und der Pumpe selbst zum Druckaufbau, ausgetragen. Die Temperatur der Schmelze an dieser Stelle beträgt etwa 310 DEG C und der IV-Wert ist grösser oder gleich 0,60.
Die abgespaltenen Monomere sowie Wasser verlassen den Rotor im Oberteil 14 über den Brüden-Auslassstutzen 50. In der Kammer A werden die Monomere in Richtung des Produktflusses abgezogen, währenddessen in der Kammer B die Richtungen gegenläufig sind. An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass der Energieeintrag in das Produkt nicht nur über die Heizflächen 26, 28 der Heizkammer 24 erfolgt, sondern auch über den Rotor.
Die in der Fig. 9 dargestellte, als Reaktor 10 dienende Vorrichtung weist einen einzigen Rotor 15 mit einem Kernrohr 74 auf, an welchem über den Umfang gleichmässig ver teilt, mehrere im Querschnitt keilförmige Elemente 72 starr befestigt sind. Diese erstrecken sich vorwiegend in axialer Richtung vorzugsweise über die volle Achserstreckung einer beheizten mantelförmigen Behandlungsfläche 53. Zur Beheizung wird einer innerhalb einer Körperwand 52 angeordneten Heizkammer ein Wärmeträger über einen Eintrittsstutzen 54 zu- und über einen Austrittsstutzen 56 abgeführt.
An den im Querschnitt keilförmigen Elementen 72 sind radial gerichtete Blattelemente als Förderelemente 76 befestigt. Deren äussere Kanten sind umfangsseitig derart schraubenlinienförmig angeordnet, dass sie das über einen Produkt-Einspeisestutzen 40 zugeführte, zu behandelnde Gut abwärts zu einer Austrageinheit 22 fördern, sobald der Rotor 15 in der vorgegebenen Drehrichtung durch eine Antriebseinheit 20 angetrieben ist. Unten wird das behandelte Gut über eine trichterförmige Konuswand 64 einer Förderschnecke 42 zugeführt. Dieser ist eine Austragpumpe 44 nachgeordnet.
Bei den im Querschnitt keilförmigen Elementen 72 kann es sich beispielsweise um winkelförmige Stegbleche oder auch um Profilelemente handeln. Die radial gerichteten Kanten der Elemente 72 dienen als Scherkanten 78. Im Gegensatz zu der dargestellten Ausführung können die Scherkanten 78 mindestens teilweise anstelle in axialer Richtung auch derart in einem Anstellwinkel von beispielsweise 200 angeordnet sein, dass sie dem zu fördernden Gut eine Komponente erteilen, die der Förderrichtung entgegengesetzt ist. Die Scherkanten 78 weisen stets einen von der Behandlungsfläche 53 gleichbleibenden Abstand auf.
Wie bereits erwähnt, dienen die Scherkanten 78 dazu, das zu behandelnde Gut gleichmässig auf der Behandlungsfläche 53 zu verteilen, während die Förderelemente 76 das Gut unabhängig von der Verteilung weiterfördern.
Aus der Fig. 9 geht deutlich hervor, dass die Förderelemente 76 mit ihren äusseren Rändern nahezu bis an die Behandlungsfläche 53 heranreichen.
The invention relates to a device according to the preamble of claim 1 and to a use of the device according to claim 22. Such or similar devices are also known under the names thin film evaporator or reactor.
The thermal treatment of highly viscous products, in particular thermoplastics and elastomers, is of increasing importance. Such products are increasingly manufactured by polymerization in bulk and solution. The trend shows that the known stripping and drying processes are substituted for reasons of environmental protection and the consequent time-consuming cleaning, disposal and recovery of water, condensate, air, etc.
Known equipment for the thermal treatment of highly viscous products, such as static evaporators, also known as flashboxes, circulation evaporators, thin-film evaporators for viscous products and degassing extruders are only economically and qualitatively suitable for processing the products mentioned to a limited extent.
A thin-film evaporator known from DD-B1 226 778 according to the preamble of claim 1 is used for thickening viscous media and has, as conveying elements, vanes in the form of helical toothed racks. Their teeth overlap from rack to rack in the circumferential direction of the rotor. The toothed racks have a trapezoid-like cross section, their rear side, which is wider than that of the toothed face that runs through the wall, facing the rotor shaft.
The conveying elements of this known device formed by the teeth of the toothed racks generally serve to convey the material to be treated along a heated jacket surface serving as a treatment surface in the direction of an outlet, in the present case down to a discharge screw. A uniform distribution of the material on the treatment surface during conveying can only be achieved insufficiently with this known device.
The object of the invention is therefore first of all to create a device of the type mentioned at the outset which ensures a uniform distribution of the material to be treated on the treatment surface. An expanded task is to enable the products to be processed economically and with good quality.
The object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
The shearing edge according to the invention separates the conveying and distribution of the material from one another on the treatment surface. Regardless of how the goods are conveyed, they can be evenly distributed over the treatment area. As a result, the residence time can be shortened, thus improving the quality of the product on the one hand and increasing the cost-effectiveness of the device on the other.
A preferred embodiment according to claim 2 allows the residence time of the goods on the treatment surface to be adapted to different requirements by the distribution direction being able to be influenced by the angle of attack of the shear edge. A negative angle of attack gives the good a component opposite to the conveying direction if the dwell time is to be increased. A negative angle of attack can be, for example, 20 °, based on a line extending in the axial direction.
In an embodiment according to claim 3, the dwell time can be adapted to the increasing thickening of the product on the treatment route. For example, it can be advantageous if the angle of attack increases from an axial extent.
The embodiment according to claim 4 ensures a constant thickness of the applied layer, regardless of the angle of attack.
The embodiment according to claim 5 guarantees optimal use of the heatable treatment area.
Claim 6 describes a preferred embodiment for constructing the shear edge.
The dimensioning rule according to claim 7 on the different angles in the circumferential direction in front of and behind the shear edge enables adaptation to the properties of the material to be treated.
The structural stability required for reproducible results can be achieved by preferred constructive configurations according to claims 8 and 9.
In an embodiment according to claim 10, the conveying elements result in a particularly uniform conveying capacity.
Embodiments according to claims 11 and 12 allow a further adjustment of the distribution performance to the goods to be treated.
In one embodiment according to claim 13, it is a self-supporting rotor in that the polygonal cage replaces the core tube. Such a design is simpler and lighter in construction and enables the installation of a capacitor in the center of the cage.
Claim 14 specifies an embodiment for the storage and support of the rotor. The screw conveyor is used to remove the treated goods. The screw conveyor is usually followed by a volumetric pump, the delivery rate of which can be regulated depending on the quantity of the material being treated.
The device according to claim 15 has two rotor units arranged coaxially one inside the other. In particular, this device serves to increase the dwell time in that the material is conveyed upwards in the outer rotor unit and downwards in the inner rotor unit and is thereby treated. With this two-stage design, it is advantageous according to the invention if the outer rotor unit has more shear edges than the inner rotor unit.
Further conditions and properties of the invention according to claim 15 are highlighted below.
In the case of strongly overheated reaction solutions, immediate flash evaporation takes place when heated and partially evacuated equipment is used, also called flashing. This process can lead to product parts being carried into the condensation system. The consequences are blockages, business interruptions and production losses.
According to the invention, that embodiment variant in which the rotor consists of two coaxial rotor units leads to the solution of this problem, the outer rotor unit distributing and increasing the conveyance of the product in an outer chamber from the feed point arranged near the bottom of the reactor to a deflection point and the inner rotor unit the Distribution and falling conveyance in an inner chamber from the deflection point to the discharge point arranged near the bottom of the reactor.
In the outer chamber, the vapors are conducted in cocurrent with the product. The outer chamber also acts as a calming zone for the brothers. The vapors and the product are separated when they are diverted into the inner chamber. This embodiment with two coaxial rotor units and an inner and outer chamber is also suitable for the polycondensation of precondensates and for concentrating and demonomerizing polymer solutions. In terms of the process, this means that the dwell time and thus the temperature load in the case of low reacted condensate is longer in the outer chamber than in the inner chamber characterized by longer temperature load in the case of more highly reacted condensate, which has an advantageous effect on the product quality.
Polycondensation or step-by-step polymerization here means reactions in which the chemical formula of the repeating units, i.e. molecular chains, no longer shows certain building blocks present in the monomer. Polyethylene terephthalate (PET), for example, is formed by the polycondensation of two equivalent monomers with the elimination of water. The two most common methods are:
- Two-step method:
Dimethyl terephthalate and ethylene glycol are esterified to diglycol terephthalate and methanol. The diglycol terephthalate reacts further with the elimination of glycol PET.
- One-step method:
When producing terephthalic acid with the required degree of purity, the terephthalic acid can be converted directly into polyester. PET radicals are formed from terephthalic acid and glycol, which can be further linked to PET by condensation.
The device according to the invention, also called a reactor, with two rotor units and an inner and outer chamber is suitable for the condensation of PET by both of the above-mentioned methods, it being assumed that a PET precondensate with an IV value (intrinsic viscosity value) is used as the feed. from 0.15 to 0.25 is used. The application of precondensate to the reactor is preferably carried out continuously. The precondensate can be produced either continuously or batchwise. In the case of batchwise transesterification, the preferred preparation is carried out in such a way that the reactor according to the invention can be charged continuously.
According to claim 16, a single heating chamber is sufficient for heating both the outer and the inner chamber.
Although it is possible to rigidly connect the two rotor units to one another, an embodiment according to claim 17 can be advantageous in order to be able to optimally match the treatment performance of both rotor units to one another by means of different rotational speeds.
Claim 18 describes a preferred constructive embodiment.
An embodiment according to claim 19 can be achieved, for example, in that the outer chamber of the reactor, which receives the outer rotor unit, is conical in shape, the end with the larger diameter being directed downward. Since the goods are fed in at the bottom in the two-chamber version, such an embodiment is suitable to take into account the increasing thickening of the goods in the course of the treatment due to the treatment area decreasing in the conveying direction.
According to claim 20, angular web plates serve to distribute the material on the treatment surfaces of the rotor or at least one of the rotor units in the two-chamber design.
According to the dependent claim 21, an embodiment according to the invention with two coaxial rotor units in one or both rotor units for distributing the material on the treatment surfaces has shear edges.
Claim 22 specifies a preferred use of the device according to the invention
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings. This results in further advantages, features and details of the invention.
Show it:
1 shows a device with two rotor units in a side view, partly in section,
2 shows another embodiment of a device with two rotor units in a side view, partly in section,
3 shows an inner rotor unit in a side view,
4 the top view of the rotor unit according to FIG. 3,
5 shows an outer rotor unit, in a side view, partly in section,
6 is a top view of the rotor unit according to FIG. 5,
7 is a top view of a rotor unit with a core tube,
Fig. 8 is an inner or sole rotor unit in a cage design, in plan view and
Fig. 9 shows a particularly preferred embodiment of a device with a single rotor, in a side view, partially in section.
A reactor 10 shown in FIG. 1 has a body 12 encompassing the process zone. An upper part 14 is placed directly on the body 12 and fastened thereon by means of a flange or welded connection. A rotor composed of two coaxial rotor units 16, 18 with a vertical rotor axis z is arranged in the reactor 10. The rotor units 16, 18 are mounted on the one hand in the upper part 14 and are connected to a drive unit 20 placed on the upper part 14. A discharge unit 22 is located at the lower end of the body 12.
Starting from the bottom of the body 12, a heating chamber 24 extends between the two rotor units 16, 18. This has an inner heating surface 26 directed against the inner rotor unit 16 and an outer heating surface 28 directed against the outer rotor unit 18. The heating chamber 24 is connected to an inlet connector 30 for supply and with an outlet connector 32 for removing a liquid or vaporous heat transfer medium. The heating chamber 24 thus forms two chambers A and B in the body 12, which are coated by the outer and the inner rotor units 18, 16 simultaneously.
The rotor units 16, 18 are equipped with wing stubs 34, 36 in such a way that a product or material introduced into the outer chamber A via a product feed connector 40 arranged near the bottom of the body 12 is conveyed upwards on the outer heating surface 28 of the heating chamber 24 and at the top End of the heating chamber 24 is transferred into the inner chamber B via a baffle 38. In the inner chamber B, the deflected product is conveyed downward on the inner heating surface 26 of the heating chamber 24. At the lower end of the inner rotor unit 16 there is a screw conveyor 42 which is mounted together with the rotor via a discharge pump 44. The discharge pump 44 serving to discharge the product from the reactor is connected to an inlet connection 46 for supply and an outlet connection 48 for removal of a heat transfer medium.
The integrated discharge system thus consists of a conical part as a transition piece from the body 12 to a suitable discharge pump 44 - for example a gear pump - with a screw conveyor 42 rotating in the conical part and the pump itself. The speed of the discharge pump 44 can be adjusted by suitable measures, e.g. Measuring the inlet pressure or the level in the conical part. The escape of gaseous volatile components takes place in the upper part 14 via a vapor outlet connection 50 attached there.
The body 12, the upper part 14 and the discharge unit 22 are each bounded against the outside of the reactor by a body wall 52, upper part wall 58 and cone wall 64, which is designed with a double jacket. For the supply and discharge of a heat carrier flowing through the respective double jacket, inlet and outlet ports 60, 62 for the upper part wall 58 and inlet and outlet ports 66, 68 for the wall 64 of the conical part are provided.
For the vertical flying installation of the reactor 10, 14 claws or a plate 70 are connected to the upper part. In the upper part 14 there is also a bearing unit and mechanical seals for sealing the rotor to the chambers A and B.
In the variant of the reactor 10 shown in FIG. 2, the outer heating surface 28 of the heating chamber 24 and the body wall 52 are not arranged vertically but at an angle. As a result, the chamber A enclosed by the inner heating surface 26 of the heating chamber 24 and the body wall 52 is also in an inclined position. The embodiments shown in FIG. 2 for the inner or outer rotor unit 16, 18 and further possible variants are explained in more detail below with reference to FIGS. 3 to 8.
3 and 4, angled web plates 72 are welded to a core tube 74 parallel to the rotor axis z. Leaf elements 76 are arranged helically on the outside of the web plates. Here, the outer boundary line 77 of the leaf elements 76 projects beyond the edge 78 of the angular web plate 72 by a dimension a.
FIGS. 5 and 6 show the structure of an outer rotor unit 18 that is analogous to that of FIGS. 3 and 4. The web plates 72 with the leaf elements 76 are arranged here within an outer tube 80 and directed inwards in accordance with the conveyance of the product on the inner heating surface 26 of the heating chamber 24.
7 and 8, two alternative rotor embodiments are juxtaposed. FIG. 7 shows an embodiment with a core tube 74. In FIG. 8, a cage 82 is arranged instead of a core tube. The outer boundary line 77 of the helically arranged leaf elements 76 also protrudes from the vertical edge 84 of the cage 82 by a dimension a. The rotor in the cage design offers the possibility of arranging a capacitor inside. In both variants, the number of leaf elements is between 2 and 80, typically between 4 and 32.
The embodiments shown in FIGS. 7 and 8 are suitable both as an inner rotor unit 16 in a device with two rotor units and as the only rotor 15 of the embodiment of a device with only one rotor shown in FIG. 9.
In the embodiment according to FIG. 7, the leaf elements 76 serving as conveying elements, distributed in axial rows and forming a helical line on the outer boundary line 77, are fastened to the angular web plates 72, which in turn are rigidly fastened to the core tube 74 by means of supporting elements 75. The web plates 72 each form an obtuse-angled wedge-shaped element in cross section, the radially directed tip of which serves as a shear edge 78. Relative to a tangent t placed over the outer boundary line 77 of the leaf elements 76, the wedge-shaped element 72 has an angle alpha trailing in the direction of rotation 71, which is larger than an angle beta leading in the direction of rotation 71.
Although the term “web plates” 76 is used here for the wedge-shaped elements, these can also consist of another workpiece, for example a drawn profile.
In a departure from the embodiment shown in FIG. 7, it is also possible to attach the sheet elements serving as conveying elements directly to the core tube and to arrange the angular web plates 72 in sections in the axial direction. The top view of the leaf elements can be trapezoidal, their broad side facing the outer boundary line 77 and their narrow side facing the core tube 74.
3 to 8, the function of the rotor can be divided into conveying and distributing the registered product. The distribution of the product on the inner and outer heating surface 26, 28 of the heating chamber 24 or, in the case of the reactor design with only one rotor, on the heatable inside of the body wall 52 is achieved by the angular web plates 72. The sheet metal segments or sheet elements 76 arranged helically on these web sheets 72 take over the conveyance of the product.
The gap between the edge 78 of the web plates 72 to the heating surface 26, 28 or to the inside of the body wall 52 is greater than or equal to the gap between the outer boundary line 77 of the sheet elements 76 and the heating surface 26, 28 or the inside of the body wall 52. Gap widths and number of web plates, as well as their length and combination, depend on the type of product to be processed.
The speeds of the rotor units 16, 18 in the chambers A and B can be in a fixed relationship to one another or can be varied independently of one another. This is achieved through a coaxial hollow shaft design of both drive shafts to the rotor units. A gearbox is attached to the two coaxial ends of the rotor drive shafts. With a fixed speed ratio of both rotor units 16, 18, the transmission has a single drive shaft, with an independent speed of both rotor units 16, 19, two drive shafts. The transmission drive shafts are driven by known speed-adjustable drives, for example by hydraulic motors or frequency-controlled electric motors. The entire drive unit is supported on the upper part 14.
Exemplary operating conditions for a reactor according to the invention in accordance with the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 when processing polyethylene terephthalate (PET) are described in more detail below.
A PET precondensate typically obtained at a temperature of about 280 ° C. with an IV (intrinsic viscosity) of 0.18 to 0.20 is fed into the reactor through the product feed pipe 40 by means of a volumetric pump - for example a gear pump 10 fed. The outer rotor unit 18 in the outer chamber A detects the liquid product and distributes it in a thin layer on the heated outer heating surface 28 of the heating chamber 24. The body wall 52 designed as a double wall of the outer chamber A, as well as the heating chamber 24, are acted upon by a liquid heating medium , which has a temperature of about 320 ° C. The outer rotor unit 18 in the outer chamber A simultaneously conveys the product in a thin layer upwards. The peripheral speed of the rotor is, for example, 2 m / s.
The dwell time of the product can be influenced simultaneously with the speed of the rotor.
Due to the special design of the rotor, the product film is often rearranged and a constant surface renewal is achieved. This creates excellent conditions for mass transfer. The pressure in the outer chamber A is approximately 0.5 to 1.0 mbar.
At the upper end of chamber A, the product is redirected to inner heating surface 26 of heating chamber 24 into inner chamber B. At this point, the IV is about 0.50. The pressure in the inner chamber B is also about 0.5 to 1.0 mbar. The condensate is captured by the coaxial inner rotor unit 16 and distributed in a thin layer on the inner heating surface 26 of the heating chamber 24 and conveyed downward. The peripheral speed of the inner rotor unit 16 is approximately 1.5 m / s.
The reacted product is discharged through the integrated discharge unit 22, consisting of the screw conveyor 42 for feeding the discharge pump 44 and the pump itself for building up pressure. The temperature of the melt at this point is approximately 310 ° C. and the IV value is greater than or equal to 0.60.
The split off monomers and water leave the rotor in the upper part 14 via the vapor outlet connection 50. In the chamber A, the monomers are drawn off in the direction of the product flow, while in the chamber B the directions are opposite. At this point it should also be mentioned that the energy input into the product does not only take place via the heating surfaces 26, 28 of the heating chamber 24, but also via the rotor.
The device shown in FIG. 9, serving as the reactor 10, has a single rotor 15 with a core tube 74, on which evenly divides ver over the circumference, several elements 72 which are wedge-shaped in cross section are rigidly fastened. These extend predominantly in the axial direction, preferably over the full axis extension of a heated, jacket-shaped treatment surface 53. For heating, a heating medium is arranged within a body wall 52 and a heat transfer medium is supplied via an inlet connection 54 and discharged via an outlet connection 56.
Radially directed leaf elements are attached as conveyor elements 76 to the elements 72 which are wedge-shaped in cross section. Their outer edges are arranged helically around the circumference in such a way that they convey the material to be treated, which is supplied via a product feed connector 40, downwards to a discharge unit 22 as soon as the rotor 15 is driven in the predetermined direction of rotation by a drive unit 20. At the bottom, the treated material is fed to a screw conveyor 42 via a funnel-shaped cone wall 64. This is followed by a discharge pump 44.
The elements 72 which are wedge-shaped in cross section can be, for example, angular web plates or also profile elements. The radially directed edges of the elements 72 serve as shear edges 78. In contrast to the illustrated embodiment, the shear edges 78 can be arranged at least partially instead of in the axial direction at an angle of attack of, for example, 200 that they impart a component to the material to be conveyed that the direction of conveyance is opposite. The shear edges 78 are always at a constant distance from the treatment surface 53.
As already mentioned, the shear edges 78 serve to distribute the material to be treated evenly on the treatment surface 53, while the conveying elements 76 continue to convey the material regardless of the distribution.
9 clearly shows that the conveying elements 76 with their outer edges almost reach the treatment surface 53.