CN104039433B - 用于进行机械、化学和/或热过程的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在壳体(3)中进行机械、化学和/或热过程的装置，壳体(3)包括在至少两个轴(1,2)上的混合及清洁件(5)，其中轴(1,2)的混合及清洁件(5)互相啮合并具有包括捏合杆的盘状件，包括捏合杆的盘状件的数目与轴之间的转速比相配。

Description

用于进行机械、化学和/或热过程的装置
技术领域
本发明涉及一种用于在壳体中进行机械、化学和/或热过程的装置，该壳体包括在至少两个轴上的混合及清洁件，其中轴的混合及清洁件互相啮合并具有包括捏合杆的盘状件。
背景技术
这种装置还可称为混合捏合机。这类装置可用于诸多不同用途。首先言及包括溶剂回收的蒸发过程，可成批或连续且通常还在真空下实现这种蒸发过程。据此，例如可用于处理蒸馏残渣，特别是甲苯二异氰酸酯，还可用于处理化学及制药生产中产生的具有毒性或高沸点溶剂的产品残留、清洗剂及涂料污泥、聚合物溶液、在溶液聚合中产生的弹性体溶液、粘合剂及密封剂。
利用设备可进一步用于连续或成批对水润湿和/或溶剂润湿的产品进行接触式干燥，通常同样在真空下进行该过程。特别考虑应用于颜料、染料、精细化学品、盐、氧化物、氢氧化物、抗氧化剂等添加剂、热敏性药剂及维生素制品、活性物质、聚合物、合成橡胶、聚合物悬浮液、乳胶、水凝胶、蜡、杀虫剂及化学或制药生产中产生的如盐、催化剂、残渣或废液等残留物。这种方法还可应用于食品加工，例如在制造和/或处理砖乳、代糖、淀粉衍生物及藻酸盐的过程中用于处理工业污泥、油泥、生物污泥、纸污泥、涂料污泥并普遍用于处理粘性、成壳、黏糊状产品、废料及纤维素衍生物。
在混合捏合机中，通常可在熔体中连续发生聚缩反应，主要用于处理聚酰胺、聚酯、聚醋酸盐、聚酰亚胺、热塑性塑料、弹性体、硅树脂、脲醛树脂、酚醛树脂、除垢剂及废料。举例而言，在甲基丙烯酸衍生物的本体聚合之后，聚合物熔体产生聚缩反应。
还可发生聚合反应，同样地，该聚合反应通常也是连续进行。这应用于聚丙烯酸酯、水凝胶、热塑性聚合物、弹性体、间规聚苯乙烯及聚丙烯酰胺。
在混合捏合机中，可发生脱气和/或脱挥发份作用。这应用于单体聚合(共聚)之后或者聚酯或聚酰胺熔体缩合之后的聚合物熔体、用于合成纤维的纺丝液以及固态的聚合体或弹性体颗粒或粉末。
更广泛而言，可在混合捏合机中发生固相、液相或多相反应。这特别适用于氢氟酸、硬脂酸盐、氰化物、聚磷酸盐、三聚氰酸、纤维素衍生物、纤维素酯、纤维素醚、聚缩醛树脂、磺胺酸、铜酞菁、淀粉衍生物、聚磷酸铵、磺酸盐、杀虫剂和肥料处理中的逆反应。
此外，还可发生固态/气态反应(如羧化作用)或液态/气态反应。这应用于处理乙酸酯、酸、科尔伯-施密特反应(Kolbe-Schmitt-Reaktionen)，例如BON、水杨酸钠、对羟基苯甲酸及药剂制品。
在中和反应及酯交换反应中发生液/液反应。
在这种类型的混合捏合机中对用于合成纤维、聚酰胺、聚酯及纤维素的纺丝液进行溶解和/或脱气。
在颜料的处理或生产中进行所谓的冲洗。
在聚酯、聚碳酸酯和聚酰胺的生产和处理中发生固态后缩聚，例如在如纤维素纤维等纤维的处理中利用溶剂连续制浆，在盐、精细化学品、多元醇、醇化物的处理中由熔体或由溶液结晶，在聚合物混合物、硅酮混合物、密封混合物、粉煤灰中(连续和/或分批)化合或混合，在聚合物悬浮液的处理中(尤其是连续)凝结。
在混合捏合机中，还可以结合多作用过程，例如加热、干燥、熔融、晶化、混合、脱气、反应，这些过程均可连续或分批进行。通过这种方式生产或处理聚合物、弹性体、无机产品、残留物、药品、食品及印刷油墨。
在混合捏合机中，还可发生真空升华/凝华，由此纯化化学预制品，例如蒽醌、金属氯化物、二茂铁、碘、有机金属化合物等。此外，还可生产医药中间体。
例如，在有机中间体(如蒽醌及精细化学品)中连续发生载气凝华。
实质上，单轴与双轴混合捏合机不同。在第CH-A506322号专利文献中介绍一种多轴混合捏合机。其中，径向盘状件以及盘体间的轴向捏合杆位于轴上。在这些盘体之间，由另一轴啮合框架形状的混合捏合件。这些混合捏合件清洁第一轴的盘体及捏合杆。两轴上的捏合杆再清洁壳体内壁。
这种已知双轴混合捏合机的缺陷在于，由于壳体的8字形截面，两轴箱连接的部分具有薄弱处。在该部分，处理粘性产品和/或在压力下进行的过程中形成较高的应力，仅能通过复杂的构型措施对这种高应力进行控制。
举例而言，由第EP0517068B1号专利文献已知一种上述类型的混合捏合机。其中，两个轴向平行的轴在混合机壳中反向或同向旋转。由此，置于盘状件上的混合杆彼此相互作用。除混合功能之外，混合杆还旨在尽可能清洁与产品接触的混合机壳、轴及盘状件的表面，由此避免形成未混合区域。特别在高度压紧、产品硬化及成壳的情况下，混合杆可延及边缘的性能导致混合杆与轴的局部机械负荷过高。特别在混合杆处于难以移除产品的区域中时，这种力出现峰值。例如，在盘状件装于轴上的位置即存在这种区域。
此外，由第DE19940521A1号专利文献已知一种上述类型的混合捏合机，其中在捏合杆区域内的携带件形成凹槽，由此使捏合杆在轴向具有尽可能长的长度。这类混合捏合机可极佳地自动清洁所有产品触及的壳体及轴的表面，但也具有捏合杆的携带件需根据捏合杆的轨迹形成凹槽等特点，这会导致携带件的结构复杂。由此，一方面造成生产过程复杂，另一方面使轴及携带件在机械应力下产生局部应力峰值。这种应力峰值主要发生在锐缘凹槽及厚度变化的情况下，特别是在携带件焊于轴芯的区域内，由于材料疲劳触发轴及支承件的断裂。
本发明所述的装置意在涉及用于制造超吸性聚合物(SAP)的混合捏合机。对此，迄今仅采用双轴以4:1的转速比反向旋转的混合捏合机。这种运动特性所产生的效果并不理想，即导致自清洁性能不足、产品分路及扭矩峰值，尤其是例如需回收SAP粉末等情况下。
在这种混合捏合机中，尽管壳体的自清洁几乎达到100％，但对轴的清洁不足以免于聚合物沉积。这就形成死区，使聚合物暴露于高温，从而在该区域内基于放热反应形成过热点。这种特别热的聚合物变成黄色，直至变成棕色，几天后落下并污染优质产品。这种变色的聚合物还会在下落时碎成大块。这些团块呈胶状，由此在它们挤过捏合件之间时仍保持在这种大小。为将这些团块碎成小块，可使混合捏合机在填充度很高的情况下运转，从而将这些料块压过狭窄的缝隙。这虽有些帮助，但并未能解决问题。可能出现以下两种结果：
-需后续的干燥阶段来完全干燥这些大块，或者需在混合捏合机与干燥器之间安装用于将团块切成小块的装置，须频繁维护这类装置。
-混合捏合机由于填充度过高以及由此在产品中产生的摩擦而受到超负载。
例如，在利用双吸螺杆将固体粉末加入聚合混合物的情况下，对转的轴还产生局部力。固体粉末例如是已回收的SAP或可选为填料。在两轴与固体粉末形式的聚合物相互作用的情况下，局部压力变得过高，以致仅运行几个月之后就可能在捏合件上发生断裂。两轴本身同样会负载过重。为解决结块问题，仍需使用大量固体粉末。此外，固体粉末的摩擦系数有助于将混合能引入大块聚合物中。但这不仅不会消除结块，反而会使转矩增大。
为避免聚合物团块出现分路，混合捏合机4:1在高填充度的情况下运行。较快的轴趋于迅速将漂浮在上方的团块输向排放口。为将这些聚合物团块切碎，接近1的高填充度令其减缓，从而使其留在捏合机内的时间更长。
发明内容
本发明的目的在于，显著改进上述类型的装置(下文称为混合捏合机)，具体地，考虑产品的处理、对与产品接触的表面的清理、粉末输送中的转矩峰值以及产品的输出。在此，所述装置主要用于制造SAP。为排空机器，本发明可采用常规的填充度。
为实现上述目的，具有捏合杆的盘状件的数目与轴彼此间相对的转速比相配合。
通过这种根据本发明的混合捏合机，可大幅提高自清洁性。在目前仍采用的对转式反应器中，在盘状件之间出现死区，死区可能扩大至壳体内壁方向上自由空间的60％以上，而在根据本发明的反应器中，死区不超过空间深度的18-20％。死区体积至多是常规反应器死区体积的二分之一。然而，其中仍保留的死区的主要优点在于，其空间宽度有限或并不完全集中于一点。由此，避免在死区中形成过热点。由此，也不会在优质产品中发生污染，从而达到要求标准。
在新型反应器中，还易于回收SAP残留物。实际表明，捏合件上的局部压力仅为对转轴情况下局部压力的二分之一。这一优点使得能够在反应器的同一位置添加结合SAP的填料。在此，通常还可采用以氮吹扫的双螺杆，以将附加材料加入混合捏合机中。在单体转化率已相对较高的情况下，通常在反应器的下半部进行添加。
对于两轴相互之间的转速比，已知比率1:1、4:5或2:2最为恰当。例如在比率2:3的情况下，混合件绕转六圈之后才能再次相触。由此，添加的材料可更好地混入聚合物。此外，较快轴的转速最快是另一轴转速的1.5倍，从而避免任何可能造成产品分路的高速运动(加速)。
根据本发明，盘状件构造成具有多个尖端。在此，根据本发明，各盘状件的尖端数量与相互之间的转速比相同。因此，倘若转速是2:3，一个盘状件具有两个尖端，第二个盘状件则具有三个尖端。由于尖端分别以相应的方式彼此相连，因此盘状件本身也以相应的方式构成。具有两个尖端的盘状件仿椭圆形，具有三个尖端的盘状件仿三角星形。具有四个尖端的盘状件大致对应于正方形，诸如此类等。
优选地，还在轴上成对设置各种盘状件，其中盘状件相继或相互仅间隔少许距离地固定于轴上。根据本发明，这些盘状件还设置成相对偏转，其中偏转分别对应于360°除以各尖端数量。
至少其中一轴应在至少一侧上双重固定，以减轻轴的负载。首先，由于轴的双重固定，可缓解轴的固有振动。由此证实，可将轴套插入轴与相应的两轴承之间。由此，便于将轴置于轴承区域内。倘若需对轴进行维修，更易于将其更换。
此外，至少其中一轴是由锻造和车削/铣削而成的套管制成，从而消除轴芯的焊缝。
优选地，壳体的L/D比最大是5.3，以减轻轴的负载。
此外，反应器的新型结构使反应器添加物部分的微混更佳。例如，在添加抗坏血酸的情况下，需使其与单体混合均匀。
根据本发明，混合及清洁件分别由盘状件组成，盘状件的外缘以约等于或略大于90°的弧形扇段的半径绕轴的轴线延伸并在两端连接至向轴延伸的侧缘，其中在边缘上分别具有一个或多个杆体。优选地，杆体具有锐边，由此杆体可切削介入区内的产品颗粒。
在这种构造中，不再像现有技术的常规设置那般区分清洁轴及搅拌轴。两轴上的混合及清洁件同时满足混合目的及清洁目的。由此实现集中全面地清洁所有与产品接触的表面及元件。这适用于壳体内壁、混合及清洁件本身以及轴套。
优选地，两轴上的混合及清洁件具有相同结构。这不仅简化生产及维护，还可使各工作元件(如作为部分混合及清洁件的杆体)的负载均等。
本发明的主要特征还涉及混合及清洁件的构造。其分别由盘状件以及至少一个装于盘状件并在轴向延伸的杆体组成。然而，在盘状件的优选设置中，盘状件相互呈180°轴对称偏移地设置于轴上，从而盘状件仅界定捏合空间的一部分，并且始终仅界定捏合空间的一侧。这表示，由入口向出口输送产品时，产品流如同在迷宫式装置中一般径向来回流动。从而，获得迄今从未知悉的最理想的径向混合。这可避免产品发生分路。
此外，通过混合及清洁件的盘状件的这种设置，还可形成连续的气室，由此显著改善气化溶剂/水或诸如此类物质的输出。
在特别优选的实施方案中，盘状件具有外边缘，该外边缘以半径绕轴的轴线延伸。在此，盘状件覆盖约等于或略大于90°的圆弧段。
此外还可设置，优选地，盘状件的边缘的两端均设置杆体。甚至还可在两杆之间设置中间杆，由此更加提高清洁性。
此外，实践表明，几何形状相同的两轴及其上的混合及清洁件可使产品流更加均匀地流动。此外，通过所选的设置获得更好的自清洁效果，这又转而使停留时间分布更佳(更紧凑)，同时还可使混合及捏合的效果愈加突出。
另外，在输送件(尤其是杆体)操作得当的情况下，所选的混合及清洁件还可使回混尤佳。相应地，所选的设置对于批处理机而言也极为理想。
至少一轴可受到自动加热或制冷。因而，可增强产品中的热传递。甚至可考虑，将至少一轴分为两个不同的热传递区间，倘若除蒸发冷却之外还发生放热使产品冷却，这可使添加的混合物受热。
反应器在真空、常压或正压下工作，以在预定温度下通过蒸发水冷却反应器的温度。
此外，排放孔还可配置单轴或多轴卸料螺杆。可选地，可通过称重单元调控这种卸料螺杆，从而调节反应器的填充度。卸料螺杆可水平或垂直地设置于端壁或壳体上。
优选地，卸料螺杆应配置排汽口，特别设置于其上部区域或驱动侧，从而排除由蒸发冷却所产生的蒸汽。
本发明的另一主题涉及装置或壳体配置称重单元，利用该称重单元可确定壳体的内含量/驻留量。在本发明的优选实施方案中，可通过卸料螺杆的转速控制这种内含量/驻留量，换言之，倘若意图提高壳体的内含量，则使卸料螺杆的转速放慢，反之则加速。
另一方面，当然还可通过称重单元的信号控制卸料螺杆的转速，使装置的填充度保持不变。填充度迫近下降，则减速。填充度迫近升高，则提速并由此加速排放。
在另一优选的实施方案中还可考虑，对轴的转矩进行监控。轴的转矩偏差表示在方法的实施中可能出现错误。由此可在线监测所添加配合剂的构成(中和比重、交联的氧化还原及热引发、惰性化、染污度、已回收SAP粉末的比重、填料的比重)。对于一定填充度所测的转矩是可在运行期间测量的质量参数。
附图说明
通过以下优选实施方案的描述并参照附图对本发明的其他优点、特征和细节加以阐述。
图1表示根据本发明用于进行机械、化学和/或热过程的装置(混合捏合机)的正视图，该装置具有可拆卸的端盘；
图2表示类似于图1的混合捏合机的纵剖面的部分示图；
图3表示如图1和图2所示的混合捏合机的展开部分示意图；
图4表示如图1所示根据本发明的装置的纵剖面的部分示图；
图5表示根据本发明的混合捏合机的两个相互啮合的轴的示意图，两轴的转速比是2:3；
图6表示根据本发明的混合捏合机的两个相互啮合的轴的示意图，两轴的转速比是3:3；
图7表示根据本发明的混合捏合机的两个相互啮合的轴的示意图，两轴的转速比是3:4。
具体实施方式
根据图1和图2，在混合捏合机P1中，两个轴1和2位于壳体3内，其中轴1和2以及壳体3均可填有温控介质。对此，壳体3可构造为双层外壳。壳体3的前侧由端板4锁闭。
混合及清洁件5装于轴1和2上，其中这些混合及清洁件5的结构基本相同。混合及清洁件5由盘状件6组成，盘状件6具有边缘7，边缘7大致以半径r绕轴1或2的轴线A沿约90°的弧形段延伸。再则，弧形侧缘8.1和8.2从边缘7向轴1或2延伸。这种盘状件依次以180°轴对称地设置于轴1或2上。
此外还可看出，边缘7装有两个杆体9.1和9.2，这两个杆体大致平行于轴线A延伸，但在图3所示的展开图中是倾斜设置。由此，可影响待处理产品的输送性。
本发明的工作原理如下：
待处理产品通过入口10到达壳体3内部并在此处由轴1和2上旋转的混合及清洁件5捕获。由此，产品受到混合及清洁件5的充分捏合及剪切，从而可使其与其它产品、添加剂、溶剂、催化剂、引发剂等充分混合。相较于已知的混合捏合机，在本发明中不再区分具有搅拌件的搅拌轴与具有清洁件的清洁轴。根据本发明，包括其混合及清洁件的轴1和2同时承担起混合产品以及清洁另一轴、壳体内壁或另一轴上的混合及清洁件的任务。
通过盘状件的上述设置及其构造实现最佳的径向混合，尤其可能实现所谓的迷宫效应(如用于产品的箭头11.1和11.2所示)。在此假定，两轴以1:1的比率同向旋转(在当前示例中以顺时针方向旋转)。
一旦产品通过端板4的方向，即通向排放口12(以虚线表示)，根据本发明，产品转向该排放口12。通过与排放星轮14协同作用的导流器13来实现这一点。导流器固定置于壳体内时，排放星轮14随轴1旋转，其中排放星轮配有多个切削齿，这些切削齿将待排放的产品压入排放孔12中。切削齿在旋转方向具有刀刃17。由此，始终从产品流切下一部分并压过排放孔12。
在图4中表示根据本发明的装置的一部分，特别是轴承托架20的范围内。在该轴承托架20中，轴套21通过两个相隔设置的轴承22和23顶抵于轴承箱26的部分24和25并旋转。该轴承箱26通过法兰安装至壳体3。
根据图5至图7，根据各轴之间的转速比，盘状件的构型有所不同。根据图5，轴1以与轴2成2:3的转速比旋转。由此，根据本发明，轴1上的盘状件6.1呈椭圆形结构，换言之，其具有两个相反的尖端30.1和30.1.1，这两个尖端上分别装有捏合杆9.1和9.2。
优选地，紧随盘状件6.1之后是另一相同的盘状件6.1.1，而其旋转90°。
轴2上的其它盘状件6.2和6.2.2与轴1上的盘状件6.1和6.1.1协同作用。轴2以比率2:3的转速比旋转，从而盘状件6.2和6.2.2形成三个尖端30.2、30.2.2和30.3.3。这些尖端相互呈120°偏转地绕轴2设置。盘状件6.2.2相对于盘状件6.2偏转60°。
在图6中表示转速比为3:3，其中相应仅设置盘状件6.2和6.2.2。
在图7中表示转速比为3:4。相应地，轴1上具有盘状件6.2和6.2.2，而轴2上设置具有四个尖端30.3.1至30.3.4的盘状件6.3和6.3.3。盘状件6.3和6.3.3相互呈45°偏转地设置于轴2上。
根据这种模式，彼此间可以是任意的转速比。
标号列表
1 轴 34 67
2 轴 35 68
3 壳体 36 69
4 端板 37 70
5 混合及清洁件 38 71
6 盘状件 39 72
7 边缘 40 73
8 侧缘 41 74
9 杆体 42 75
10 入口 43 76
11 箭头(产品) 44 77
12 排放孔 45 78
13 导流器 46 79
14 排放星轮 47
15 48 A 轴线
16 轮齿 49
17 刀刃 50
18 51
19 52
20 轴承托架 53
21 轴套 54
22 轴承 55
23 轴承 56
24 部分 57
25 部分 58
26 轴承箱 59
27 60
28 61 P 混合捏合机
29 62
30 尖端 63 r 半径
31 64
32 65
33 66

Claims (8)

1.一种用于在一壳体中进行机械、化学和/或热过程的装置，该壳体(3)包括在至少两个轴(1,2)上的混合及清洁件(5)，其中所述轴(1,2)的所述混合及清洁件(5)互相啮合并具有包括捏合杆的盘状件，
其特征在于：
所述盘状件所具的尖端数量对应于转速的比数，在每一尖端上设置一捏合杆，所述轴(1,2)的旋转方向相同。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：较快轴的转速至多为另一轴转速的1.5倍。
3.根据述权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述混合及清洁件的所述捏合杆(9.1,9.2)具有锐边。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述捏合杆(9.1,9.2)偏置于所述混合及清洁件上。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述轴(1,2)的至少一轴可受到自动加热或制冷。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述轴(1,2)的至少一轴在轴向分为两个不同的温度区间。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：在所述轴(1,2)的至少一轴上，各盘状件(6)依次无间隔且相互偏转地成对设置。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：以360°除以转速比数的弧度形成所述偏转。
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