CN110753607B - 用于食品接触的塑料材料的提纯设备和工艺 - Google Patents

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Abstract

聚对苯二甲酸乙二醇酯提纯装置至少包括一个反应器(4)，其内装有待提纯的塑料材料；一个与真空泵相连的开口；搅拌器(16)，以确保在反应器(4)内部进行搅拌；以及加热装置，其包括微波加热装置，以促进极性分子的激发。

Description

用于食品接触的塑料材料的提纯设备和工艺
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于提纯与食物接触的塑料材料，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯的设备。
根据另一个实施例，本发明还涉及一种用于塑料材料，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯的挤出系统。
根据又一个实施方式，本发明涉及一种用于与食品接触的塑料材料，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯的提纯工艺，以及这种提纯的塑料材料的挤出工艺。
为了简化公开，本说明书通过非限制性的方式具体以聚对苯二甲酸乙二醇酯(也以缩写PET表示)作为塑料材料的可能实例进行说明。
背景技术
现在聚对苯二甲酸乙二醇酯的使用非常普遍，例如用于制造容器，瓶子，托盘等，还考虑了其在使用后能够回收再利用的可能性，是否有可能全部或部分使用回收再利用的聚对苯二甲酸乙二醇酯为原料，用于塑料材料后续的生命周期。
因此，目前强烈需要使用全部或部分回收再利用的塑料材料，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯，作为塑料的挤压工艺原料，塑料材料呈薄片状，通过粉碎和切割例如瓶子，罐子，托盘等回收再利用的产品而获得。
然而，使用回收再利用的聚对苯二甲酸乙二醇酯作为原料来供应挤出生产线存在一些问题，首先是由于原始原料的湿度过高以及在回收再利用的原料中存在不希望的污染物，所述污染物来自塑料材料的前一生命周期或来自回收再利用过程本身。
在这方面，应该注意的是，在塑料材料的挤出工序期间湿度过高决定了在没有对要使用的原料进行预先除湿的情况下难以通过挤出工序获得可加工的产品。
该除湿可以通过使要除湿的原料在160℃的温度下在通风的料仓中保持几个小时获得。
可选地，根据EP 1 703 239B1专利，申请人是SMC科技斯艾尔公司(SMCTechnology Srl)，发明人是帕格托.阿美迪欧(Pagotto Amedeo)先生，该专利提出使用一种装置，其中要除湿的材料相对于除湿气流逆向地缓慢前进。还提供了微波发生器，用于作用在加热器内部的待加工材料上。
此外，根据EP 1 226 922B2专利，由于专门设计的处于熔融状态的材料脱气区域，可以取消回收再利用的塑料材料的预防性的除湿工序。
但是，能够从污染物中提纯回收再利用塑料材料仍然存在问题，根据文献，这些污染物包括挥发性和非挥发性物质，极性和非极性物质。为了使从挤出工艺中获得的产品适合与食品接触，必须进行提纯。
发明内容
本发明所要解决的问题是设计一种用于提纯来自回收再利用、具有结构和/或功能特性以满足上述要求的回收再利用塑料材料，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯的设备和工艺，同时消除参照现有技术的上述缺点。
该问题通过根据权利要求1的前序部分的用于提纯塑料材料的设备以及通过根据权利要求8的用于塑料材料，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯的挤出系统来解决。
根据另一实施方式，该问题通过根据权利要求10的用于提纯与食品接触的塑料材料，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯的工艺以及通过根据权利要求14的这种提纯的塑料材料的挤出工艺来解决。
优点：
根据本发明的用于提纯与食物接触的塑料材料的装置，以及：
根据本发明的用于塑料材料的挤出系统，
根据本发明的用于提纯塑料材料的工艺，以及
根据本发明的挤出工艺。
附图说明
参照附图，通过以非限制性示例的方式给出的一些优选实施例的后续说明将得到上述优点，其中：
图1是根据本发明的制造塑料材料的挤出系统的简化示意图，该挤出系统包括用于提纯与食品接触的塑料材料的装置和塑料材料挤出机；
图2示出了图1中挤出系统的同向旋转双螺杆挤出机的突出视图；
图3示出了图2中的双螺杆挤出机的两个螺杆的剖视示意图；
图4示出了图2中的挤出机的上部的放大剖视图，以及
图5，图6和图7是图4的挤出机的局部细节放大图。
具体实施方式
参照附图，附图标记1总体上表示根据本发明的用于挤出塑料材料，特别是用于挤出聚对苯二甲酸乙二醇酯的系统。
根据图1所示的实施方式，塑料挤出系统1包括以下系列设置的阶段：
第一阶段I，其包括全部或部分回收再利用的塑料材料的供应装置14，以及用于对所述塑料材料进行提纯预处理的加热装置，当被回收再利用时，所述材料通常为薄片形式；
第二阶段II，其用于从污染物中提纯塑料材料；
可能的(仅是可选的)第三阶段III，其积累在第二阶段中处理过的塑料；
挤出的第四阶段IV，其包括双螺杆挤出机30，在阶段II中处理过的塑料被供给到该挤出机。
前述的第一阶段I包括加热器3，该加热器3显示为密闭的容器，全部或部分回收再利用的通常呈薄片状的塑料材料，优选聚对苯二甲酸乙二醇酯，通过该加热器在入口和出口之间流动。
加热器3的薄片状材料的入口开口与前述的供应装置14相互作用；该示例显示了容纳预定量塑料材料的装料斗。
在加热器3的内部，设有用于确保处理室3a中的塑料材料薄片在加热器3的入口端和出口端之间前进一段时间的行进装置，该时间等于所需的工艺的时间，例如，大约60分钟。
优选地，上述行进装置位于上述处理室3a中，并且包括一未示出的轴，该轴具有水平旋转轴线，设置有叶片，该轴的旋转确保了在加热器3入口端和输出端之间的塑料材料薄片的前述行进。
应当指出，加热器3由加热的气流(以图1中的A表示)驱动，该加热的气流相对于塑料材料的行进方向逆向流入加热器3。
前述加热的气流A对加热器3中处理的塑料产生三重作用：
降低塑料材料的湿度(干燥)；
从极易挥发的污染物中初提纯；
加热塑料材料。
关于加热器3的容器内的塑料材料的加热，有用的是注意该加热器以及热空气的流量和温度设置为确定在加热器3的容器的出口处的塑料材料的温度小于或等于185℃，并且在任何情况下均不小于150℃，优选地不小于160℃，更优选温度接近并且不小于170℃。
温度值的前述范围是设置为确保对加热器3中处理的塑性材料的前述三重作用，而不会引起塑料材料本身的不期望的降解。
优选地，在对塑料材料进行预处理的上述加热器3中还设置有辐照加热装置21，该辐照加热装置21有助于加热通过加热器3的塑料材料直到其在加热器3的容器的出口处的温度达到高于指定的温度，以及促进极性分子的激发。
优选地，上述辐照加热装置21包括一个或多个微波加热装置，更优选由其组成，该微波加热装置基本上是微波发生器。
优选地，从加热器3的塑料材料的入口开口排出的上述加热的气流通过用于过滤和倾倒废气的系统进行处理，优选在所述气流也经过上述装料斗之后进行处理。
现在考虑到上述用于从污染物中提纯塑料材料薄片的第二阶段II，很明显它至少包括一个反应器4。
根据图1所示的实施方式，挤出系统1的第二阶段II包括两个彼此平行作用的反应器4，每个反应器4的容量适于容纳至少等于50％的量的塑料材料，优选是在加热器3中加工的塑料材料的每小时产量的50％到65％之间。这有利地允许在加热器3中以连续模式加工塑料材料，从而避免在加热期间不均匀地定位，并且在反应器4中的操作处于不连续模式。
显然，同样的结果，即连续的第一阶段I和不连续的第二阶段II，也可以通过提供大量较小的反应器来获得，这些反应器的整体容量至少等于优选略高于第一阶段I的加热器3的生产能力，即使这涉及增加安装成本。
加热器3的容器的出口通过插入旋转阀15而连接到容器4的入口，该旋转阀15是能够以受控方式将热的材料从加热器3的容器的出口传递到两个反应器4中的一个的入口的排液阀。
每个反应器4包括：加热装置，例如电加热器或与其外壁即反应器夹套相关联的被加热液体覆盖的间隙；以及隔热外层，以减少反应器内部与外部环境之间的热交换。
本质上，与反应器4的壁和前述隔热层相关联的前述加热装置具有尽可能地保持先前在前述第一阶段I中加热的塑料材料的温度的功能，从而避免了塑料材料的温度在其留在反应器4期间可能会降低。
给定以上考虑的系统1的大小，即具有两个单独的反应器4，每个反应器4在装载的塑料材料的不连续模式下执行必要的处理步骤所用的加工时间基本上等于至少30分钟。为了执行塑料材料处理工艺，系统1包括真空泵5，该真空泵通过抽吸连接到反应器4的开口，并间置过滤器13，以便在反应器4内确保在提纯工艺步骤中反应器4内基本要保持的预设真空值。
特别地，反应器4内部的加热的塑料材料的处理工艺优选在小于或等于5毫巴的压力下发生，更优选地在小于5毫巴的压力下发生，显然不包括在工艺周期的开始和结束规定的过渡阶段。
优选地，当反应器4处于低于或等于185℃并且在任何情况下均不低于150℃，优选地不低于160℃，更优选接近且不低于170℃的温度下时在反应器4中进行提纯。实际上，已经发现较高的温度会导致塑料材料发生不希望的降解，而较低的温度需要过长的材料处理时间，从而损害正在进行的加工的生产率。
有利地，反应器4还包括辐照加热装置2，用于向容纳在反应器4内的塑料材料提供能量并用于促进极性分子的激发。
在这方面，注意以下因素：
真空状态，
待加工塑料的导热系数非常低，以及
至少一部分待加工塑料的薄片状结构，
这些因素使得可以从反应器4的壁传递给其中容纳的塑料材料的热能的量很少，因此，虽然有上述的隔热，上述电加热器实际上具有补充反应器4向周围散发的热能的目的，而不是能有效地加热反应器4内的塑料材料。
相反，反应器4的辐照加热装置2能够向容纳在反应器4内的塑料材料提供能量，从而使塑料材料在第一阶段I的加热器3中已达到的温度进一步优化整合或至少保持。
鉴于此，本发明的优选实施在阶段II的上游提供了加热器3。
优选地，反应器4的上述辐照加热装置2包括一个或多个微波加热装置，更优选由一个或多个微波加热装置组成，以便促进极性分子的激发，从而以更简单的方式达到污染物的蒸汽压，其由于真空泵5进行抽吸而从塑料材料中移除。
因此，每个反应器4都配备有：
预热的待提纯材料的输入部，通过旋转阀15与加热器3的容器的出口相互作用；
提纯材料的出口，以将这种提纯材料供应至挤出线，选择性地间置提纯材料积累的缓冲液；
与真空泵5连接的输出部；
与鼓风机连接的入口，以允许由上述鼓风机在反应器4内产生的气流通过夹带方式来卸载材料；
阀装置，在材料和/或空气密封或打开期间应适用于上述开口。
优选地，反应器4包括内部搅拌器16例如旋转搅拌器，以确保反应器4内部的材料的搅拌，从而确保辐照装置2的照射中包含的所有固体塑料材料的均匀照射，直到反应器本身的内壁。
根据图1的实施方式，挤出系统1还包括一个或多个来自反应器4的提纯材料的累积缓冲液6，其总体上确定上述第三阶段III。
缓冲液6被设计成供应到第四阶段IV的双螺杆挤出机30，更具体地是供应到后者的装料斗33。
如上面注意到的，可以消除缓冲液6。在这种情况下，反应器4将提纯材料直接卸载到供应挤出机30的装料斗33中。
因此，挤出系统1的第四阶段IV包括配备有装料斗33的双螺杆挤出机30。
挤出机30包括壳体29，在壳体29内布置有两个螺杆31和32，它们沿相同的旋转方向共同旋转。
已经在反应器4中加工过的塑料在两个螺杆31和32之间进行处理，在用油进行温度调节的挤出机30内部前进。
第一区域A位于从装料斗33开始的挤出机30的第一部分之后，与第一区域A相对应，在挤出机30的主体中形成开口34，在此处可选择性地放置抽吸罩35，进行称为“露天”的脱气或在环境中脱气。
前述的抽吸罩35提供了轻微的低压(depression)，使得仍处于固态例如薄片或类似的形式的塑料材料，不会被吸入挤出机30本身或从挤出机30去除。实际上，必须考虑在挤出机30的该区域中的塑料材料仅部分填充螺杆31和32的通道，并且任何过度的低压都可能去除该塑料材料的一部分。
在挤出机30内的进一步行进中，在随后的第二区域B内，识别出用作塞子的零件布置。在位于螺杆31、32上的一系列凸轮36的存在下，可以识别出该区域，其处于轻微的压力下装载有几乎熔融的材料。这样的预计可使在随后的脱气组的强低压不影响先前环境中的脱气，这将在下面进行更好的解释。
实际上，在随后的区域C中，设置第一脱气装置37，其带有真空泵11，或者可选地带有吸气烟道，在第一脱气装置37后间隔短距离，在另一区域D中设置第二脱气装置38，其带有真空泵11，或可选地带有吸气烟道。上述脱气装置37和38表示一串联脱气装置，该串联脱气装置例如在具有34和42直径的长度比的挤出机中提供在两个烟道之间的6-9直径的距离。
在内部，每个螺杆31和32被制造成仅部分地由熔融材料填充并且暴露出大于真空抽吸作用的材料表面。以这种方式，由于产生的真空，整个物质有效地经受了相同的处理。
该脱气对于除去任何残留的湿度和除去在上述第二阶段II的反应器4中进行的处理步骤之后仍然存在的污染物具有决定性作用。
然后，挤出机30继续进入另一区域E，在该区域中，通过其螺杆31和32进行输送和计量。
最后，在挤出机30中具有最终区域F，在该最终区域中对通过这种程序产生的材料进行最终泵送。
应当指出的是，挤出系统1的上述第二阶段II能够高容量地实现塑料材料的提纯，特别是下述情况下，即在反应器4中加工的塑料不仅之前已经以先前特定的程序的温度加热，而且经受了以逆向的加热气流进行通风的第一阶段I中执行的加工步骤，上述全部使用辐照装置特别是微波发生器进行加热。
前述的提纯系统具有非常高的能力以提纯从污染物中处理出的塑料材料。
不同地，挤出机30的结构包括：开放式脱气装置34，在该部分中塑料材料仍处于固态；以及当材料处于流体状态时的带真空泵11的两个连续的脱气装置37和38；该结构的加工能力比系统1的第二阶段II低，但是在消除污染物方面具有非常高的解决能力，因此可以非常强地提纯处理过的塑料。
从描述中可以理解，根据本发明的用于提纯塑料的装置以及根据本发明的塑料挤出系统，根据本发明的用于通过挤出提纯塑料的工艺以及根据本发明的挤出工艺允许满足上述要求，并且同时克服了在本说明书的介绍部分中参照现有技术提及的缺点。
上述两个系统例如塑料材料处理系统和采用上述挤出机的挤出的串联组合可实现非常高水平的提纯，当然能够满足当前有效的FDA和EFSA标准的要求。
因此，一个优选的实施方式是提供上述提纯处理预计为两个工序：在反应器中对塑料材料进行提纯的处理；以及后续的用上述特定的挤出机30进行的挤出工序。
显然，本领域技术人员为了满足偶然的和特定的需求，可以对上述内容进行许多修改和改变，但是所有这些修改和改变都包含在由所附权利要求限定的本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.一种用于从污染物中提纯与食品接触的塑料材料的装置，该装置用于聚对苯二甲酸乙二醇酯提纯，所述装置包括用于接收待提纯的塑料材料的至少一个反应器(4)，所述至少一个反应器包括：
封闭的壳体，其具有一用于将塑料材料装载到所述壳体中的开口和一用于从中卸载所述塑料材料的开口；
排气孔；
与各所述开口相关联的相应的阀装置，用于装载和卸载所述塑料材料而关闭和打开它们；
真空泵(5)，其与所述排气孔流体连通，并间置有另外的阀装置；
位于所述壳体中的搅拌装置(16)，用于确保加工期间所述塑料材料在所述反应器(4)中被搅拌；以及
与所述反应器(4)相关联的加热装置，所述加热装置包括辐照加热装置(2)，其向容纳在所述反应器(4)中的塑料材料提供能量；以及
向所述至少一个反应器(4)供给要从位于所述反应器(4)上游的加热器(3)中提纯的塑料材料；
其特征在于，所述加热器(3)包括：
壳体，其包括进料装置；
通风装置，其用于在所述加热器(3)的所述壳体中相对于所述加热器中的塑料材料的进给方向逆向吹送加热的气流(A)；以及
辐照加热装置(21)，其向容纳在所述加热器(3)中的塑料材料提供能量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述辐照加热装置包括至少一个用于促进极性分子激发的微波辐照加热装置，并且由至少一个用于促进极性分子激发的微波辐照加热装置构成。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：
所述加热装置包括与所述至少一个反应器的壁相关联的加热装置，并且包括电阻器和/或内有加热的液体流动的腔。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：
所述反应器(4)包括用于减少其内部与外部环境之间的热交换的隔热层。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：
所述进料装置包括一轴，该轴具有水平旋转轴线并带有叶片，用于在一入口和一出口之间进给塑料材料；以及
所述加热器(3)的所述辐照加热装置(21)包括至少一个用于促进极性分子激发的微波辐照加热装置。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：
包括至少一个用于从所述反应器(4)出来的提纯塑料的缓冲液(6)。
7.一种塑料挤出设备，用于挤出聚对苯二甲酸乙二醇酯，所述设备包括用于挤出塑料材料的挤出机(30)，其特征在于：
所述挤出机(30)位于根据权利要求1～6中的任意一项所述的用于从污染物中提纯塑料材料的装置的下游。
8.根据权利要求7所述的挤出设备，其特征在于：
所述挤出机包括壳体(29)，该壳体包含双螺杆(31、32)挤出器，所述挤出机具有用于待挤出塑料的入口(33)，并且包括多个带有排气口(34、35、37、38)的排气区域(A，C，D)，一密封区域(B)和一个由所述螺杆(31、32)驱动的输送和计量区域(E)，其特征在于：
所述挤出机的两个螺杆(31、32)共同旋转，即具有相同的旋转方向；
提供用于向大气排放的第一排气区域(A)，所述第一排气区域(A)配备有抽吸罩(35)；
提供第二排气区域(C和D)，其包括串联的具有真空泵(11)的第一通风口(37)和具有真空泵(11)的第二通风口(38)；以及
在所述第一排气区域(A)和所述第二排气区域(C和D)之间设置有密封区域(B)，该密封区域由位于所述螺杆(31、32)上的一系列凸轮(36)构成，它们在轻压下加载有准熔融材料，以防止加工材料变质。
9.一种用于提纯塑料材料的工艺，通过权利要求1-6中的任意一项所述的装置用于提纯聚对苯二甲酸乙二醇酯，所述工艺包括以下步骤：
加热待提纯的塑料材料；
使材料经受5毫巴或更低压力的真空；以及
在加热的反应器中混合待提纯的塑料材料；
待提纯的塑料材料在所述反应器中通过辐照加热装置(2)加热，向待处理材料提供能量。
10.根据权利要求9所述的用于提纯塑料材料的工艺，其特征在于：
待提纯的塑料材料在所述反应器(4)中通过至少一个微波加热装置(2)加热。
11.根据权利要求9或10所述的用于提纯塑料材料的工艺，其特征在于：
所述加热待提纯的塑料材料的步骤在加热器(3)中通过以下步骤进行：
与要加热的塑料材料的进料流逆向的热气对流，以及
辐照加热装置(21)通过至少一个微波加热装置(21)向容纳在所述加热器(3)中的塑料材料提供能量。
12.根据权利要求9或10所述的用于提纯塑料的工艺，其特征在于：
其通过根据权利要求1～6中的任意一项所述的装置进行。
13.一种用于挤出塑料材料的工艺，用于挤出聚对苯二甲酸乙二醇酯，该工艺包括在挤出机中挤出塑料材料的步骤，其特征在于：
在所述挤出步骤之前进行根据权利要求9～12中的任意一项所述的用于提纯塑料材料的工艺。
14.一种用于挤出塑料材料的工艺，其特征在于：
所述挤出步骤是用根据权利要求8所述的挤出设备进行的。
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