DD225942A1

DD225942A1 - Verfahren und vorrichtung zur aufbereitung hochpolymerer sekundaerrohstoffe

Info

Publication number: DD225942A1
Application number: DD84264672A
Authority: DD
Inventors: Karsten Flachowski; Roland Kabisch; Steffi Mitschke; Klaus Kunze; Horst Dietrich; Berthold Knauer; Peter Weller
Original assignee: Kunststoffverarbeitungsindustr
Priority date: 1984-06-29
Filing date: 1984-06-29
Publication date: 1985-08-14

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung hochpolymerer thermoplastischer Sekundaerrohstoffe. Aufgabe der Erfindung ist die Aufbereitung von hochpolymeren Sekundaerrohstoffen durch kurzzeitige, schonende Erwaermung ohne mechanische Schaedigung. Erfindungsgemaess werden ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, durch die hochpolymere Sekundaerrohstoffe mittels Hochfrequenz von 5 MHz bis 20 GHz dielektrisch erwaermt werden. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Verfahren und Vorrichtung sind für die Aufbereitung thermoplastischer Abfälle einsetzbar. Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Auf Grund der internationalen Verteuerungen auf dem Energie- und Rohstoffsektor gewinnt die Aufbereitung hochpolymerer Sekundärrohstoffe immer mehr an Bedeutung. Deshalb ist es notwendig, technisch-ökonomisch günstige Varianten zum Recycling derartiger Materialien zu entwickeln.

Bekannte Verfahren für die Wiedernutzbarmachung thermplastischer Abfälle sind das Plastifizieren, die Hydrolyse, die Pyrolyse und das Verbrennen.

So ist es bekannt, Hochpolymergemische durch Formschmelzen, Sintern oder durch Aufbereitung im Kurzschneckenplastifikator zu plastifizieren und auf direktem Wege in die gewünschte Form zu bringen.

Diese Verfahren haben den Nachteil, daß die daraus erzielbaren Produkte nur für Einsatzzwecke verwendet werden, bei denen geminderte qualitative Anforderungen bestehen.

Ferner ist es bekannt, Thermopiastabfälle hydrolytisch zu spalten. Durch die gezielte Reaktion von Wassermolekülen an den Verknüpfungsstellen der Ausgangskomponenten werden die Hochpolymeren unter extremen Bedingungen in ihre Ausgangsstoffe zerlegt.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß hochveredelte Sekundärrohstoffe in Rohstoffe einer niederen Veredlungsstufe überführt werden.

Die Hydrolyseprodukte sind, je nach der Reinheit der Ausgangsstoffe, in reiner oder gemischter Form als Monomere für die Gewinnung von Hochpolymeren einsetzbar.

Nachteilig ist jedoch, daß die teilweise recht großen Polymerisationsenergien verloren gehen.

Ferner ist das Verfahren der Pyrolyse bekannt, nach dem Plastabfallgemische unter besonderen Bedingungen, z.B. im Wirbelschichtreaktor, in einfache Verbindungen aufgespalten werden.

Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß der Polymermüil nur in niedermolekulare Produkte aufgespalten wird und daß sich diese Produkte kaum als Polymerrohstoff eignen. Sie werden deshalb meist als Brennstoff eingesetzt und gehen somit dem stofflichen Reproduktionsprozeß verloren. Nachteilig ist bei der Pyrolyse analog zur Hydrolyse, daß die Polymerisationsenergien verloren gehen.

Darüber hinaus ist es bekannt, hochpolymere Abfallstoffe, die im Gemisch mit anderen brennbaren Abfällen wie z. B. im Hausmüll vorliegen, zu verbrennen.

Dieses Verfahren der Verbrennung von Polymermüll hat den Nachteil, daß nur ein Teil der Energie zurückgewonnen wird und die Sekundärplaste aus dem stofflichen Reproduktionsprozeß ausscheiden.

Außer diesen genannten Verfahren sind Verfahren zum Regranulieren hochpolymerer Sekundärrohstoffe bekannt.

Die meisten dieser Verfahren basieren auf einer Aufbereitung mittels Druck und Wärme. Am bekanntesten ist dabei die Aufbereitung in Extrudern mit Entgasungszonen sowie verschiedenen vor- und nachgeschalteten Aggregaten. Dabei treten

hohe thermische und mechanische Belastungen auf, die zum Abbau der Molekülketten führen können und die somit die Eigenschaften des Regenerate negativ beeinflussen. Weiterhin ist ein hoher anlagentechnischer Aufwand notwendig, wobei die Aggregate einem hohen Verschleiß unterliegen. Diese Verfahren haben darüber hinaus den Nachteil, daß sie im wesentlichen nur für sortenreine, wenig oder nicht verschmutzte Thermoplastabfälle geeignet sind.

Eine Möglichkeit, diese Nachteile zu beseitigen, stellt das drucklos arbeitende Abschmelzprinzip nach DD 135594 dar, das ein Verfahren und eine Vorrichtung beschreibt.

Nachteilig wirkt sich aus, daß auf Grund des schlechten Wärmeleitvermögens des hochpolymeren Verarbeitungsgutes ein großer Temperaturgradient im Sekundärrohstoff auftreten kann. Somit besteht die Gefahr einer thermischen Schädigung bzw. einer ungleichmäßigen Erwärmung des Materials.

Mit der DE-OS 2455987 wird ein Verfahren und eine dampfbeheizte Anlage zur Rückgewinnung von Kunststoffabfällen vorgeschlagen. Diese Lösung hat den Nachteil, daß die Kunststoffabfälle nicht gleichmäßig erwärmt werden, so daß es partiell zu thermischen Schädigungen kommt.

Die DE-OS 2204733 schlägt eine elektrisch beheizte Vorrichtung vor, bei der die Umfassungswände des Schmelzofens beheizbar sind. Für diese Lösung gelten die gleichen Nachteile, wie sie für die Lösung nach der DE-OS 2455987 beschrieben wurden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, durch die thermoplastische Abfälle kontinuierlich und mit einem hohen Automatisierungsgrad aufbereitet werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, durch die hochpolymere thermoplastische Sekundärrohstoffe mit einem dielektrischen Verlustfaktor tan δ<1 unter Beibehaltung des hohen Veredlungsgrades schonend erwärmt und geschmolzen werden können, wobei nur eine kurzzeitige thermische Einwirkung erfolgt.

Der Temperaturgradient innerhalb des Sekundärrohstoffes soll gering sein und es darf keine thermische oder mechanische Schädigung des Sekundärrohstoffes auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem thermoplastisches Abfallmaterial mit einem dielektrischen Verlustfaktor tan δ<1 in einen Aufschmelzbehälter oder Aufschmelzraum eingebracht, mittels Hochfrequenz von 5MHz bis 20GHz bei einer Kondensatorplattenspannung von 4 bis 10 KV dielektrisch erwärmt wird und daß anschließend das plastische Material durch eine Siebeinrichtung geführt wird. Die angegebene Kondensatorplattenspannung erfordert, bezogen auf einen Stoffdurchsatz von 10-200kg/h eine Mindestgeneratorleistung von 8kW und eine maximale Senderleistung von 10OkW. Letzteres entspricht einer Generatorleistung von etwa 17OkW.

Es ist vorteilhaft, das thermoplastische Abfallmaterial vorzuwärmen, wobei zweckmäßigerweise die Abluft der HF-Generatoren genutzt wird.

Es ist erforderlich, daß das thermoplastische Abfallmaterial soweit aufbereitet wird, daß ein weitgehend homogenes Dielektrikum geschaffen werden kann. Dadurch werden Rohstoffschädigungen durch thermische Überbelastung vermieden.

Weiterhin ist zu gewährleisten, daß im Ausgangsmaterial keine metallischen Verunreinigungen enthalten sind.

Die Vorrichtung zur Aufbereitung thermoplastischer Abfälle besteht erfindungsgemäß aus einem Vorratsbehälter, einem Aufschmelzbehälter oder Aufschmelzraum mit Elektroden, die vorzugsweise plattenförmig sind, einem HF-Generator mit Regelkondensator und einer Siebeinrichtung, wobei wahlweise nach dem Vorratsbehälter noch eine Zuführeinrichtung zwischengeschaltet sein kann.

Der Aufschmelzbehälter kann sowohl feststehend als auch rotierend ausgebildet sein. Vorteilhaft ist es, den Querschnitt rund zu wählen.

Der Aufschmelzraum wird einmal durch die gegenüberliegenden Elektroden begrenzt und zum anderen vorzugsweise durch Wände aus Glaskeramik, PTFE, Quarzglas oder Quarzgut.

Als Material für den Aufschmelzbehälter wird zweckmäßigerweise Quarzglas, Quarzgut oder PTFE verwendet, wobei sich eine rohrförmige Ausbildung des Behälters besonders bewährt hat. Der Querschnitt des Aufschmelzbehälters soll zwischen 25000mm² und 75000mm² betragen. Seine Länge mindestens 350mm.

Der Aufschmelzbehälter befindet sich zwischen mehreren Paaren von Plattenelektroden, die an einen Hochfrequenzgenerator von mindestens 8kW oder an zwei oder mehrere zusammen geschaltete HF-Generatoren von mindestens der gleichen Leistung angeschlossen sind.

Für die Regelung der Aufschmelzleistung, die auf Grund der sich verändernden dieleketrischen Eigenschaften des aufzubereitenden Sekundärplastmaterials unbedingt notwendig ist, bestehen folgende Möglichkeiten:

1. Veränderung des Abstandes benachbarter Elektroden

2. Veränderung des Abstandes der Elektroden vom Aufschmelzbehälter oder Aufschmelzraum

3. Veränderung der Parameter des Hochfrequenzfeldes ohne Veränderungen an den Elektroden

4. Kombinationen zwischen den Varianten 1, 2 und 3.

Auf diese Weise ist eine exakte Steuerung der Aufschmelzprozesse ohne großen anlagentechnischen Aufwand möglich.

Die Hochfrequenzerwärmung, die für Hochpolymere im Megahertzbereich realisiert wird, ermöglicht eine völlig gleichmäßige Plastifizierung des zwischen die Elektroden gebrachten Verarbeitungsmaterials.

Förderlich für die gleichmäßige Durchwärmung des Verarbeitungsgutes wirkt sich eine relativ gleichmäßige Dichte des Hochpolymermaterials aus. Dadurch ist es möglich, das Verarbeitungsgut vorzuwärmen und schließlich zum Schmelzen zu bringen, ohne daß Scherkräfte die Molekülstruktur wesentlich beeinflussen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist statt des Aufschmelzbehälters ein Aufschmelzraum vorhanden, in dem das Verarbeitungsgut unmittelbar mit den Elektroden in Berührung kommt.

Die Zuführung des Verarbeitungsgutes kann sowohl kontinuierlich, z. B. über Walzen oder Dosierschnecke, als auch diskontinuierlich, z. B. über eine Kolbendosierung, erfolgen.

Zur Abführung der Schmelze ist am Boden des Aufschmelzbehälters oder -raumes eine beheizbare Abflußöffnung vorgesehen.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, daß es umweltfreundlich und im Falle des feststehenden Aufschmelzbehälters oder raumes geräuscharm arbeitet, daß keine rotierenden Maschinenteile vorgesehen sind.

Das möglichst homogen aufbereitete thermoplastische Abfallmaterial wird aus dem Vorratsbehälter wahlweise über eine

Zuführeinrichtung kontinuierlich oder diskontinuierlich dem mit Elektroden versehenen Aufschmelzbehälter oder Aufschmelzraum zugeführt. Das im Aufschmelzbehälter oder Aufschmelzraum befindliche Verarbeitungsgut wird mittels eines von einem Hochfrequenzgenerator erzeugten Hochfrequenzfeldes dielektrisch erwärmt. Eine dielektrische Beheizung der Abflußöffnung des Aufschmelzbehälters gewährleistet den störungsfreien Abfluß des plastifizierten Verarbeitungsgutes. Es ist vorteilhaft, wenn durch die Zuführeinrichtung gleichzeitig eine Verdichtung des Verarbeitungsgutes erfolgt. Der entscheidende Vorteil der dielektrischen Erwärmung von Sekundärrohstoffen liegt darin, daß zur Erwärmung des Rohstoffes nur 10%—1 % der Zeiten herkömmlicher Erwärmungsmethoden erforderlich sind, daß kein mechanischer Aufwand zur Homogenisierung der Schmelze notwendig ist und daß dadurch auch die Geräuschbelästigung weitgehend abgebaut wird. Gesetzlich sind für das Territorium der DDR die Frequenzen von 13,56MHz, 27,12MHz und 40,68 MHz zugelassen.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll nachstehend an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

In den dazugehörenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 — das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Aufbereitung thermoplastischer Abfälle Fig.2— eine Prinzipdarstellung einer horizontal angeordneten Aufschmelzvorrichtung mit diskontinuierlicher Materialzuführung

Fig.3— einen vertikal angeordneten Aufschmelzbehälter mit kontinuierlicher Materialzuführung Fig.4, 5, 6— die Elektrodenanordnung an Aufschmelzbehältern Fig.7 — Reglungsmöglichkeiten an einem Aufschmelzbehälter und Fig. 8— eine Aufschmelzvorrichtung mit Aufschmelzraum

Beispiel 1 — Fig. 1

Das Blockschaltbild zeigt einen Vorratsbehälter 1 für hochpolymere thermoplastische Sekundärrohstoffe, der unmittelbar, d.h. ohne Zwischenschaltung einer Zuführeinrichtung 2, vor dem Aufschmelzbehälter 3 angeordnet ist. Das hochpolymere Material gelangt aus diesem Vorratsbehälter 1 durch die eigene Schwerkraft als Dielektrikum direkt in das Hochfrequenzfeld das im Aufschmelzbehälter 3 durch zwei als Kondensatorplatten ausgebildete Elektroden 4 aufgebaut ist. Erzeugt wird dieses Feld mittels eines Hochfrequenzgenerators 13, der mit einer Frequenz von 27,12MHz arbeitet. Zur Feinregelung des Hochfrequenzfeldes ist ein Regelkondensator 6, der dem Hochfrequenzgenerator angepaßt ist, in den Stromkreis eingeschaltet. Zur Beseitigung von Fremdstoffen ist eine Siebeinrichtung 5, die zweckmäßigerweise als automatische Siebwechseleinrichtung ausgebildet ist, eingebaut. Die plastische Hochpolymerschmelze wird in einer als Extruder ausgebildeten Homogenisierungseinrichtung 7 homogenisiert, zu Strängen geformt, auf der Kühlstrecke 8 abgekühlt und danach mittels Granulator 9 granuliert. Das erhaltene Regranulat ist sofort konfektionierbar und bedarf keiner Nachbehandlung.

Beispiel 2 — Fig. 2

Aus einem horizontal angeordnetem Vorratsbehälter 1 gelangen durch eigene Schwerkraft hochpolymere thermoplastische Sekundärrohstoffe in die als Kolbendosierung ausgebildete diskontinuierlich arbeitende Zuführeinrichtung 2. Ein Antrieb 11 bewirkt den langsamen Vorlauf und den schnellen Rücklauf des Kolbens der Zuführeinrichtung 2. Durch den Kolben 12 wird Sekundärrohstoff langsam in das im Aufschmelzbehälter 3 zwischen den als Kondensatorplatten ausgebildeten Elektroden 4 aufgebaute Hochfrequenzfeld gebracht, wobei der Sekundärrohstoff dielektrisch aufgeheizt wird. Das HF-FeId wird durch einen HF-Generator 13 mit einer Frequenz von 27,12MHz erzeugt.

Der Aufschmelzbehälter hat einen kreisförmigen Querschnitt von 3,0dm² und eine Länge von 400 mm. Am Ende des Aufschmelzbehälters 3 befindet sich eine beheizte Wechselsiebeinrichtung 5 durch die der plastifizierte Sekundärrohstoff gedrückt wird. Die Temperaturmeßstellen lOdienen der Überwachung der Temperatur im Aufschmelzbehälterund liefern die Werte für die Regelung der Temperatur.

Die Elektroden 4 liegen außen direkt am Aufschmelzbehälter 3 an. Der Abstand 15 zwischen den Elektroden 4 beträgt ca. 100mm.

Beispiel 3 — Fig. 3

Die Figur 3 zeigt einen vertikal angeordneten Aufschmelzbehälter 3 mit kontinuierlicher Materialzuführung. Der hochpolymere thermoplastische Sekundärrohstoff gelangt durch die eigene Schwerkraft aus dem Vorratsbehälter 1 in den Aufschmelzbehälter 3. Zwischen den an diesem angeordneten Elektroden 4 wird ein Hochfrequenzfeld aufgebaut, durch dessen Wirkung der Sekundärrohstoff aufschmilzt. Durch die Siebeinrichtung 5 am Boden des Aufschmelzbehälters 3 gelangt der plastifizierte Sekundärrohstoff zur Weiterverarbeitung. Es ist vorteilhaft, den Boden und/oder die Siebeinrichtung zwischen den Elektroden 4, d. h. innerhalb des HF-Feldes, anzuordnen. Eine Zusatzheizung des Bodens und/oder der Siebeinrichtung kann damit entfallen. Die Temperaturverteilung im Aufschmelzbehälter 3 wird über Temperaturmeßstellen 10 gemessen und über eine Temperaturregelung analog Beispiel 1 geregelt.

Beispiel 4 — fig. 4, £ und 6

In Figur 4 bis 6 sind Varianten der Elektrodenform und der Elektrodenanordnung dargestellt.

Der Aufschmelzbehälter 3 ist rohrförmig ausgebildet und weist einen kreisrunden Querschnitt auf. Die Form der Elektroden 4 ist in den Figuren 5 und 6 auf den rohrförmigen Umfang des Aufschmelzbehälters 3 abgestimmt und umfaßt diesen zu ca. ³Ai.

Beispiel 5 — Fig. 7

Entsprechend der Beschaffenheit und Qualität des aufzuschmelzenden Hochpolymers ist eine Regelung der Temperatur im Aufschmelzbehälter 3 erforderlich. Diese Regelung wird einmal durch die Größe, Form und/oder Anzahl der Elektroden 4 erreicht. Zusätzlich zu diesen drei genannten wird eine Regelung durch die Art der Anordnung der Elektroden 4 am Aufschmelzbehäiter 3 und/oder die Veränderbarkeit der Abstände 14 zwischen Aufschmelzbehälter 3 und Elektroden 4 und/oder die Abstände 15 der Elektroden 4 untereinander erreicht.

Beispiel 6—Fig. 8

Das Beispiel stellt das Aufschmelzen des thermoplastischen hochpolymeren Sekundärrohstoffes dar, der in Polyamidwirrfaserabfällen vorliegt und durch die Zuführeinrichtung 2 mattenförmig gepreßt in einem Aufschmelzraum gelangt. Die Polyamidfaserabfälle sind frei von metallischen Verunreinigungen. Das Verarbeitungsgut wird aus dem Vorratsbehälter 1 über die Zuführeinrichtung 2, die aus zwei gegenläufigen Abzugswalzen mit Antrieb 11 besteht, abgezogen. Über den Trichter 16 gelangt es in den Aufschmelzraum 3. Die Wände des Aufschmelzraumes 3 werden einmal durch zwei gegenüberliegende Elektroden 4 und zum anderen durch zwei gegenüberliegende Platten aus Glaskeramik gebildet. Im Aufschmelzraum 3 werden die vorher durch die Walzen verdichteten und homogenisierten Polyamidabfälle mittels eines im HF-Generator 13 erzeugten HF-Feldes von 27,12MHz kontinuierlich dielektrisch aufgeschmolzen, wobei über Temperaturmeßstellen 10 die Temperatur der Polyamid-Schmelze kontrolliert wird

Bei einem Stoffdurchsatz von 200kg Polyamid/h wird eine Leistung von ca. 8OkW benötigt.

Claims

Erfindungsansprüche:

1. Verfahren zur Aufbereitung hochpolymerer thermoplastischer Sekundärrohstoffe mit einem dielektrischen Verlustfaktor tan δ<1, gekennzeichnet dadurch, daß diese kontinuierlich oder diskontinuierlich in einen Aufschmelzbehälter (3) oder Aufschmelzraum (3) eingebracht, mittels Hochfrequenz dielektrisch erwärmt werden und daß anschließend das plastische Material durch eine Siebeinrichtung (5) geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Hochfrequenz 5MHz bis 20GHz bei einer Kondensatorplattenspannung von 4 bis 10KV beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Generatorleistung 8 bis 17OkWfUr 10 bis 200 kg Stoffdurchsatz/h beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der hochpolymere thermoplastische Sekundärrohstoff vorgewärmt wird, wobei zweckmäßigerweise die Abluft der HF-Generatoren eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der hochpolymere thermoplastische Sekundärrohstoff vor seiner Verarbeitung weitgehend homogen aufbereitet, verdichtet und von metallischen Verunreinigungen befreit wird.
6. Vorrichtung zum Aufbereiten hochpolymerer thermoplastischer Sekundärrohstoffe mit einem dielektrischen Verlustfaktor tan δ<1, gekennzeichnet dadurch, daß sie aus einem Vorratsbehälter (1), einem Aufschmelzbehälter (3) oder Aufschmelzraum (3) mit Elektroden (4), die vorzugsweise plattenförmig sind, mindestens einem Hochfrequenzgenerator (13) mit Regelkondensator (6) und einer Siebeinrichtung (5) besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Vorratsbehälter (1) und Aufschmelzbehälter (3) oder Aufschmelzraum (3) eine Zuführeinrichtung (2), die vorzugsweise aus zwei gegenläufigen Walzen besteht, angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Aufschmelzbehälter (3) aus Quarzglas oder Quarzgut besteht, daß er rohrförmig ausgebildet ist, daß sein Querschnitt mindestens 2000mm² und maximal 11 000mm² und seine Länge mindestens 300 mm beträgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Elektrodenpaare (4) an dem Aufschmelzbehälter (3) in mehreren Ebenen verschiebbar angeordnet sind, wobei die Höhe der Elektroden vorzugsweise 100 bis 600 mm beträgt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens ein HF-Generator das HF-FeId erzeugt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Temperatur im Aufschmelzbehälter (3) durch Veränderung des Abstandes (15) benachbarter Elektroden (4), Veränderung des Abstandes (14) der Elektroden (4) vom Aufschmelzbehälter und/oder Veränderung der Parameter des HF-Feldes regelbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Walzen der Zuführeinrichtung (2) einen Durchmesser von 100-500 mm haben und ihre Umfangsgeschwindigkeit 0,1 bis 0,6mm"¹ beträgt.

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