DE10034621A1 - Dynamischer Mischer - Google Patents

Dynamischer Mischer

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Abstract

Es wird ein dynamischer Mischer, bestehend wenigstens aus einem Gehäuse (5) mit zwei oder mehreren Einlässen (1; 2) für die Mischkomponenten und einen Auslass (3) sowie einer Welle (4) mit Schneckengewinde und einem Antriebsmittel für die Rotation der Welle (4) beschrieben und ein Verfahren zur Mischung hochreaktiver Edukte. Der Mischer weist eine Mischzone (10) auf, in der auf der Welle (4) und an der Innenwand des Gehäuses (5) gegenläufige Gewindenuten (6) und (7) vorhanden sind, und mindestens ein Einlass (2) ist in der Mischzone (10) mit gegenläufigen Gewindenuten (6) und (7) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen dynamischen Mischer, bestehend wenigstens aus einem Gehäuse mit zwei oder mehreren Einlässen für die Mischkomponenten und einem Auslass sowie einer Welle mit Schneckengewinde und einem Antriebsmittel für die Rotation der Welle beschrieben. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Mischung hochreaktiver Edukte. Der Mischer weist eine Zone auf, in der auf der Welle und an der Innenwand des Gehäuses gegenläufige Gewindenuten vorhanden sind, und mindestens ein Einlaß ist in der Zone mit gegenläufigen Gewindenuten an­ geordnet.
Bei der Mischung von Edukten, die mit sehr kurzer Reaktionszeit (< 100 ms) zu hoch­ viskosen Produkten reagieren, sind die Anforderungen an das Mischorgan besonders hoch.
Eine bedeutende Reaktion ist z. B. die Umsetzung von Diisocyanaten mit Diaminen und/oder Dialkoholen, zu Polyurethanen bzw. Polyurethanharnstoffen.
So werden elastische Garne hergestellt, indem die Lösung eines Präpolymerisat mit je zwei Isocyanatfunktionen mit Diaminen zu Polyurethan-Spinnlösungen umgesetzt werden. Dabei liegen die Reaktionszeiten einer idealen Mischung weit unter einer Sekunde. Die erhaltene Spinnlösung hat eine Viskosität die typischerweise im Bereich von 100 Pa s liegt, und wird z. B. zum Trockenspinnen von Elastanen ver­ wendet.
Wird eine enge Molekulargewichtsverteilung angestrebt, so muß die Vermischung der Ausgangsstoffe möglichst innerhalb der Reaktionszeit der idealen Mischung er­ folgen.
Eine Bewertung bekannter Mischer zeigt, dass eine befriedigende Lösung für dieses Mischproblem bisher nicht vorhanden ist.
Statische Mischer (z. B. der in der Patentschrift US 40 62 524 beschriebene) erreichen nicht die erforderlichen kurze Mischzeit (< 100 ms).
Ebenso haben Extruder eine Mischzeit von gewöhnlich oberhalb einer Sekunde.
Ein Beispiel für einen Extruder mit einer Zone mit gegenläufigem Gewinde ist in der Schrift US 4 136 969 beschrieben. Der Extruder dient zum Plastifizieren von Kautschuk und nutzt die Zone zum Zerteilen des Kautschukmaterials. Eine Nutzung als dynamischer Mischer ist in der Schrift nicht vorgesehen. Ebenso findet sich kein Einlass für Mischgut im Bereich der genannten Zone.
Düsensysteme sind für das genannte Polyurethanherstellungsverfahren aus der Offen­ legungsschrift EP 579 979 A2 bekannt, und ebenfalls mit Nachteilen behaftet.
Bei üblichen Rotor-Stator-Mischer, bei dem das Produkt durch eine alternierende Reihe von stehenden und rotierenden Zahnscheiben geführt wird, durchläuft das Pro­ dukt nur eine geringe Zahl, typisch kleiner gleich 10 von Mischeingriffen, so dass eine gute Mischung bei laminarer Strömung nur möglich ist, wenn am Eintritt schon eine gute Vormischung vorliegt.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der auch hoch­ viskose Reaktivsysteme mit extrem kurzer Reaktionszeit optimal gemischt werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen dynamischen Mischer, der Gegenstand der Erfindung ist, und wenigstens aus einem Gehäuse mit zwei oder mehreren Einlässen für die Mischkomponenten und einem Auslass sowie einer Welle mit Schneckengewinde und einem Antriebsmittel für die Rotation der Welle besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer eine Mischzone aufweist, in der auf der Welle und an der Innenwand des Gehäuses gegenläufige Gewinde­ nuten vorhanden sind, und mindestens ein Einlass in der Mischzone mit gegen­ läufigen Gewindenuten angeordnet ist.
An die Mischzone mit gegenläufigen Gewindenuten können sich weitere Zonen an­ schließen, die keine gegenläufigen Gewindenuten aufweisen.
Durch die gegenläufige Gewindeform wird die Förderung des Produktes erreicht.
Innerhalb der Gewindenuten wird durch die gegenseitige Bewegung von Gehäuse und Welle eine rotierende Strömung erzeugt. Bei jedem Eingriff mit einer Gewinde­ nut des anderen Bauteils wird erfolgt ein Stoffaustausch zwischen den beiden Ge­ windenuten. Da das Mischen also auf Umverteilen des Mischgutes mit nach­ folgendem Teilen und Zusammenführen beruht, ergibt sich im Vergleich zu Mischern, die auf dem Kneten von Produkt beruhen, zum Beispiel Extrudern, ein wesentlich verringerter Energieeintrag je Mischwirkung. Dies ist für thermisch empfindliches Mischgut von besonderer Bedeutung.
In einer bevorzugten Ausführung wird die Steigung der Gewindenuten des Schneckengewindes und/oder der Gehäuseinnenwand gewählt, so dass sie das 0,5 bis 2 fache des Umfangs der Welle, besonders bevorzugt das 0,8 bis 1,2 fache des Um­ fangs der Welle, beträgt:
Die maximale Förderwirkung wird bei einer Steigung der Gewindenuten ungefähr gleich dem Wellenumfang erreicht.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Anzahl der Gewindenuten des Schneckenge­ windes und/oder der Gehäuseinnenwand in einem Radialschnitt größer gleich 16. Durch eine hohe Anzahl von Mischeingriffen je Umdrehung wird eine kurze Misch­ zeit erreicht.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist die Länge der Mischzone gleich dem zwei- bis fünffachen Wellendurchmesser. Die Anzahl der Mischeingriffe liegt aus­ gehend von 16 Gewindenuten dann in Abhängigkeit vom Gegendruck am Austritt bei mindestens 60 bis 150, so dass eine vollständige Vermischung erfolgt ist. Eine längere Belastung des Produktes ist nicht erforderlich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die Anzahlen der Gewindenuten in einem Radialschnitt im Gehäuse und auf der Welle teilerfremd. Hierdurch werden mögliche Druck-Pulsationen bei der Förderung vermieden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist das Antriebsmittel für die Welle so ausgelegt, dass die Drehzahl der Welle mehr als 2800 Umdrehungen je Minute be­ trägt.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist das Produkt aus Drehzahl und Anzahl der Gewindenuten auf der Welle im Radialschnitt der Welle größer als 50000 Mischeingriffe je Minute.
Ein bevorzugter Mischer ist so aufgebaut, dass ein Einlass für eine zu mischende Komponente im ersten Viertel der Mischzone angebracht ist.
Besonders bevorzugt sind mehrere Einlässe im ersten Viertel der Mischzone ange­ bracht, die auf dem Umfang des Gehäuses verteilt sind.
In einer besonders bevorzugten Variante des Mischers ist eine Ringnut im Bereich des Einlasses an der Innenwand des Gehäuses angebracht.
Im Hinblick auf die Vermischung von hochviskosen Reaktivsystemen wird die Auf­ gabenstellung erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, bei dem die Ver­ mischung der Reaktionspartner in einem erfindungsgemäßen Mischer erfolgt.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Mischung von schnell reagierenden Edukten, insbesondere Edukten einer chemischen Reaktion, in einem dynamischen Mischer dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung der Reaktions­ partner in der Mischzone des erfindungsgemäßen Mischers erfolgt.
Bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem ein Reaktionspartner über einen getrennten Einlaß direkt in die Mischzone geführt wird. Hierdurch wird eine Reaktion vor der intensiven Mischung ausgeschlossen.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die Reaktionspartner Diisocyanate einerseits und Dialkohole und/oder Diamine andererseits sind. Gerade für diese schnell reagierenden Systeme bringen die kurzen Mischzeiten des erfindungsge­ mäßen Mischers die Möglichkeit die Molekulargewichtsverteilung des entstehenden Polymers zu verengen.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei das Reaktivsystem aus Diisocyanaten einerseits und Dialkoholen bzw. Diaminen andererseits besteht, bei dem ein Reaktionspartner über einen getrennten Einlaß direkt in die Mischzone geführt wird und das Produkt aus Drehzahl und Anzahl der Gewindenuten größer als 50 000 Mischeingriffe je Minute ist.
Geeignete Dialkohole sind alle für die Polyurethan(harnstoff)herstellung geeigneten Diole, z. B. Polyetherdiole oder Polyesterdiole. Geeignete Diamine sind alle für die Polyurethan(harnstoff)herstellung geeigneten Diamine, z. B. Ethylendiamin oder Propylendiamin. Geeignete Diisocyanate sind alle Dir die Polyurethan(harnstoff)her­ stellung geeigneten Diisocyanate, z. B. aromatische Diisocyanate. Die genannten Polyurethangrundstoffe können auch nach dem Präpolymerverfahren in dem er­ findungsgemäßen Mischer umgesetzt werden. Die genannten Polyurethanreaktions­ systeme sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und werden z. B. in der Schrift EP 579 979 A2 ausführlich beschrieben, welche hiermit als Referenz in die Offen­ barung mit einbezogen wird.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Mischers zur Herstellung von Poyurethan(harnstoff)-Spinnlösungen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren durch die Beispiele, welche je­ doch keine Beschränkung der Erfindung darstellen, weiter erläutert.
Fig. 1a zeigt einen erfindungsgemäßen Mischer in der Seitenansicht, das Gehäuse ist geschnitten dargestellt.
Fig. 1b zeigt die Stirnseite des Mischers aus Fig. 1a mit dem Produktaustritt Fig. 2 zeigt den Längsschnitt des Gehäuses des Mischers aus Fig. 1a.
Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht das Gehäuse und die Welle des Mischers aus Fig. 1a nebeneinander.
Fig. 4 zeigt das Gehäuse eines Mischers mit Ringnut im Bereich des Einlasses (2).
Beispiele Beispiel 1
Fig. 1a zeigt einen erfindungsgemäßen Mischer. Dabei ist das Gehäuse im Längs­ schnitt dargestellt. Auf eine Darstellung des Antriebsmittels wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Es ist ein Einlaufschacht 1 für das Hauptedukt vorhanden, aus diesem fördert die Welle 4 in die Mischzone 10. Am Anfang der Mischzone 10 ist ein weiterer Einlauf 2 vorhanden. Im Bereich der Mischzone 10 weisen Welle 4 und Innenwand des Gehäuses 5 ein gegensinnig angeordnetes Schneckengewinde 6 bzw. 7 auf (vergl. auch Fig. 3a und 3b). Die Lagerung (8) und die Wellenabdichtung (9) sind nur schematisch wiedergegeben in Fig. 1a.
Fig. 1b zeigt die Stirnseite des Mischers mit dem Produktaustritt 3 im Querschnitt. In der Fig. 2 ist das Innere des Mischers bei herausgenommener Welle 4 im Längsschnitt gezeigt.
Die Welle 4 des Mischers weist 19 Gewindenuten 6 mit Linksgewinde, das Gehäuse 5 20 Gewindenuten 7 mit Rechtsgewinde auf. Die Steigung der Gewindenuten (6) wurde gleich dem Wellenradius gewählt.
Fig. 4 zeigt eine alternative Gestaltung des Einlaufes (2) mit Ringnut (12) in der Innenwand des Gehäuses (5) zur gleichmäßigen Aufgabe des Mischgutes auf den Umfang der Welle (4).

Claims (14)

1. Dynamischer Mischer bestehend wenigstens aus einem Gehäuse (5) mit zwei oder mehreren Einlässen (1; 2) für die Mischkomponenten und einem Auslass (3) sowie einer Welle (4) mit Schneckengewinde und einem Antriebsmittel für die Rotation der Welle (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer eine Mischzone (10) aufweist, in der auf der Welle (4) und an der Innenwand des Gehäuses (5) gegenläufige Gewindenuten (6) und (7) vorhanden sind, und mindestens ein Einlaß (2) in der Mischzone (10) mit gegenläufigen Gewinde­ nuten (6) und (7) angeordnet ist.
2. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Gewindenuten (6), (7) des Schneckengewindes und/oder der Gehäuseinnen­ wand das 0,5 bis 2 fache des Umfangs der Welle (4), besonders bevorzugt das 0,8 bis 1,2 fache des Umfangs der Welle (4), beträgt.
3. Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Gewindenuten (6), (7) des Schneckengewindes und/oder der Gehäuse­ innenwand in einem Radialschnitt größer gleich 16 ist.
4. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Mischzone (10) dem zwei- bis fünffachen des Durchmessers der Welle (4) entspricht.
5. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Gewindenuten (6), (7) des Schneckengewindes und der Gehäuse­ innenwand in einem Radialschnitt teilerfremd sind.
6. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel der Welle eine Drehzahl von wenigstens 2800 Umdrehungen pro Minute erzeugt.
7. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus Mindestdrehzahl des Antriebsmittels und der Anzahl der Ge­ windenuten (6) auf der Welle (4) in einem Radialschnitt gesehen größer als 50000 Mischeingriffe je Minute ist.
8. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlass (2) im ersten Viertel der Mischzone (10) angebracht ist.
9. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einlässe (2a, 2b, 2c, 2d) im ersten Viertel der Mischzone (10) ange­ bracht sind, die auf dem Umfang des Gehäuses (5) verteilt sind.
10. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ringnut im Bereich des Einlasses (2) an der Innenwand des Gehäuses (5) angebracht ist.
11. Verfahren zur Mischung von schnell reagierenden Edukten, insbesondere Edukten einer chemischen Reaktion, in einem dynamischen Mischer dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung der Reaktionspartner in der Mischzone (10) eines Mischers nach einem der Ansprüche 1 bis 10 erfolgt.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reaktions­ partner über einen getrennten Einlaß (2) direkt in die Mischzone geführt wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionspartner Diisocyanat einerseits und Dialkohole und/oder Diamine andererseits sind.
14. Verwendung des Mischers nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Her­ stellung von Poyurethan(harnstoff)-Spinnlösungen.
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