DE10066229B4

DE10066229B4 - Verfahren zur Entgasung an einem Planetwalzenextruder

Info

Publication number: DE10066229B4
Application number: DE10066229A
Authority: DE
Inventors: Harald Rust
Original assignee: Entex Rust and Mitschke GmbH
Current assignee: Entex Rust and Mitschke GmbH
Priority date: 1999-12-11
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2020-11-07
Also published as: DE10054854B4; DE10054854A1

Abstract

Verfahren zum Entgasen von Kunststoff, Lebensmitteln und anderer, extrudierbaren Materialien mit flüchtigen Bestandteilen,
mittels eines Planetwalzenextruders mit umlaufender Zentralspindel, umlaufenden Planetspindeln und einem Gehäuse mit Innenverzahnung, wobei die Planetspindeln an einem Anlaufring entlang gleiten,
wobei das Gehäuse mit einer Flanschverbindung versehen ist und der Anlaufring im Bereich der Flanschverbindung positioniert ist,
wobei der Planetwalzenextruder aus mehreren Modulen besteht, die an Flanschen miteinander verschraubt sind,
wobei auf der Zentralspindel eine Stauscheibe angeordnet ist, die mit dem Anlaufring einen verstellbaren Durchtrittspalt bildet,
dadurch gekennzeichnet, daß
mit der Stauscheibe (5.2) ein Druckaufbau bewirkt, nach Durchtritt des Materials durch den Durchtrittsspalt ein Druckabfall erzeugt und das Material entgast wird,
wobei das Druckgefälle durch axiale Verstellung der Stauscheibe (5.2) in Abhängigkeit von der Viskosität optimiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Entgasung an einem Extruder nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Extruder finden insbesondere zur Kunststoffverarbeitung Anwendung. Dabei wird der Kunststoff in der Regel in Form eines Granulates eingesetzt und durch den Extruder plastifiziert und in eine Düse ausgetragen, die den plastifizierten Kunststoff in eine gewünschte Form bringt.
Über das Plastifizieren hinaus ist die Aufgabe des Extruders, die Schmelze zu homogenisieren. Zumeist müssen Additive und Zuschläge verarbeitet werden. Auch das kann im Extruder erfolgen. In diesem Fall hat der Extruder die Aufgabe, Zuschläge und Additive gleichmäßig zu verteilen.
Extruder sind in verschiedenen Bauformen bekannt.
Aus der DE2521774 A1 ist ein Planetwalzenextruder aus den 70iger Jahren des vergangenen Jahrhunderts bekannt, der eine umlaufende Zentralspindel, umlaufende Planetspindeln und ein Gehäuse mit Innenverzahnung besitzt, wobei die Planetspindeln an einem Anlaufring entlang gleiten.
Außerdem zeigt diese Druckschrift die Verwendung mehrerer Planetwalzenmodule, deren Gehäuse an Flanschen miteinander verschraubt sind, wobei auf der Zentralspindel eine Stauscheibe angeordnet ist, die mit dem Anlaufring einen verstellbaren Durchtrittsspalt bildet
Extruder finden unter anderem auch in der Lebensmittelindustrie und in der Chemie Anwendung.
Extruder kommen in verschiedenen Bauformen vor. Bekannt sind Einschneckenextruder, Doppelschneckenextruder und Planetwalzenextruder.
Planetwalzenextruder haben im Verhältnis zu den anderen genannten Extrudern eine extrem große Plastifizierungswirkung. Dies eröffnet die Möglichkeit, Rohstoffe zu bearbeiten, die in den anderen Extrudern gar nicht oder nur mangelhaft einsetzbar sind. Planetwalzenextruder können aber auch genutzt werden, um die Produktionsleistung erheblich zu erhöhen.
Planetwalzenextruder besitzen eine umlaufende Zentralspindel, damit kämmende und umlaufende Planetspindeln, die zugleich mit einer Innenverzahnung im umgebenden Gehäuse kämmen. Das umgebende Gehäuse hat in zeitgemäßer Ausbildung einen Doppelmantel. Der Innenmantel wird durch eine Buchse gebildet. Zwischen Innen- und Außenmantel ist die wichtige Kühlung des Planetwalzenextruders vorgesehen.
Die Buchse ist mit der Innenverzahnung versehen. Mit ihr kämmen die umlaufenden Planetspindeln.
Die Planetspindeln bedürfen keiner Führung in Umfangsrichtung. Durch die Verzahnung ist gewährleistet, daß der Abstand der Planetspindeln in Umfangsrichtung gleich bleibt. Es kann von einer Eigenführung gesprochen werden.
In axialer Richtung bedarf es einer äußeren Führung, denn die Planetspindeln entwickeln einen mehr oder weniger großen Druck in Längsrichtung. Dieser Druck ist der Reaktionsdruck aus der Förderwirkung der Planetspindeln. Der Druck wird mit einem Anlaufring aufgefangen, an dem die Planetspindeln entlanggleiten.
Im weiteren wird immer nur von Anlaufringen gesprochen, obwohl in einem Extruder mit mehren Planetwalzenmodulen für die Anlaufringe der verschiedenen Module unterschiedliche Bezeichnungen, z. B. Anlaufring und Anlaufzwischenring, üblich sind.
Alle Extruder haben gemeinsam, daß in der Schmelze bzw. in dem Einsatzgut/Behandlungsgut gasförmige Bestandteile auftreten können. Dabei kann es sich um Bestandteile handeln, die von Anfang an unerwünscht waren. Solche Bestandteile können z. B. Wasser sein. Einige Thermoplaste- bzw. Füllstoffe nehmen Wasser auf. Entweder müssen diese Thermoplaste oder Füllstoffe vorgetrocknet werden, oder aber der im Extruder entstehende Dampf muß abgezogen werden, entgast werden.
Gasförmige Bestandteile, die am Anfang erwünscht und im weiteren Verarbeitungsvorgang unerwünscht sind, können Lösungsmittel, Reaktionsbeschleuniger oder Reaktionsinhibitoren bzw. inerte Gase sein. Soweit kein vollständiger chemischer Umsatz dieser Gase erfolgt, verbleiben Rückstände mit monomeren, oligomeren Abbauprodukten und Zersetzungsprodukten.
Flüchtige Bestandteile in der Schmelze betragen häufig mehr als 3 bis 4 Gew.% und dürfen in extrudierten Polymeren meist nicht über 0,2 Gew.% liegen. Es gibt verschiedene Gründe, die zur Entgasung zwingen. Dazu gehören:
Verbesserung der Produktqualität, Vermeidung gesundheitlicher Schädigung
Veringerung der Kosten
Verhindern eines chemischen Abbaus
Durchführung weiterer Verfahrensschritte
Zum Entgasen werden unterschiedliche Geräte angeboten. Zumeist wird die Entgasung am Extruder vorgenommen. Zunächst wird dazu am Extruder eine Entgasungszone definiert. Beim Extruder sind folgende Zonen bekannt:
Einzugszone, Kompressionszone, erste Plastifizierungs- und Homogenisierungszone und Dekompressionszone, zweite Plastifizierungs- und Homogenisierungs bzw. Dispergierungszone, Kühlzone, Austragzone. Die Bezeichnung der verschiedenen Zonen erläutert deren Funktion. So wird das Einsatzmaterial in der Einzugzone in den Extruder eingezogen und in der Kompressionszone komprimiert. In der Plastifizierungszone erfolgt eine Plastifizierung des Materials, in der Homogenisierungszone eine Homogenisierung des Materials in der Dispergierungszone eine Verteilung von Additiven in dem Material, in der Kühlzone eine Abkühlung usw.
Die vorstehende Zoneneinteilung gilt für Einschneckenextruder oder Doppelschneckenextruder. Bei den Planetwalzenextrudern wird üblicheweise die Plastifizierungs- und Homogenisierungszone zusammengefaßt.
Zum Entgasen werden diverse Lösungen angeboten. Alle Lösungen basieren darauf, daß die in der Schmelze gelösten flüchtigen Bestandteile durch Druckreduzierung frei werden. Der Druckabfall kann auf Umgebungsdruck oder auf einen darüber liegenden Druck erfolgen. Zwangsläufig löst sich das Gas dann aus der Schmelze. Die Gasblasen können dann abgezogen werden.
Als Gasabzug eignet sich bereits eine im Bereich des Druckabfalles vorgesehene Öffnung am Mantel/Gehäuse des Extruders, die wahlweise an eine Saugleitung angeschlossen ist. Bei Kaskadenextruderanlagen bzw. Tandemextruderanlagen findet die Entgasung zumeist zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil statt.
Im Betrieb zeigt sich, daß die Entgasungszone eine relativ sensible Zone ist. Hier gilt es, eine möglichst optimale Trennung von Gas und Schmelze bzw. von Gas und Einsatzgut zu erreichen. Nach einem älteren Vorschlag findet die Entgasung im Planetwalzenextruder im Bereich der Anlaufringe statt. Dabei macht sich der ältere Vorschlag den Umstand zu nutze, daß die zeitgemäßen Planetwalzenextruder in Modulbauweise (aus Abschnitten) zusammengesetzt sind. Jeder Modul bildet eine Planetwalzenextrudereinheit mit Zentralspindel, umlaufenden Planetenspindeln und einem Gehäuse. Die Gehäuse der Module sind an den Enden mit einem Flansch versehen, so daß die Module an den Flanschen miteinander verbunden werden können. Die Anlaufringe werden im Bereich der Flansche positioniert. Alle Module arbeiten mit einer gemeinsamen Zentralspindel.
Die Module werden so gewählt, daß sich an gewünschter Entgasungsstelle eine Verbindungsstelle mit Anlaufring befindet.
Die Erfindung hat sich auch die Aufgabe gestellt, eine bessere Entgasung zu bewirken. Nach der Erfindung wird das mit den Merkmalen des Anspruches 1 erreicht.
Im Einzelnen wird das dadurch erreicht, daß die Stauscheiben zugleich im Bereich der Anlaufringe vorgesehen sind, so daß die Schmelze/Einsatzgut/Behandlungsgut nach dem Durchtritt an der Stauscheibe von einer Zone höheren Druckes in eine Zone niedrigeren Druckes gelangt Die Zone niedrigeren Druckes liegt in Förderrichtung des Extruders hinter der Stauscheibe. Nach der Erfindung wird das Druckgefälle durch axiale Verstellung der Stauscheibe in Abhängigkeit von der Viskosität optimiert.
Der niedrigere Druck wird durch eine Zone geringer Druckwirkung erreicht.
Ein niedriger Druck kann z. B. durch Unterbrechungen der Zähne der Planetspindeln erreicht werden. Ein Bereich ohne Druckwirkung kann dadurch erreicht werden, daß die Planetspindeln in der Zone keine Zähne besitzen oder daß eine Volumenserweiterung dadurch entsteht, daß die Planetspindeln in einigem Abstand von der Stauscheibe beginnen. Der Abstand ist abhängig vom Durchmesser. Mit Durchmesser ist der Teilkreisdurchmesser der Innenverzahnung des Gehäuses bei einem Planetwalzenextruder bezeichnet. Der Abstand kann bis 200 mm und im Extremfall mehr betragen. Dabei ist von Vorteil, wenn nicht alle Planetspindeln den Abstand besitzen und mindesten eine der Planetspindeln geringen Abstand hat, z. B. höchtens 10 mm. Das dient dazu, die Entgasungsöffnung in dem Anlaufring frei zu halten. Ein unerwünschter Materialaufbau vor der Entgasungsöffnung wird verhindert. Wahlweise sind die Planetspindeln im Wechsel kurz/lang ausgestaltet. Es kommt auch ein ander gleichmäßiger oder ungleichmäßiger Wechsel von „kurz” und „lang” in Betracht, z. B. kurz-kurz-lang.
Für die Entgasung ist das Druckgefälle vor und hinter der Stauscheibe von wesentlicher Bedeutung. Vorzugsweise wird das Druckgefälle durch Änderung des Durchtrittsspaltes an der Stauscheibe eingestellt. Vorzugsweise verläuft der Durchtrittsspalt konisch und ist die Stauscheibe mit der Zentralspindel in axialer Richtung verstellbar. Die axiale Verstellung der Zentralspindel kann hydraulisch oder mechanisch erfolgen. Beide Verstellungen können stufenlos sein, so daß das Druckgefälle gleichfalls stufenlos veränderbar ist. In der Praxis sind die optimalen Zentralspindelstellungen für jedes Material und für jeden Betriebszustand des Extruders schnell gefunden.
Wahlweise ist auch eine stufenweise Verstellung vorgesehen.
Für die Entgasung kann ausreichend sein, wenn lediglich Öffnungen vorhanden sind, durch die das frei werdende Gas entweichen kann.
Durch Anlegen eines Saugzuges wird die Entgasungsleistung wesentlich gesteigert.
Die Entgasung erfolgt vorzugsweise durch den Anlaufring hindurch in einen Vakuumdom. Der Vakuumdom hat ein erhebliches Volumen. An den Vakuumdom ist ein Unterdruck angelegt. Das große Volumen des Doms trägt zur Betriebssicherheit der Entgasung und zur Trennschärfe der Entgasung bei.

Die Entgasung wirkt über den unmittelbaren Raum hinter der Stauscheibe hinaus auch in das von den Spindeln erfaßte und in Förderrichtung gedrängte Material hinein, bis die Verdichtung des Materials eine weitere Entgasung verhindert. Dabei ist für die Entgasung besonders förderlich, wenn die Zahl der Planetspindeln geringer als normal ist. Die Anzahl der Planetspindeln hängt vom Durchmesser ab. Mit Durchmesser ist der Teilkreisdurchmesser der Innenverzahnung am Gehäuse des Planetwalzenextruders bezeichnet. Nachfolgend sind die normalen Planetspindelzahlen im Abhängigkeit vom Durchmesser und von der Spindellänge wiedergegeben:

Durchmesser	Planetspindelzahl	Länge
70 bis 100 mm	6 bis 8	bis 700 mm
120 bis 170 mm	8 bis 10	bis 1000 mm
180 mm	9 bis 11	bis 1000 mm
200 mm	10 bis 12	bis 1000 mm
250 mm	13 bis 15	bis 1000 mm
300 mm	17 bis 19	bis 1000 mm
400 mm	23 bis 25	bis 1200 mm

Nach der Erfindung werden vorzugsweise zur Entgasung mindestens 3 Planetspindeln weniger als bei Normalspindelzahl eingesetzt werden.
Dadurch ergibt sich ein relativ großer Abstand zwischen den Planetspindeln, in dem das Material relativ lange entgasen kann.
Hinsichtlich dieses Materials entsteht – solange eine Entgasung noch stattfindet – eine Form der Rückwärtsentgasung, weil das Gas in Bezug auf die Förderwirkung des Extruders rückwärts abgezogen wird.
Wahlweise erfolgt eine mehrstufige Entgasung.
Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn ein Vertikal-Extruder verwendet wird. In dem Vertikalextruder bildet sich durch die Schwerkraft der Schmelze/Einsatzgut/Behandlungsgutes hinter der Stauscheibe ein der Entgasung sehr förderlicher Hohlraum, indem zugleich durch entsprechenden Extruderdurchsatz sichergestellt wird, daß die nachströmende Schmelze/Einsatzgut/Behandlungsgut den Hohlraum nicht ausfüllt. Dem Gas stehen in der vertikalen Anordnung der geringste Widerstand gegen Austreten aus der Schmelze und aus dem Extruder entgegen.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Nach 1 ist ein Vertikal-Extruder dargestellt. Die Extruderachse verläuft vertikal. Der Extruder ist an einem Ständer schwenkbeweglich gehalten, so daß der Extruder für Reparatur und Wartungs- oder Bedienungsarbeiten aus der Extrusionslinie herausgeschwenkt werden kann.
Der Extruder ist ein Planetwalzenextruder und mit einem Motor 10 und einem Getriebe 15 sowie Extruderabschnitten/Modulen 11, 12, 13 versehen. Die Module bestehen aus einem rohrförmigen Gehäuse mit Verbindungsflanschen an beiden Enden. Die Gehäuse besitzen einen Doppelmantel. Zwischen Innnen- und Außenmantel ist eine Wasserkühlung vorgesehen. Ferner hat der Innenmantel die Form einer Buchse. Die Buchse besitzt eine Innenverzahnung. Mit der Innenverzahnung kämmen umlaufende Planetspindeln. Die Planetspindeln kämmen zugleich mit einer Zentralspindel.
Die Module 11, 12 und 13 besitzen eine gemeinsame Zentralspindel, die sich durch alle Module erstreckt.
Vor dem obersten Modul 11 sitzt ein Aufgabetrichter 1 mit einem Anschluß für eine Dosiereinrichtung. Die Dosiereinrichtung ist mit 16 bezeichnet. Über die Dosiereinheit wird das Einsatzgut/Behandlungsgut in den Trichter 1 aufgegeben.
Der Extruder besitzt an den Modulen 11, 12 und 13 weitere Aufgabestellen für Einsatzmaterial. Ferner ist eine zentrische Materialaufgabe 2.2 z. B. für Flüssigmaterial vorgesehen.
Das Einsatzgut/Aufgabematerial/Behandlungsgut kann unterschiedlichster Art sein. Es kann sich z. B. um Kunststoffe, Lebensmittel, Pharmaprodukte bzw. chemische Produkte handeln. Je nach Verwendungszweck kommen die oben erläuterten zusätzlichen Materialaufgaben zum Tragen.
Für die Trennung des Einsatzgutes/Behandlungsgutes von Gasen ist eine Entgasung vorgesehen. Die Entgasung findet im Bereich der Flanschverbindungen an Anlaufringen 5.1 statt. Dort liegen die Planetspindeln der ober Module jeweils an, die der unteren Module besitzen einen Abstand von den Anlaufringen. In 2 sind die Enden der Planetspindeln dargestellt. Die Enden der oberen Planetspindeln tragen die Bezeichung 17, die der unteren Planetspindeln die Bezeichnung 18. Der Abstand der Enden 18 von den Anlaufringen beträgt im Ausführungsbeispiel 5 mm.
In den Raum unter dem Anlaufring mündet eine Entgasungsleitung 19. Die Leitung 19 führt zu einem großvolumigen Entgasungsdom 3 bzw. 6.
Die Entgasung wird durch einen Druckabfall des Einsatzgutes/Behandlungsgutes am Übergang von einem oberen Modul zu einem unteren Modul möglich. Der Druckabfall wird mit Hilfe von Stauscheiben 4 und 5.2 erzeugt. Die Stauscheiben 4 und 5.2 bewirken zunächst vor den Stauscheiben einen Druckaufbau. Beim Durchtritt an der Stauscheibe erfolgt ein Druckabfall.
Die Stauscheiben sitzen fest auf der Zentralspindel und werden mit der Zentralspindel in axialer Richtung verstellt, um die Druckdifferenz zu optimieren.
An den Stauscheiben besteht ein konisch verlaufender Spalt, der der Strömung des Einsatzgutes/Behandlungsgutes förderlich ist.
Der Spalt kann bei Schmelze/Einsatzgut/Behandlungsgut geringer Viskosität (selbst fließfähig) in den Bereichen von 0,3 bis 1,5 mm verstellt werden. Der Spalt ist der Abstand zwischen Stauscheibenrand und korrespondierender Fläche am Extruder bzw. am Anlaufring. Diese Angabe bezieht sich auf eine mittlere Extruderbaugröße. Die Baugröße kann von 70 mm Durchmesser bis 500 mm Durchmesser schwanken. Mit dem Durchmesser ist der Teilkreisdurchmesser der Innenverzahnung im Planetwalzenextruder bezeichnet. Mit kleiner werdendem Durchmesser und mit geringer werdender Viskosität verengt sich der Spalt. Mit größer werdendem Durchmesser und mit höher werdender Viskosität vergrößert sich der Spalt. Die richtige Beziehung zu dem angegebenen Bereich läßt sich an Hand des vorgesehenen Einsatzgutes/Behandlungsgutes und an Hand des konkret gewählten Extruders mit einigen Versuchen herstellen.
Die Verstellung erfolgt hydraulisch und stufenlos, vor und/oder während des Betriebes.
Im Ausführungsbeispiel werden beide Stauscheiben 4 und 5.2 gemeinsam verstellt. Die Ausgangsbreite des Spaltes kann dabei unterschiedlich sein.
Im Ausführungsbeispiel sind gleiche Druchtrittsspalte an beiden Stauscheiben 4 und 5.2 vorgesehen. In anderen Ausführungsbeispielen unterscheiden sich die Spalte, bedingt durch unterschiedliche Viskositäten aufgrund unterschiedlicher Temperaturen.
Unten am Extruder befindet sich eine Düse 7 mit variablen Austrittsquerschnitten durch unterschiedliche Düseneinsätze.
In Anwendung des Extruders auf die Kunststoffverarbeitung werden in den Trichter 1 Kunststoffgranulat und Zuschläge eindosiert.
In dem Modul 11 wird das Einsatzmaterial aufgeschmolzen und homogenisiert. Die Zuschläge werden in der Schmelze dispergiert. Im Modul 12 wird weiteres Material in die Schmelze eingemischt. Die Entgasung zwischen dem ersten Modul 11 und dem zweiten Modul 13 bildet eine erste Entgasungsstufe.
Beim Komprimieren und Plastifizieren entsteht durch die Verformungsarbeit in erheblichem Umfang Wärme in dem Einsatzmaterial. Im Ausführungsbeispiel ist eine zusätzliche Erwärmung nicht erwünscht. Die entstandene Schmelze wird deshalb bereits im Modul 13 auf Austrittstemperatur gekühlt.
Zwischen dem Modul 12 und dem Modul 13 befindet sich die zweite Entgasungsstufe.
In einem nicht dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel ist die Schmelzetemperatur für eine Entgasung zu gering. Bei der Entgasung sollen eingeschlossene Materialien ausgetrieben werden. Das schließt auch ein, daß ein unerwünschtes Material durch Erwärmung in einen gasförmigen Zustand übergeführt wird. Zur Erwärmung der Schmelze ist keine Kühlung oder nur eine eingeschränkte Kühlung oder sogar eine Beheizung vorgesehen.

Claims

Verfahren zum Entgasen von Kunststoff, Lebensmitteln und anderer, extrudierbaren Materialien mit flüchtigen Bestandteilen, mittels eines Planetwalzenextruders mit umlaufender Zentralspindel, umlaufenden Planetspindeln und einem Gehäuse mit Innenverzahnung, wobei die Planetspindeln an einem Anlaufring entlang gleiten, wobei das Gehäuse mit einer Flanschverbindung versehen ist und der Anlaufring im Bereich der Flanschverbindung positioniert ist, wobei der Planetwalzenextruder aus mehreren Modulen besteht, die an Flanschen miteinander verschraubt sind, wobei auf der Zentralspindel eine Stauscheibe angeordnet ist, die mit dem Anlaufring einen verstellbaren Durchtrittspalt bildet, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Stauscheibe (5.2) ein Druckaufbau bewirkt, nach Durchtritt des Materials durch den Durchtrittsspalt ein Druckabfall erzeugt und das Material entgast wird, wobei das Druckgefälle durch axiale Verstellung der Stauscheibe (5.2) in Abhängigkeit von der Viskosität optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Erzeugung einer geringen Förderwirkung in Förderrichtung hinter der Stauscheibe (5.2).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Anpassung des Vakuums der Entgasung an die Viskosität der Schmelze und/oder die Beschaffenheit des Gases und/oder an die gewünschte Behandlung der Schmelze.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Anwendung als Dünnschichtverdampfer.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Entgasung der Schmelze eine Reaktionsphase zugemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Zumischung einer festen oder flüssigen oder gasförmigen Reaktionsphase.