DE10112089A1 - Vorrichtung zur Herstellung von synthetischen Faserstoffen - Google Patents

Abstract

Mit einer Vorrichtung zur Herstellung von synthetischen Faserstoffen mit einer Zuführung für eine Polymerschmelze zu einem rotierenden Hohlreaktor (1), dessen Wandung aufheizbar ist, sich zur Führung eines Schmelzfilms zu einer offenen, mit einem Deckel (13) verschließbaren Seite hin konisch erweitert und mit Rippen (4) zur Aufteilung des Schmelzfilms in nach dem Austritt nach dem Hohlreaktor (1) erstarrende Fasern versehen ist, lässt sich eine verbesserte Qualität der hergestellten Fasern bei verringertem Energieeinsatz dadurch erreichen, dass der Hohlreaktor (1) vertikal ausgerichtet ist und eine stetig gekrümmte Innenwandung und an der gekrümmten Oberseite eine Öffnung (3) für die Zuführung der Polymerschmelze aufweist und dass gegenüber der Öffnung (3) ein rotierender Verteilerteller (12) in einem geringen Abstand zur Innenwandung des Hohlreaktors (1) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von synthetischen Faserstof­ fen mit einer Zuführung für eine Polymerschmelze zu einem rotierenden Hohlreak­ tor, dessen Wandung aufheizbar ist und zur Führung eines Schmelzfilms zu einer offenen, mit einem Deckel verschließbaren Seite hin konisch erweitert und mit Rip­ pen zur Aufteilung des Schmelzfilms in nach dem Austritt aus dem Hohlreaktor er­ starrende Fasern versehen ist.

Derartige synthetische Faserstoffe können insbesondere als Absorptionsmittel ein­ gesetzt werden, die aus Wasser Erdöl und Erdölprodukte sowie eine Reihe von Schwermetallionen herausfiltern können.

Der Prozess zur Erzeugung von thermoplastischen Faserstoffen vollzieht sich regel­ mäßig in zwei Etappen, nämlich Gewinnung der Schmelze und Ausbildung der Fa­ ser.

In bekannten Anlagen wird das thermoplastische Material zuerst geschmolzen und dann die Schmelze durch Spinndüsen extrudiert, um die Fasern auszubilden. Eine durch SU 1 236 020 A bekannte Anlage verfügt über einen Beschickungsbunker, eine Stromversorgung und ein Schmelzgitter mit einem Verteiler für aufgeheiztes Inertgas. Die Verteiler sind dreikantartig ausgebildet und gleichmäßig über das die Oberfläche bildende Schmelzgitter verteilt. Das zu verarbeitende thermoplastische Material wird in dem Raum über dem Gitter bis zur schmelznahen Temperatur gleichmäßig aufgeheizt und kann ungehindert zwischen den dreikantartigen Vertei­ lern durchlaufen, wobei eine Behandlung mit Stickstoff stattfindet. Im Gehäuse des Schmelzgitters befinden sich Anschlussstellen für die Montage von Heizelementen. Dadurch wird das aufgeheizte Material geschmolzen und gelangt weiter zu einem Schneckentrieb, wird durch die Düsen gedrückt und zu einem Strang oder einem Faden ausgeformt. Mit Anlagen dieser Art können Fasern nur aus hochwertigen Rohstoffen hergestellt werden, wobei sichergestellt sein muss, dass der Rohstoff in gleichmäßigem Tempo auf das Schmelzgitter und anschließend die Schmelze auf die Schnecke für den Abtransport gelangt.

Durch GB 1 265 215 und SU 669 041 A sind Anlagen bekannt, bei denen die Fa­ sergewinnung aus einem Band der Schmelze erfolgt, sodass die Gleichmäßigkeit des Durchflusses der Schmelze nicht kritisch ist. Dabei wird das Band aus der Schmelze an der Kante des rotierenden Reaktors in einzelne Stränge aufgeteilt. Der Reaktor ist ein horizontal angeordnetes rotierendes zweigeteiltes Becken mit einem Hohlraum und einer Arbeitsoberfläche. Im Hohlraum befinden sich spaltähnliche Öffnungen. Ein Energieträger dringt aus dem äußeren Hohlraum des Reaktors durch die spaltähnlichen Öffnungen ein und trennt das Schmelzband in einzelne Stränge, bearbeitet sie von zwei Seiten, macht sie dünner und zieht sie zu Fasern. Um mit dieser Anlage eine qualitativ hochwertige Faser zu erhalten, muss der Energieträger eine höhere Temperatur als die Destruktionstemperatur des Polymers sowie eine ausreichende Geschwindigkeit haben, damit die Schmelzstränge dünner und länger und somit zu einer Faser geformt werden können. Das geöffnete Becken des Reak­ tors bedingt einen Energieverlust und führt zu einer verringerten Effektivität des Herstellungsverfahrens.

Durch RU 2 061 129 ist ferner eine Anlage zur Erzeugung von Faserstoffen be­ kannt, die einen Extruder, einen Faser bildenden Ringkopf mit radial angeordneten und im Zentrum zusammenlaufenden Kanälen, einen Luftstromerzeuger, der die Schmelzstränge gleichzeitig in die Länge zieht und abkühlt, bis sie zu Fasern ge­ worden sind, und ein Element zum Abscheiden der fertigen Faser aufweist, dass eine in Richtung des eintreffenden Faden konvergierende Erweiterung aufweist. Das Ablegen der Fasern erfolgt unter dem Einwirken eines straffen Luftstromes, der in Richtung der extrudierten Schmelzstränge gerichtet ist. Die radial angeordneten und im Zentrum zusammenlaufenden Kanäle erfordern ebenfalls den Einsatz von hoch­ qualitativen Rohstoffen. Andernfalls werden diese Kanäle mit nicht vollständig ge­ schmolzener Masse verstopfen, wodurch die Weiterleitung durch die Schmeizlei­ tungen erschwert wird. Die Herstellung von qualitativ hochwertigen Fasern aus weniger hochwertigen Rohstoffen ist somit nicht möglich.

Aus RU 2 117 719 ist eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art bekannt, bei der ein horizontal angebrachter rotierender zylindrischer Hohlreaktor von außen er­ hitzt wird. Der offene Teil des Reaktors hat die Form eines sich erweiternden Ko­ nus, der mit einem unbeweglichen Konusdeckel verschlossen ist. Der Konusdeckel bildet mit den seitlichen Oberflächen des sich erweiternden Konus eine Spaltöff­ nung von 15 bis 20 mm. Zusätzlich sind an der inneren Oberfläche des Reaktors flache Rippen angebracht, die über ihre Länge eine Dreiecksform aufweisen, die entlang der Faserbildung und mit der Spitze in Richtung des Schmelzflussaustritts ausgerichtet ist. Die Vorrichtung ist mit einer ringförmigen Hochdruckluftzufuhr ausgerüstet. Mit dieser bekannten Vorrichtung ist es möglich, die Verarbeitung von thermoplastischem Material aus Industrie- und Hausmüll unter gleichzeitiger Erhö­ hung des Ausstoßes von hochwertigem Fasermaterial zu realisieren. In der Praxis ist jedoch das Problem aufgetreten, dass mit den üblichen Heizelementen bei einer Zylinderform des Reaktors eine gleichmäßige Erwärmung von Reaktorwand und -boden nicht erreicht werden kann. Daher ist die Temperatur des Reaktorbodens und der Endstücke stets niedriger als die der Reaktorwand. Die Schmelze sammelt sich in den Ecken zwischen der Wand und dem Boden und bildet somit eine Art Stillstandszone, wo sich die Schmelze abkühlt und dazu neigt, am Boden und an den Übergängen des Bodens zu den Wänden anzuhaften. Die Bildung solcher Still­ standszonen vermindert die Produktivität der Anlage und wirkt sich negativ auf die Faserqualität aus. Feste Teile des Polymers können aus dieser Stillstandszone mit­ gerissen und unter Einwirkung der Zentrifugalkräfte zusammen mit der Schmelze zum Endstück des Reaktors befördert und zusammen mit der Faser ausgebracht werden, wodurch die Faser ungleichmäßig mit Verdickungen oder Einschlüssen fe­ ster ungeschmolzener Stücke verschiedener Form ausgebildet, die Qualität der Fa­ ser also vermindert wird. Zum Reinigen der Stillstandszone muss die Anlage regel­ mäßig angehalten werden, um das anhaftende Polymer mechanisch zu entfernen. Würde man die Reaktorwände stärker erhitzen, führt dies zu einer wesentlichen Überhitzung des Schmelzfilmes. Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht darin, dass etwas mehr als 30% der zugeführten Wärmeenergie unmittel­ bar für die Erwärmung des Bandes verwendet wird. Die restliche, vom Erhitzer ab­ gegebene Energie wird für das Aufheizen des Reaktorinneren und der Umgebungs­ luft durch Übertragung von Strahlungsenergie verbraucht. Ferner tritt wegen der Rückstrahlung zwischen dem Erhitzer und dem Reaktor im zentralen Teil des Reak­ tors eine Überhitzung der Heizelemente und des Schmelzbandes auf. Das kann ei­ nerseits zum Verbrennen der Erhitzer und andererseits zu einem nicht zu vernach­ lässigen oder sogar völligen Ausbrennen des Polymers führen. Bei einer gleichmäßi­ gen Verteilung der Kapazität des Erhitzers in radialer und axialer Richtung sammelt sich die Hauptmenge der Wärme im oberen Teil des Erhitzers. In diesem Fall ist auch eine Überhitzung und ein Verbrennen der Heizelemente möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Her­ stellung von synthetischen Faserstoffen der eingangs erwähnten Art so zu verbes­ sern, dass mit einem verringerten Energieverbrauch eine erhöhte Faserqualität er­ zielt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, dass der Hohlreaktor vertikal ausgerichtet ist und eine stetig gekrümmte Innenwandung und an der gekrümmten Oberseite eine Öffnung für die Zuführung der Polymerschmelze aufweist und dass gegenüber der Öffnung ein rotierender Verteilerteller in einem geringen Abstand zur Innenwandung angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Herstellung eines gleichmäßigen dünnen Schmelzfilms ausgebildet, der sich zur offenen Seite des Reaktors aufgrund der ste­ tigen Krümmung der Innenwandung ohne Stillstandszonen bewegen kann. Die Aus­ bildung des gleichmäßigen dünnen Schmelzfilms gelingt dadurch, dass die Polymer­ schmelze axial an der gekrümmten Oberseite des Hohlreaktors durch eine Öffnung zugeführt wird und dort auf einen rotierenden Verteilerteller gelangt, der in einem geringen Abstand zur Innenwandung des Hohlreaktors angeordnet ist. Dadurch wird das zugeführte geschmolzene Polymer gesammelt und durch die Zentrifugalkraft gleichmäßig auf die Innenwand des Hohlreaktors geschleudert. Der Verteilerteller bildet somit einen Verschluss der Zuführungsöffnung unter Ausbildung eines Ring­ spalts mit der Innenwandung des Hohlreaktors, aus dem das auf dem Verteilerteller gesammelte Material gleichmäßig verteilt austritt und auf die Innenwandung des Hohlreaktors gelangt. Die Fließgeschwindigkeit des Schmelzfilms auf der Innen­ wandung des Hohlreaktors wird durch die aufgrund der Rotation des Hohlreaktors resultierende Zentrifugalkraft und zusätzlich durch das Gewicht des Schmelzfilms bestimmt, da der Hohlreaktor vertikal und nach unten offen ausgerichtet ist.

Die Verteilerwirkung des Verteilertellers wird noch dadurch verbessert, dass die Oberfläche des Verteilertellers zum Rand hin ansteigt, vorzugsweise eine zur Öff­ nung zeigende konkav gekrümmte Oberseite bildet. In einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform ist auf dem Verteilerteller ein Kegelstumpf angeordnet, dessen Durch­ messer kleiner als der Durchmesser des Verteilertellers ist. Dabei kann der Durch­ messer der Oberseite des Verteilertellers größenordnungsmäßig dem Durchmesser der Öffnung der Zuführung entsprechen.

Die stetig gekrümmte Innenwandung des Hohlreaktors ist vorzugsweise parabolisch ausgebildet, entspricht also der Oberfläche, die durch die Rotation einer Parabel um die eigene Achse entsteht. Bei gleicher Höhe und bei gleichem Durchmesser der Austrittsöffnung entsteht durch die stetige Krümmung gegenüber der vorbekannten Vorrichtung ein wesentlich verringertes Innenvolumen, sodass sich die benötigte Wärmeenergiemenge für das Aufheizen des Innenraumes verringert. Die erfin­ dungsgemäße Konstruktion minimiert auch die Wärmeverluste und den spezifischen Wärmeverbrauch.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet die Innen­ wandung mit einem umgebenden Behälter des Hohlreaktors einen gekrümmten Spalt, an den eine Dampfzuführung und eine Dampfableitung angeschlossen ist. Durch die ständige Zirkulation von aufgeheiztem Wasserdampf durch den gebilde­ ten Hohlraum wird eine gleichmäßige Aufheizung der Reaktorwände erreicht. Somit ist es möglich, das Schmelzband bzw. den Schmelzfilm mit einer gleichmäßigen Temperatur und Dicke herzustellen, wodurch die Faser über die gesamte Länge ei­ nen gleichmäßigen Durchmesser aufweist und keine ungeschmolzenen Teile ent­ hält. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn die Dampfzuführung und die Dampfableitung am oberen und unteren Rand der Innenwandung angeordnet sind. Der Dampf kann dabei sowohl im Gleichstrom als auch im Gegenstrom zu der Transportrichtung der Polymerschmelze geführt werden. Bevorzugt ist die Anordnung im Gleichstrom.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung

Fig. 2 eine Teilansicht auf einen zwischen Innenwand und Deckel ausgebilde­ ten Ringspalt.

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung dient zur Erzeugung von Fasern aus einer Thermoplastschmelze und umfasst einen vertikal installierten rotierenden Hohlreaktor 1 in Form eines Paraboloids, der durch die Rotation einer Parabel um die eigene Achse gebildet wird. Am offenen Rand des Paraboloids ist ein sich als erweiternder Konus ausgebildeter Rand 2 vorgesehen. Zentrisch ist im gekrümmten Teil des Paraboloids eine Öffnung 3 zum Zuführen einer Polymerschmelze ausgebil­ det. Die Innenwandung des Hohlreaktors 1 ist mit flachen Rippen 4 versehen, die im unteren Bereich des Hohlreaktors 1 senkrecht zum Rand 2 verlaufen.

Der Hohlreaktor 1 befindet sich in einem umgebenden Behälter 5, in dessen Ober­ fläche der Form des Hohlreaktors 1 angepasst ist, sodass sich ein gekrümmter Spalt 6 ergibt. Der Spalt 6 ist in seinem oberen Teil mit dem Ausgang und in sei­ nem unteren Teil mit dem Eingang eines Dampferzeugers 7 verbunden, sodass mit dem Spalt 6 ein geschlossener Dampfkreislauf gebildet wird. Die Bewegungsrich­ tung des Wasserdampfes ist in Fig. 1 durch Pfeile verdeutlicht, wobei eine Gleich­ strombewegung des Wasserdampfs ausgebildet wird. Durch eine Umkehrung des Wasserdampferzeugers 7 lässt sich in gleicher Weise und für manche Anwendungs­ fälle sinnvoll auch eine Gegenstromrichtung des Wasserdampfes realisieren.

Gegenüberliegend von der Öffnung 3 befindet sich innerhalb des Hohlreaktors 1 eine Verteilanordnung 8, die an einer zentrisch durch die Zuführungsöffnung 3 ge­ führten Stange 9 befestigt ist. Die Stange 9 ist axial verstellbar, sodass der Abstand der Verteileinrichtung 8 von der Innenwand des Hohlreaktors 1 einstellbar ist. Die Verteileinrichtung besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf einem Kegelstumpf 11 und einem darunter angebrachten Verteilerteller 12, dessen Durchmesser größer als die Basis des Kegelstumpfs 11 ist. Kegelstumpf 11 und Verteilerteller 12 sind fest miteinander verbunden, vorzugsweise einstückig ausge­ bildet. Der über den Kegelstumpf 11 radial überstehende Ring des Verteilertellers 12 ist mit einer zum radialen Rand hin ansteigenden Oberfläche versehen und bildet so eine konkav gekrümmte Oberseite.

Der Hohlreaktor 1 ist am unteren offenen Ende durch einen scheibenförmigen Dec­ kel 13 verschlossen. Die flachen Rippen 4 sind mit dem Rand des Deckels 13 ver­ bunden, sodass sich zwischen den Rippen Austrittsöffnungen ergeben.

Der Hohlreaktor ist am Ende einer Hohlwelle 14 angebracht, die auf Lagern 15 ro­ tierend gelagert ist. Die Lager 15 befinden sich in einem zu kühlenden Gehäuse 16. Am vom Hohlreaktor 1 entfernten Ende der Welle 14 ist eine Antriebsscheibe 17 zur Übertragung der Rotation beispielsweise von einem (nicht dargestellten) asyn­ chronen Motor angeordnet.

Zur Erzeugung von Faserstoffen wird der Reaktor vor der Inbetriebnahme durch Zu­ führen von zirkulierendem Wasserdampf in den Spalt 6 auf Arbeitstemperatur ge­ bracht. Da der Wasserdampfstrom eine konstante Temperatur und Geschwindigkeit hat, erfolgt das Aufheizen der Innenwand des Hohlreaktors 1 auf seiner gesamten Oberfläche gleichmäßig. Der Wärmestrom wird von der erhitzten Oberfläche des Hohlreaktors 1 nach innen abgegeben und erzeugt somit die erforderliche Tempera­ tur im gesamten Innenraum und hält sie konstant. Auf diese Weise entsteht ein homogenes Temperaturfeld an der gesamten Oberfläche des Hohlreaktors 1.

Nach dieser Vorbereitung der Anlage wird der Hohlreaktor mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit zum Rotieren gebracht. Danach wird durch die Hohlwelle 14 und den ringförmigen Verteilerspalt 10 die Polymerschmelze eingebracht. Die Schmelze gelangt zuerst auf den Kegelstumpf 11 und fließt dann auf den Verteilerteller 12. Durch die Konizität des Kegelstumpfs 11 nimmt die Geschwindigkeit des Schmelzflusses zu. Diese Geschwindigkeit erhöht sich durch das Laufen der Schmelze zum Rand des Verteilertellers 12. Der Verteilerteller 12 stellt somit eine Art Sammelvorrichtung dar, auf der die Schmelze gleichmäßig über den gesamten Teller verteilt wird. Durch das Ansteigen der Oberfläche des Verteilertellers 12 zum Rand hin entsteht eine zusätzliche Verdichtungskraft, sodass sich die Schmelze mit zunehmender Geschwindigkeit und Kraft als homogenes Band zur Peripherie des Verteilertellers bewegt. Nach Erreichen des Randes des Verteilertellers 12 reißt das Schmelzband ab und gelangt auf die Innenwandung des Hohlreaktors 1. Dort be­ wegt sich der Schmelzfilm nach unten, wobei die Bewegung nach unten durch die Erdanziehungskraft aufgrund der vertikalen Anordnung des Hohlreaktors 1 unter­ stützt wird. Nach Erreichen des Teils des Hohlreaktors, in dem sich die flachen Rip­ pen 4 befinden, teilt sich der Schmelzfilm in verschiedene Stränge, die über den Rand 2 verlaufen und beim Abreißen von der Kante des konusartigen Randes 2 dünne Fasern bilden.

Eine ringförmige Luftzufuhr lenkt den entstandenen und sich abkühlenden Faden in eine Sammelvorrichtung.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Herstellung von synthetischen Faserstoffen mit einer Zu­ führung für eine Polymerschmelze zu einem rotierenden Hohlreaktor (1), dessen Wandung aufheizbar ist, sich zur Führung eines Schmelzfilms zu einer offenen, mit einem Deckel (13) verschließbaren Seite hin konisch er­ weitert und mit Rippen (4) zur Aufteilung des Schmelzfilms in nach dem Austritt nach dem Hohlreaktor (1) erstarrende Fasern versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlreaktor (1) vertikal ausgerichtet ist und eine stetig gekrümmte Innenwandung und an der gekrümmten Oberseite eine Öffnung (3) für die Zuführung der Polymerschmelze aufweist und dass ge­ genüber der Öffnung (3) ein rotierender Verteilerteller (12) in einem gerin­ gen Abstand zur Innenwandung des Hohlreaktors (1) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Verteilertellers (12) zur Innenwandung des Hohlreaktors (1) einstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerteller (12) eine zur Öffnung (3) hin zeigende und zum Rand hin an­ steigende Oberfläche aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler­ teller (12) eine zur Öffnung (3) zeigende konkav gekrümmte Oberseite aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Verteilerteller (12) ein Kegelstumpf (11) angeordnet ist, des­ sen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Verteilertellers (12) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durch­ messer des Kegelstumpfs (11) größenordnungsmäßig dem Durchmesser der Öffnung (3) der Zuführung entspricht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung des Hohlreaktors (1) parabolisch geformt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (4) auf der Innenwandung des Hohlreaktors (1) im unteren Bereich senkrecht zum Rand (2) verlaufen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlreaktor (1) mit einem umgebenden Behälter (5) einen ge­ krümmten Spalt (6) bildet, an dem eine Dampfzuführung und eine Damp­ fableitung angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfzu­ führung und die Dampfableitung am oberen und unteren Rand des Hohlre­ aktors (1) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf in einem Kreislauf durch den gekrümmten Spalt (6) geleitet wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf im Gleichstrom zu der auf der Innenwandung des Hohlreaktors (1) in Form eines Films fließenden Schmelze durch den gekrümmten Spalt (6) geleitet wird.