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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Herstellung von synthetischen Faserstoffen mit einer Zuführung für eine Polymerschmelze
zu einem rotierenden Hohlreaktor, dessen Wandung aufheizbar ist und
zur Führung
eines Schmelzfilms zu einer offenen, mit einem Deckel verschließbaren Seite
hin konisch erweitert und mit Rippen zur Aufteilung des Schmelzfilms
in nach dem Austritt aus dem Hohlreaktor erstarrende Fasern versehen
ist.
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Derartige synthetische Faserstoffe
können insbesondere
als Absorptionsmittel eingesetzt werden, die aus Wasser Erdöl und Erdölprodukte
sowie eine Reihe von Schwermetallionen herausfiltern können.
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Der Prozess zur Erzeugung von thermoplastischen
Faserstoffen vollzieht sich regelmäßig in zwei Etappen, nämlich Gewinnung
der Schmelze und Ausbildung der Faser.
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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 Verteilern 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.
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Durch
GB
1 265 215 und
SU
669 041 A sind Anlagen bekannt, bei denen die Fasergewinnung
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 Reaktors bedingt einen Energieverlust und führt zu einer verringerten Effektivität des Herstellungsverfahrens.
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Durch
RU
2 061 129 ist ferner eine Anlage zur Erzeugung von Faserstoffen
bekannt, 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 geworden sind, und ein Element zum Abscheiden der
fertigen Faser aufweist, dass eine in Richtung des eintreffenden
Fadens 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 hochqualitativen Rohstoffen.
Andernfalls werden diese Kanäle
mit nicht vollständig
geschmolzener Masse verstopfen, wodurch die Weiterleitung durch
die Schmelzleitungen erschwert wird. Die Herstellung von qualitativ
hochwertigen Fasern aus weniger hochwertigen Rohstoffen ist somit
nicht möglich.
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Aus
RU
2 117 719 ist eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art
bekannt, bei der ein horizontal angebrachter rotierender zylindrischer
Hohlreaktor von außen
erhitzt wird. Der offene Teil des Reaktors hat die Form eines sich
erweiternden Konus, der mit einem unbeweglichen Konusdeckel verschlossen ist.
Der Konusdeckel bildet mit den seitlichen Oberflächen des sich erweiternden
Konus eine Spaltöffnung 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
Erhöhung
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 Stillstandszonen vermindert die
Produktivität der
Anlage und wirkt sich negativ auf die Faserqualität aus. Feste
Teile des Polymers können
aus dieser Stillstandszone mitgerissen 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 fester
ungeschmolzener Stücke
verschiedener Form ausgebildet, die Qualität der Faser also vermindert wird.
Zum Reinigen der Stillstandszone muss die Anlage regelmäßig 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
unmittelbar für
die Erwärmung
des Bandes verwendet wird. Die restliche, vom Erhitzer abgegebene
Energie wird für
das Aufheizen des Reaktorinneren und der Umgebungsluft durch Übertragung
von Strahlungsenergie verbraucht. Ferner- tritt wegen der Rückstrahlung
zwischen dem Erhitzer und dem Reaktor im zentralen Teil des Reaktors
eine Überhitzung
der Heizelemente und des Schmelzbandes auf. Das kann einerseits
zum Verbrennen der Erhitzer und andererseits zu einem nicht zu vernachlässigen oder
sogar völligen
Ausbrennen des Polymers führen.
Bei einer gleichmäßigen 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.
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Aus
US
4,359,444 und
US 4,440,700 sind Vorrichtungen
zur Herstellung von synthetischen Faserstoffen bekannt, bei denen
die Polymerschmelze in einen rotierenden Zylinder geleitet wird
und über Düsenöffnungen
in der Mantelwand des Zylinders aufgrund der Zentrifugalkraft als
Faser austritt. Gemäß
US 4,359,444 werden die
zylindrisch austretenden Fasern radial innen und außen mit
Luft gekühlt, während gemäß
US 4,440,700 die austretenden
Fasern in einen Flüssigkeitsfilm
an einer Auftreffwand gekühlt
werden. Vorrichtungen dieser Art führen zu Problemen hinsichtlich
der gleichmäßigen thermischen
Erhitzung der Polymerschmelze und der Produktionszuverlässigkeit,
da die Düsenöffnungen, durch
die die Schmelze hindurch tritt leicht verstopfen können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung von synthetischen
Faserstoffen der eingangs erwähnten
Art so zu verbessern, dass mit einem verringerten Energieverbrauch
eine erhöhte
Faserqualität
erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung
der eingangs erwähnten
Art erfindungsgemäß 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 ro
tierender Verteilerteller
in einem geringen Abstand zur Innenwandung angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Herstellung
eines gleichmäßigen dünnen Schmelzfilms
ausgebildet, der sich zur offenen Seite des Reaktors aufgrund der
stetigen Krümmung
der Innenwandung ohne Stillstandszonen bewegen kann. Die Ausbildung
des gleichmäßigen dünnen Schmelzfilms gelingt
dadurch, dass die Polymerschmelze 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
Ringspalts 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 Innenwandung 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.
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Die Verteilerwirkung des Verteilertellers
wird noch dadurch verbessert, dass die Oberfläche des Verteilertellers zum
Rand hin ansteigt, vorzugsweise eine zur Öffnung zeigende konkav gekrümmte Oberseite
bildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist auf dem Verteilerteller
ein Kegelstumpf angeordnet, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des
Verteilertellers ist. Dabei kann der Durchmesser der Oberseite des
Verteilertellers größenordnungsmäßig dem
Durchmesser der Öffnung
der Zuführung entsprechen.
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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 erfindungsgemäße Konstruktion
minimiert auch die Wärmeverluste
und den spezifischen Wärmeverbrauch.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung bildet die Innenwandung 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 gebildeten 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 einen
gleichmäßigen Durchmesser
aufweist und keine ungeschmolzenen Teile enthält. 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.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 einen
Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
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2 eine
Teilansicht auf einen zwischen Innenwand und Deckel ausgebildeten
Ringspalt.
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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 ausgebildet. Die Innenwandung des Hohlreaktors 1 ist
mit flachen Rippen 4 versehen, die im unteren Bereich des
Hohlreaktors 1 senkrecht zum Rand 2 verlaufen.
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Der Hohlreaktor 1 befindet
sich in einem umgebenden Behälter 5,
in dessen Oberfläche
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 seinem unteren Teil mit dem Eingang
eines Dampferzeugers 7 verbunden, sodass mit dem Spalt 6 ein
geschlossener Dampfkreislauf gebildet wird. Die Bewegungsrichtung
des Wasserdampfes ist in 1 durch
Pfeile verdeutlicht, wobei eine Gleichstrombewegung des Wasserdampfs
ausgebildet wird. Durch eine Umkehrung des Wasserdampferzeugers 7 lässt sich
in gleicher Weise und für
manche Anwendungsfälle
sinnvoll auch eine Gegenstromrichtung des Wasserdampfes realisieren.
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Gegenüberliegend von der Öffnung 3 befindet
sich innerhalb des Hohlreaktors 1 eine Verteilanordnung 8,
die an einer zentrisch durch die Zuführungsöffnung 3 geführten Stange 9 befestigt
ist. Die Stange 9 ist axial verstellbar, sodass der Ab stand
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 ausgebildet. 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.
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Der Hohlreaktor 1 ist am
unteren offenen Ende durch einen scheibenförmigen Dekkel 13 verschlossen.
Die flachen Rippen 4 sind mit dem Rand des Deckels 13 verbunden,
sodass sich zwischen den Rippen Austrittsöffnungen ergeben.
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Der Hohlreaktor ist am Ende einer
Hohlwelle 14 angebracht, die auf Lagern 15 rotierend
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) asynchronen Motor angeordnet.
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Zur Erzeugung von Faserstoffen wird
der Reaktor vor der Inbetriebnahme durch Zuführen von zirkulierendem Wasserdampf
in den Spalt 6 auf Arbeitstemperatur gebracht. 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 Temperatur 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 Verteiler teller 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 bewegt sich der Schmelzfilm nach unten, wobei die Bewegung
nach unten durch die Erdanziehungskraft aufgrund der vertikalen Anordnung
des Hohlreaktors 1 unterstützt wird. Nach Erreichen des
Teils des Hohlreaktors, in dem sich die flachen Rippen 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.
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Eine ringförmige Luftzufuhr lenkt den
entstandenen und sich abkühlenden
Faden in eine Sammelvorrichtung.