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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln eines Rohstoffes oder eines Rohstoffgemisches zum Herstellen eines Körpers, insbesondere zur Verwendung als Filterblock zur Behandlung von Fluiden, mittels einer beheizbaren Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eine Komprimierungsvorrichtung zum Komprimieren und Entformen des Körpers und eine Form zum Formen des Körpers aufweist.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Körper sind für alle denkbaren Behandlungsarten von Fluiden einsetzbar, beispielsweise für Adsorptions- oder Tonenaustauschprozesse. Eine Anwendung, für welche die Körper besonders geeignet sind, ist die Trinkwasseraufbereitung. Hierbei werden die Körper vorzugsweise als Filterblöcke hergestellt, die üblicherweise aus dem Rohstoff Aktivkohle bestehen oder Aktivkohle umfassen, weshalb sie in diesem Zusammenhang häufig auch als Kohleblöcke bezeichnet werden. Neben Aktivkohle können weitere chemisch aktive Substanzen zur Herstellung der Filterblöcke verwendet werden, so dass ein Rohstoffgemisch entsteht. Die Rohstoffe selbst können in Form von Granulaten, Fasern oder Pulvern vorliegen, allerdings ist es auch möglich, ursprünglich flüssige Rohstoffe in die Herstellung von Filterblöcken einzubeziehen.
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Zur Herstellung eines Körpers, insbesondere eines Filterblocks, wird ein Gemisch aus chemisch aktiven Substanzen und Thermoplasten erzeugt, welches unter Wärme- und Druckeinwirkung gesintert wird, so dass ein fester Körper, in diesem Fall der Filterblock entsteht. Die Form der Filterblöcke kann, je nach gewünschter Anwendung, sehr variabel sein, allerdings haben die Filterblöcke, die in der Trinkwasseraufbereitung Verwendung finden, üblicherweise die Form eines Hohlzylinders, die sich als besonders zweckmäßig erwiesen hat. Zur Herstelllung eines Filterblocks wird der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch in eine Form gegeben. Anschließend wird der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch in der Form in einem Ofen auf eine Behandlungstemperatur erhitz und nach einer definierten Behandlungszeit verpresst. Nach der Verpressung wird die Form auf eine geeignete Temperatur abgekühlt, und der Filterblock entformt, also aus der Form entnommen. Derartige Herstellungsverfahren und Rohstoffgemische sind aus der
US 4753728 und aus der
US 2006/0260997 bekannt.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von derartigen Körpern ist der hohe Zeitbedarf und der hohe Energieverbrauch des Herstellungsverfahrens. Der hohe Zeitbedarf ergibt sich daraus, dass der Körper erst aus der Sinterform entnommen werden kann, wenn er sich weit genug abgekühlt hat. Der hohe Energieverbrauch des Herstellungsverfahrens ist darin begründet, dass die Sinterform zum Herstellen des nächsten Körpers wieder auf die Behandlungstemperatur gebracht werden muss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Behandeln eines Rohstoffes oder eines Rohstoffgemisches zum Herstellen eines Körpers, insbesondere zur Verwendung als Filterblock zur Behandlung von Fluiden, anzugeben, bei welchem der Zeitbedarf und der Energieverbrauch im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren reduziert werden.
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Gelöst wird die Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, welches die folgenden Schritte umfasst:
- – Einstellen der Temperatur der Vorrichtung auf eine Behandlungstemperatur mittels einer Heizvorrichtung,
- – Befüllen der Form mit dem Rohstoff oder dem Rohstoffgemisch bei der Behandlungstemperatur,
- – Komprimieren und Formen des Rohstoffes oder des Rohstoffgemischs in der Form mithilfe der Komprimierungsvorrichtung bei der Behandlungstemperatur,
- – Halten des komprimierten Rohstoffes oder des Rohstoffgemisches auf der Behandlungstemperatur für eine Behandlungszeit,
- – Entformen des komprimierten Rohstoffes oder Rohstoffgemisches aus der Form mit der Komprimierungsvorrichtung bei der Behandlungstemperatur, und
- – Abführen des komprimierten Rohstoffes oder Rohstoffgemisches aus der Vorrichtung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt, jedoch ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht hierauf beschränkt. Der Schritt des Einstellens der Temperatur der Vorrichtung auf eine Behandlungstemperatur mittels einer Heizvorrichtung kann sich dabei entweder auf das Anfahren der Vorrichtung beziehen, wenn sie sich noch auf einer anderen Temperatur befindet oder auf das Halten, Steuern oder Regeln der Behandlungstemperatur im Betrieb der Vorrichtung. Er ist ein vorbereitender und begleitender Teil des Herstellungsverfahrens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Herstellen der Körper, insbesondere der Filterblöcke, ohne dass die fertig geformten Filterblöcke und die Form erst weit genug abgekühlt werden müssen, bevor sie voneinander getrennt werden können. Der komprimierte Rohstoff oder das komprimierte Rohstoffgemisch entspricht nach der Behandlungszeit dem fertig geformten Körper, insbesondere dem Filterblock, der außerhalb der Vorrichtung nur noch weit genug abkühlen muss und dann weiterverarbeitet werden kann. Die fertig geformten Körper, insbesondere die Filterblöcke, können bei ihrer Behandlungstemperatur aus der Form entfernt und aus der Vorrichtung gebracht werden und an einem Ort außerhalb der Vorrichtung abkühlen. Die Form selbst wird nicht abgekühlt und steht sofort wieder zur Herstellung eines weiteren Körpers zur Verfügung. Die Befüllung der Form geschieht auch bei der Behandlungstemperatur, die Form kühlt sich während des Befüllungsvorgangs nicht oder nicht nennenswert ab, so dass sie bei konstanter oder nahezu konstanter Temperatur betrieben wird. Ein ständiges Abkühlen und Erhitzen entfällt, was Zeit und Energie spart. Ferner wird die Form thermisch gleichmäßiger beansprucht, weshalb sie länger nutzbar bleibt.
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Das Verfahren, bei dem die Komprimierungsvorrichtung einen ersten und/oder einen weiteren Stempel aufweist, wird vorteilhaft dadurch weitergebildet, dass die Schritte des Komprimierens und des Formens mittels des Stempels und/oder des weiteren Stempels ausgeführt werden. Die Form der Vorrichtung weist einen Hohlraum mit einer Wandung auf, in welchen der Stempel durch eine erste Öffnung eingebracht werden kann und welcher mit dem Rohstoff oder dem Rohstoffgemisch gefüllt wird. Dabei schließt der Stempel den Hohlraum nach außen so ab, dass der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch nicht mehr aus dem Hohlraum austreten kann. Der Stempel wird nun weiter in das Innere des Hohlraumes eingebracht, so dass der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch gegen die Wandung des Hohlraumes gepresst und komprimiert wird.
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Bei Verwendung eines weiteren Stempels weist der Hohlraum eine weitere Öffnung auf, welche der ersten Öffnung gegenüber liegt. Der weitere Stempel wird in Gegenrichtung zum Stempel in den Hohlraum eingebracht, wodurch der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch von beiden Seiten zusammengedrückt werden kann. Die Verwendung eines weiteren Stempels hat den Vorteil, dass bei der Entformung der Filterblock nach der Wärmebehandlung wieder in die Position gebracht werden kann, von der aus der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch in den Hohlraum eingebracht wurde. Eine Zuführvorrichtung, mit welcher der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch der Form zugeführt wird, kann dann auch zum Abführen des Filterblocks nach der Wärmebehandlung verwendet werden. Der apparative Aufwand der Vorrichtung wird somit verringert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch weitergebildet, dass die Behandlungstemperatur zwischen 80°C und 250°C beträgt. Es hat sich gezeigt, dass in diesem Temperaturbereich die hergestellten Filterblöcke für die Wasseraufbereitung optimale Eigenschaften aufweisen.
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Sämtliche Schritte des Verfahrens werden innerhalb einer Gesamtzeit einmal durchlaufen, wobei die Gesamtzeit vorzugsweise zwischen 1 und 60 Minuten, insbesondere zwischen 1 und 10 Minuten beträgt. Es ist erfindungsgemäß möglich, die Filterblöcke innerhalb einer kurzen Zeit herzustellen, was die Herstellung kostengünstiger macht.
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Vorzugsweise beträgt die Behandlungszeit zwischen 0 und 60 Minuten, insbesondere zwischen 1 und 10 Minuten. Durch die Variation der Behandlungszeit in diesem Bereich können die verschiedenen Anforderungen an den herzustellenden Filterblock eingestellt werden. Dabei ist es durchaus denkbar, dass der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch sofort nach dem Komprimieren und Formen aus der Vorrichtung abgeführt wird. Weiterhin hat sich gezeigt, dass eine Behandlungszeit von über 60 Minuten die Eigenschaften des Filterblocks nicht nennenswert verbessert. Bei Behandlungszeiten von über einer Stunde überwiegen damit die zeitlichen und energetischen Nachteile, so dass derartig lange Behandlungszeiten keine große Relevanz besitzen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen
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1 eine Vorrichtung zum Behandeln eines Rohstoffes oder eines Rohstoffgemisches zum Herstellen eines Filterblocks zur Trinkwasseraufbereitung, wobei die Vorrichtung einen ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Behandeln des Rohstoffes oder des Rohstoffgemisches durchführt,
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2 die in 1a) dargestellte Vorrichtung, die einen zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt,
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3 die in den vorherigen Figuren dargestellte Vorrichtung, die einen dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt,
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4 die in den vorherigen Figuren dargestellte Vorrichtung, die einen vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt,
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5 die in den vorherigen Figuren dargestellte Vorrichtung, die einen fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt, und
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6 den zeitlichen Verlauf der Behandlungstemperatur während des Herstellungsprozesses eines Filterblocks.
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Die in 1 dargestellte Vorrichtung 10 zum Behandeln eines Rohstoffes oder Rohstoffgemisches 11 zum Herstellen eines Körpers, insbesondere eines Filterblocks 12 (vgl. 5) zur Behandlung von Fluiden, umfasst eine Form 14 mit einer Wandung 16, die im dargestellten Beispiel einen im Wesentlichen zylinderförmigen Hohlraum 18 umschließt. Im Zentrum der Form 14 ist ein Dorn 20 angeordnet.
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Sowohl der Dorn 20 als auch die Wandung 16 sind mittels einer Heizvorrichtung 22 beheizbar, so dass die Form 14 und der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch 11 auf eine Behandlungstemperatur Tbeh (vgl. 6) gebracht oder dort gehalten werden können.
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Die Vorrichtung 10 umfasst eine Komprimierungsvorrichtung 27, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten und einen weiteren Stempel 28, 30 umfasst. Alternativ kann der weitere Stempel 30 als bewegbarer Verschluss ausgebildet werden, gegen den der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch 11 mittels des ersten Stempels 28 oder mittels einer gleichwirkenden Vorrichtung komprimiert wird.
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Die Wandung 16 weist eine erste und eine zweite Öffnung 24 und 26 auf, in welche der erste Stempel 28 und der weitere Stempel 30 eingebracht werden können. Die Stempel 28, 30 können entlang einer Achse A zwischen einer ersten und einer zweiten Endstellung bewegt werden. Die Vorrichtung 10 umfasst ferner einen in den durch den Pfeil Pi angedeuteten Richtungen bewegbaren Behälter 32 zum Zuführen des Rohstoffes oder des Rohstoffgemisches 11 in den Hohlraum 18.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird der mit dem Rohstoff oder dem Rohstoffgemisch 11 beladene Behälter 32 von außen in die Vorrichtung 10 eingebracht und über der ersten Öffnung 24 positioniert. Die Form 14 und der Dorn 20 sind bereits mittels der Heizvorrichtung 22 auf die Behandlungstemperatur Tbeh gebracht worden. Der Stempel 28 befindet sich in der ersten Endstellung, so dass er die erste Öffnung 24 verschließt. Der Behälter 32 wird nun an seiner der ersten Öffnung 24 zugewandten Seite geöffnet. Anschließend wird der Stempel 28 in die durch den Pfeil P2 angedeutete Richtung bewegt und saugt dabei den Rohstoff oder das Rohstoffgemisch 11 in den Hohlraum 18 ein.
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In 2 ist der Zustand dargestellt, in welchem der Stempel 28 seine zweite Endstellung erreicht hat. Diese Endstellung ist so definiert, dass der Stempel 28 die zweite Öffnung 26 gerade noch abschließt. Der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch 11 befinden sich nun im Hohlraum 18 der Form 14. Der zumindest teilweise entleerte Behälter 32 wird nun aus der Vorrichtung 10 gefahren und der weitere Stempel 30 in die Form 14 eingebracht. Wie aus 3 zu erkennen, wird er dabei in Richtung des Pfeils P3 bewegt. Der erste Stempel 28 verbleibt zunächst in seiner zweiten Endstellung. Der weitere Stempel 30 befindet sich nun in einer Stellung, in der er die erste Öffnung 24 gerade noch verschließt.
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Wie aus 4 hervorgeht, werden nun, wie durch die Pfeile P3 und P4 angedeutet, die beiden Stempel 28, 30 aufeinander zu bewegt, wodurch der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch 11 komprimiert und geformt werden. Nachdem der gewünschte Komprimierungsgrad erreicht ist, können die Stempel 28, 30 für eine bestimmte Behandlungszeit tbeh in der in 4 gezeigten Stellung verweilen, bis dass der nun entstehende Filterblock 12 (vgl. 5) die gewünschten Eigenschaften hat.
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Nach dieser Behandlungszeit tbeh wird der weitere Stempel 30 in Richtung des Pfeils P5 zurück in seine erste Endstellung gefahren und der Filterblock 12 mit dem Stempel 28 in Richtung des Pfeils P4 aus der Form 14 geschoben, wie aus 5 hervorgeht. Anschließend wird der fertige Filterblock 12 in Richtung des Pfeiles P6 aus der Vorrichtung 10 gefahren. Die Stellung der Stempel 28, 30 entspricht derjenigen, die in 1 dargestellt ist. Folglich kann der mit dem Rohstoff oder dem Rohstoffgemisch 11 beladene Behälter 32 wieder in die Vorrichtung 10 eingebracht und der Herstellungsprozess zur Herstellung eines weiteren Filterblocks 12 durchlaufen werden.
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Bei sämtlichen Schritten bleiben die Form 14 und der Dorn 20 auf der Behandlungstemperatur Tbeh. Ein Abkühlen auf eine Temperatur, die deutlich unter der Behandlungstemperatur Tbeh liegt, zum Trennen des Filterblocks von der Form und ein anschießendes Erhitzen auf die Behandlungstemperatur Tbeh, wie es im Stand der Technik der Fall ist, findet nicht statt, so dass die Filterblöcke mittels eines im Wesentlichen kontinuierlichen Herstellungsprozesses gefertigt werden können.
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In den 1 bis 5 wird das erfindungsgemäße Verfahren mittels zweier Stempel 28, 30 ausgeführt. Es ist aber ebenfalls denkbar, es nur mit einem Stempel auszuführen. In diesem Falle tritt anstelle des weiteren Stempels 30 ein die erste Öffnung 24 wahlweise verschießender und freigebender Deckel, der nicht in die Form 14 einbringbar und in den Figuren nicht dargestellt ist.
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In 6 ist der zeitliche Verlauf der Behandlungstemperatur Tbeh während des Verfahrens zum Herstellen eines Filterblocks dargestellt. Dabei bedeuten tbef die Zeit zum Befüllen der Form mit dem Rohstoff oder dem Rohstoffgemisch, tbeh die Behandlungszeit, tkom die Zeit zum Komprimieren und Formen des Rohstoffes oder des Rohstoffgemisches in der Form, tent die Zeit zum Entformen des komprimierten Rohstoffes oder Rohstoffgemisches von der Form, und tab die Zeit zum Abführen des komprimierten Rohstoffes oder Rohstoffgemisches aus der Vorrichtung. Diese Zeiten sind so aufgetragen, dass sie sich als Differenz zwischen ihrem auf der Abszisse aufgetragenen Zeitwert und dem Zeitwert des davorliegenden Schrittes ergeben. Sie addieren sich zu einer Gesamtzeit tges, so dass das Herstellungsverfahren in der Gesamtzeit tges einmal durchlaufen wird. Der Schritt des Einstellens der Temperatur der Vorrichtung 10 auf eine Behandlungstemperatur Tbeh mittels der Heizvorrichtung 22 ist ein vorbereitender oder begleitender Teil des Herstellungsverfahrens, weshalb er in 6 keine weitere Berücksichtigung findet.
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Man erkennt, dass die Behandlungstemperatur Tbeh erfindungsgemäß über die Gesamtzeit konstant gehalten wird. Es können dabei kleine Schwankungen auftreten, die beispielsweise durch ein Öffnen der Vorrichtung 10 zum Zu- und Abführen des Behälters 32 in die bzw. aus der Vorrichtung 10 hervorgerufen werden können, die aber vernachlässigt werden können.
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Die Erfindung ist anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben worden. Modifikationen und Ergänzungen, welche sich dem Fachmann in naheliegender Weise aus der Beschreibung ergeben, weichen nicht von der erfinderischen Idee ab und sind vom Schutzumfang umfasst, der durch die nachfolgenden Ansprüche definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- Rohstoff, Rohstoffgemisch
- 12
- Filterblock
- 14
- Form
- 16
- Wandung
- 18
- Hohlraum
- 20
- Dorn
- 22
- Heizvorrichtung
- 24
- erste Öffnung
- 26
- zweite Öffnung
- 27
- Komprimierungsvorrichtung
- 28
- Stempel
- 30
- weiterer Stempel
- 32
- Behälter
- A
- Achse
- L
- Länge des Filterblocks
- P1–P8
- Pfeile
- Tbeh
- Behandlungstemperatur
- tbef
- Zeit zum Befüllen der Form
- tbeh
- Behandlungszeit
- tkom
- Zeit zum Komprimieren und Formen des Rohstoffes oder des Rohstoffgemisches in der Form
- tent
- Zeit zum Entformen des komprimierten Rohstoffes oder Rohstoffgemisches von der Form
- tab
- Zeit zum Abführen des komprimierten Rohstoffes oder Rohstoffgemisches aus der Vorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4753728 [0003]
- US 2006/0260997 [0003]
