DE1454738B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Agglomerieren von feinen körnigen sowie schnitzelförmigen oder flockenförmigen thermoplastischen Kunststoffen in einem Mischer mit schneilaufendem Rührwerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Agglomerieren von feinen körnigen sowie schnitzel- oder flockenförmigen thermoplastischen Kunststoffen in einem Mischer mit schneilaufendem Rührwerkzeug, bei dem die Kunststoffteilchen durch Reibungswärme bis zum Agglomerieren erwärmt werden und anschließend ein Kühlmittel unmittelbar in das agglomerierte Gut eingebracht wird.

Bei der Verarbeitung auf Extrudern müssen thermoplastische Kunststoffe im allgemeinen in Granulatform aufgegeben werden, damit der Extruder einwandfrei arbeiten kann. Durch die Granulatform soll sichergestellt werden, daß das Aufgabegut fließfähig ist und bei seiner Zuführung nicht zusammenbackt. Das Granulat soll möglichst wenig Lufteinschlüsse enthalten, d. h. eine möglichst hohe Dichte aufweisen.

In der Kunststoffindustrie besteht das Problem, extrudierbares Granulat aus Kunststoffabfall zu erzeugen, um den Abfall wieder verarbeiten zu können. Dieser Abfall hat jedoch meistens keine solche Form, die die unmittelbare Überführung in rieselfähiges Granulat gestattet. Dies gilt beispielsweise für den Abfall von Folien, Filmen, Fasern, Garnen, aber auch anderen Abfällen. Bei der Aufbereitung geht man vielfach den Weg, die Abfälle zunächst zu Feingut zu zerkleinern. Folien, Fasern oder Fäden können zu kleinen Streifen oder Flocken oder kurzen Faserstücken verarbeitet werden. Dieses Feingut wird dann zu rieselfähigem Granulat agglomeriert.

Bei einem bekannten Verfahren zum Agglomerieren solcher feiner Kunststoffteilchen erfolgt dies in einem Mischer mit schnellaufendem Rührwerkzeug. In ihm werden die Kunststoffteilchen durch die Reibungswärme der schnellaufenden Rührwerkzeuge und unterstützt durch die Wärmeübertragung der beheizten Mischbehälterwand bis zur Sinterungstemperatur, bei welcher die Teilchen agglomerieren, erwärmt. Beim Agglomerieren schrumpfen und verdichten sich die Teilchen, d. h. beispielsweise die Streifen oder Flocken oder die Faserstücke, und formen mehr oder weniger runde kugelförmige Granulate, wobei die Größe und Dichte der Granulate von der Mischungszeit und -temperatur abhängig sind. Anschließend an das Agglomerieren wird die Granulatmasse unter weiterem Rühren entweder vom gekühlten Mischbehältermantel her gekühlt oder dadurch, daß Kühlluft unmittelbar in das agglomerierte Gut eingebracht wird. Nach ausreichender Kühlung, d. h. wenn die Granulatkörner nicht mehr zum Zusammenbacken neigen, wird das Granulat aus dem Mischer abgezogen. Es liegt dann in einer Form vor, in der es in Extrudern weiterverarbeitet werden kann. Auf diese Weise ist beispielsweise Polyäthylenabfall granuliert worden.

Es hat sich gezeigt, daß dem nach diesem bekannten (Aufbau-) Agglomerierverfahren gewonnenen Granulat Mängel anhaften, die insbesondere der unzureichenden Wärmeabführung während der Kühlperiode zugeschrieben werden müssen. Da die meisten Kunststoffe schlechte Wärmeleiter sind, wird die Wärme größtenteils nur durch direkte Berührung mit der gekühlten Mischbehälterwandung oder der Kühlluft abgeführt, was eine verhältnismäßig große Zeit in Anspruch nimmt. Die Kühlgeschwindigkeit wird durch die erzeugte Reibungswärme der noch eine lange Zeit weiterlaufenden Rührwerkzeuge weiter herabgesetzt. Es hat sich gezeigt, daß die Kühlung ungefähr die gleiche Zeit in Ansprach nimmt wie die Erwärmung selbst. Daß die Erwärmung eine gewisse Zeit erfordert, bedeutet an sich im Hinblick auf den

'. Kunststoff als solchen keinen Mangel, sie ist sogar für das Agglomerieren erforderlich. Wenn das Agglomerieren nach der Erwarmungs- oder Heizperiode zu Ende geführt ist und das Gut Sinterungstemperatur aufweist und dann gekühlt werden soll, muß es dabei einen empfindlichen Temperaturbereich passieren, der beispielsweise bei Polyäthylen zwischen etwa 105 und 95° C liegt. Bei den höheren Temperaturen

ίο innerhalb dieses Temperaturbereiches neigen die Granulatteilchen zum Zusammenkleben und können sogar zu einem Block zusammensintern. Bei einer Erwärmung nur auf die niedrigen Temperaturen, etwa 100° C, haben die Teilchen nicht genügend Zeit gehabt, in dem Maße stabilisiert zu werden, daß sie mit Sicherheit der mahlenden und reibenden Wirkung auf Grund der bei der Kühlung weiterlaufenden Mischwerkzeuge widerstehen können, sondern sie neigen dazu, zu zerbröckeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung des agglomerierten Abfallgutes so zu intensivieren, daß der erwähnte kritische Temperaturbereich schnell durchlaufen wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß dem agglomerierten Gut eine gegenüber dem Gut inerte Kühlflüssigkeit, deren Siedepunkt unterhalb der Temperatur des Gutes liegt, in einer solchen Menge zugeführt wird, daß die Wärmekapazität des agglomerierten Gutes zu ihrer vollständigen Verdampfung ausreicht.

Da Wasser für die meisten Kunststoffe eine inerte Kühlflüssigkeit darstellt, ist dessen Verwendung im allgemeinen besonders vorteilhaft, da es preisgünstig ist und keine Schutzmaßnahmen erfordert. Es hat sich gezeigt, daß im allgemeinen der Zusatz des Wassers in einer Menge von 0,2 bis 5 °/o des Gewichts des Kunststoffmaterials vorteilhaft ist.

Das unmittelbare Einbringen einer dosierten Kühlflüssigkeitsmenge in das abzukühlende Granulat bringt verschiedene wesentliche Vorteile. So ist einmal nach den bekannten Verfahren eine beträchtlich größere Menge an Kühlmitteln erforderlich als bei Verwendung eines flüssigen Kühlmittels, z. B. Wasser, welches eine sehr hohe Verdampfungswärme hat.

Durch die Ausnützung dieser Verdampfungswärme wird damit die erforderliche Kühlmittelmenge im Vergleich zur Luft bzw. Gas beträchtlich verringert. Ein weiterer Vorteil des neuen Agglomerierverfahrens gegenüber den bekannten besteht darin, daß durch die Verwendung einer Kühlmittelflüssigkeit die Kühlzeit wesentlich reduziert ist, d. h., der Gesamtausstoß einer Vorrichtung, die nach dem neuen Verfahren arbeitet, ist größer, als wenn die gleiche Vorrichtung nach dem bekannten Verfahren arbeiten würde. Weiterhin ist von Bedeutung, daß bei Verwendung von Luft als Kühlmittel die Gefahr einer Oxydation besteht, wobei das Ausweichen auf Inertgase infolge der erhöhten Kosten unwirtschaftlich und somit nachteilig ist.

Es könnte den Anschein haben, als ob die Kühlung durch direkten Wasserzusatz der einfachste denkbare Weg sein würde, das Granulat rasch zu kühlen. Dies ist jedoch nicht der Fall. Zwar ist das Wasser gegenüber den meisten thermoplastischen Kunststoffen inert —· bei wasserempfindlichen Kunststoffen besteht die Möglichkeit, eine andere Kühlflüssigkeit, z.B. Alkohol, zu verwenden, obwohl diese praktisch das Verfahren mit Rücksicht beispielsweise auf die Feuer-

gefahr und die Notwendigkeit, die im Verhältnis zu Wasser kostspielige Flüssigkeit zurückzugewinnen, komplizieren und verteuern würde —, doch darf das fertige Granulat keine rückständige Kühlflüssigkeit enthalten, da es in diesem Fall für die Weiterverarbeitung weniger geeignet und unter Umständen sogar unbrauchbar sein würde. Es wurde gefunden, daß man, indem dem Kunststoffgranulat eine Kühlflüssigkeit zugesetzt wird, deren Siedepunkt niedriger als die Temperatur des Kunststoffgranulats zur Zeit des Beginns des Kühlvorgangs liegt, die gesamte zugesetzte Menge an Kühlflüssigkeit zum Verdampfen bringen kann, unter der Voraussetzung, daß es sich nicht um eine größere Menge handelt, als die auf Grund der Wärmekapazität des Granulats vollständig verdampft werden kann. So wird die Verdampfungswärme der Kühlflüssigkeit in wirkungsvoller Weise zur Kühlung beitragen, wodurch die Kühlzeit auf einen Bruchteil der sonst erforderlichen herabgesetzt wird.

Die Erfindung ist vornehmlich auf die Agglomeration von Folienabfall aus Polyäthylen gerichtet und Vi bringt hier die größten Vorteile. Sie ist jedoch nicht nur auf dieses Material beschränkt. Auch andere Polyolefin-Kunststoffe, z. B. Polypropylen und Äthy-Ien-Prt>pylen-Mischpolymerisat können in der vorgeschlagenen Weise agglomeriert werden; weiterhin überhaupt alle Arten hydrophober bzw. gegenüber des etwa verwendeten anderen Kühlmittels inerter thermoplastischer Kunststoffe, von denen folgende beispielsweise angeführt werden können: Viny!kunststoffe, z. B. Polyvinylacetat, Polyvinylchlorid, Polystyrol; Vinylidenkunststoffe, z. B. Polyvinylidenchlorid, Polyisobutylen; Polybutadiene, Mischpolymerisate aus Butadien und Styrol, Butadien und Acrylnitril, Butadien und Isobutylen; Tetrafluoräthylenkunststoffe und schließlich Trifluormonochloräthylenkunststoffe.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung eignet sich eine Agglomeriervorrichtung, bestehend aus einem mit Propeller- und Schaufelrührern mit lotrechten Wellen versehenen heizbaren Mischbehälter, der vorzugsweise einen Doppelmantel mit . einer Zu- und einer Abführleitung für eine Kühlflüssigkeit aufweist, sowie aus einem in die Kunststoffmasse eintauchenden Thermoelement, das mit einem Meßgerät verbunden ist, dessen Skalenplatte mit verstellbaren Grenzkontakten für einen wählbaren Temperaturbereich versehen ist, wobei in den Mischbehältern eine dosierte inerte Kühlflüssigkeitsmenge unmittelbar eingegeben werden kann. Eine solche Vorrichtung ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch einen Kühlflüssigkeitsbehälter mit einem in den Mischbehälter mündenden Ablaß und einem diesen verschließenden Bodenventil, ferner durch einen im Kühlflüssigkeitsbehälter angeordneten einstellbaren Schwimmer und ein durch diesen mechanisch betätigtes Ventil in der Einlaufleitung des Kühlflüssigkeitsbehälters sowie durch ein in der Einlauf leitung vorgesehenes Magnetventil, wobei das Bodenventil durch einen Magnet und das Magnetventil durch ein Relais von den Grenzkontakten des Meßgeräts gesteuert sind. Diese Vorrichtung gestattet den automatischen chargenweisen Betrieb der Agglomeriervorrichlung, wie er zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung notwendig ist.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel einer Agglomeriervorricbtung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Außerdem werden zwei vergleichende Beispiele der Agglomeration von Folienabfall aus Polyäthylen angeführt, von denen das erste Beispiel in bekannter Weise und das zweite Beispiel in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Weise verfährt.

Die Agglomeriervorrichtung besteht aus einem zylindrischen Mischbehälter 1 mit einem Außenmantel 2, der eine geschlossene zylindrische Kühl- und

ίο Heizkammer 3 begrenzt. Der Behälter 1 ist mit einem verschließbaren Deckel 4 versehen, der geschlossen auf der oberen Kante des Behälters mit Dichtung aufsitzt. Der Behälter weist am Boden 5 Rührorgane auf. Diese umfassen einen Propeller 6, der an dem Ende einer in einer Stopfbuchse 7 im Behälterboden gelagerten Antriebswelle 8 befestigt ist, die durch Treibriemen 9 von einem Antriebsmotor 10 angetrieben wird. An dem durch den Boden des Behälters ragenden Wellenende der Antriebswelle 8 ist ferner ein Schaufelrad 11 befestigt. Die Flügel des Propellers 6 sind derart angestellt, daß das Mischgut bei der Drehung des Propellers 6 gegen den Boden gedruckt wird und von dort radial nach außen gelangt, worauf es durch das Schaufelrad 11 nach außen gegen die Behälterwand und an dieser aufwärts bewegt wird. So wird das Gut im Behälter im Kreislauf umgewälzt, so daß stets neue Teile desselben mit der Behälterwand zum Wärmeaustausch in Berührung kommen. An die zylindrische Kammer 3 ist eine Kühlmittelzuführleitung 12 und eine Kühlmittelabführleitung 13 zur Durchleitung eines Kühlmittels, z. B. Kaltwasser, angeschlossen. In der Kammer 3 sind außerdem nicht gezeigte elektrische Heizkörper zur Erwärmung des Behälierinneren eingebaut. Der Behälter 1 ist am Boden mit einem verschließbaren Rohrstutzen 14 zur Entnahme des fertigen Granulats versehen.

Schließlich ist der Mischer mit einer Steuervorrichtung zum automatischen Einlaß von Kühlwasser in die Kühlkammer 3 versehen. Diese Vorrichtung besteht aus einem Thermoelement 15 und einem mit diesem verbundenen, in Celsiusgraden geeichten Zeiger-Voltmeter 16, dessen Skalenplatte mit verstellbaren und einem gewünschten Temperaturbereich entsprechenden vom Zeiger betätigbaren Grenzkontakten versehen ist, welche an ein über ein Relais 17 gesteuertes Magnetventil 18 in der Kühlmittelzuleitung 12 angeschlossen sind. Die bisher beschriebene Ausbildung der Agglomeriervorrichtung ist bereits bekannt. Der im nachstehenden Beispiel 1 beschriebene Versuch wurde in einer Vorrichtung mit dieser Ausbildung in der üblichen Weise durchgeführt.

Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform der Agglomeriervorrichtung hat noch eine Zusatzeinrichtung. Es handelt sich um eine durch das Thermoelement 15 steuerbare Einrichtung zur Dosierung von Kühlwasser direkt in den Mischer. Sie besteht aus einem Wasserbehälter 19 mit einem Ablaß

20 und einem den Ablaß schließenden Bodenventil

21 mit einem dieses betätigenden und durch den Grenzschalter des Voltmeters 16 für die obere Tempsraturgrenze (105° C) gesteuerten elektrischen Stellmagnet 22. Ferner aus einem in seiner Höhenlage einstellbaren Schwimmer 23 und einem von diesem mechanisch betätigten Ventil 24, das an eine Einlaufleitung 25 des Wasserbehälters 19 angeschlossen ist. Das Ventil ist geschlossen, wenn sich der Schwimmer in seiner oberen Lage befindet. Die Einrichtung besteht weiter aus einem in der Einlaufleitung 25 vor-

gesehenen, von einem Relais 26 gesteuerten Magnetventil 27, das öffnet, wenn der Zeiger des Voltmeters 16 mit dem Grenzkontakt für die untere Temperaturgrenze (85° C) in Berührung kommt.

Beispiel 1

Der Mischbehälter mit einem Fassungsvermögen von 300 Litern wurde mit 50 kg feinem schnitzeiförmigem Polyäthylenfolienabfall (Kompaktdichte 0,92, Schmejzindex 1,5 bis 2) beschickt, nachdem der Mischer durch Mantelerwärmung auf 85° C erhitzt war. Der Deckel des Mischers wurde geschlossen und die Rührorgane in Gang gesetzt. Nach etwa 15 Minuten Mischungszeit war die Temperatur der Masse auf etwa 105° C gestiegen, wobei die Kunststoffteilchen durch die beginnende Sinterung zu einer körnigen Granulatmasse agglomeriert waren. Durch den auf 105° C am Voltmeter 16 eingestellten Grenzkontakt wurde bei dieser Temperatur das Relais 17 zur Öffnung des Magnetventils 18 betätigt, wodurch Kühlwasser der Kühlkammer 3 zugeführt wurde. Unter weiterem Rühren begann darauf die Kühlung der Granulatmasse, deren Temperatur nach etwa 15 Minuten auf die für die Abführung des fertigen Granulats als erforderlich festgestellte Temperatur von 35 bis 40° C gefallen war. Der Grenzkontakt des Voltmeters 16 für die untere Temperatur schloß dabei den Stromkreis zum Relais 17, das seinerseits das Magnetventil 18 betätigte, so daß dieses die Kühlwasserzufuhr zum Mischer abstellte. Darauf wurde das fertig granulierte Produkt aus dem Mischer abgezogen.

Beispiel 2

Hierbei wurde die beschriebene erfindungsgemäße Agglomeriervorrichtung verwendet. In den auf 85° C erwärmten Mischer wurden 50 kg desselben feingeschnittenen Polyäthylenfolienabfalls wie im Beispiel 1 eingesetzt. Das Vorgehen während der Erhitzungsperiode auf 105° C war genau dasselbe wie im Beispiel 1. Ebenso wie im vorhergehenden Fall wurde das Magnetventil 18 zum Einlassen von Kühlwasser in die Kühlkammer 3 nach 15 Minuten geöffnet, nachdem nämlich die Kunststoffmasse 105° C erreicht hatte. Gleichzeitig wurde in diesem Fall aber auch sowohl das Relais 26 zum Schließen des Magnetventils 27 als auch der Stellmagnet 22 zum öffnen des Bodenventils 21 betätigt, wobei die in den Wasserbehälter 19 bereits eingefüllte berechnete Wassermenge, die in diesem Fall 1 Liter (mit 20° C Temperatur) betrug, direkt in den Mischbehälter 1 eingelassen wurde, während die Rührorgane fortwährend weiterliefen. Dabei trat eine kräftige Dampfentwicklung auf. Bereits nach 3 Minuten war die Temperatur des Guts auf 85° C gesunken, wobei der Zeigerkontakt des Voltmeters 16 für diese Temperatur über das Relais 17 das Magnetventil 18 zum Schließen der Kühlwasserzufuhr zur Kühlkammer 3 und außerdem sowohl den Stellmagnet 22 zum Schließen des Bodenventils 21 des Wasserbehälters 19, als auch das Magnetventil 27 zum Einlassen einer neuen Menge Wassers in den Wasserbehälter 19 betätigte. Die Wasserzufuhr durch den Schwimmer 23 wurde abgebrochen, nachdem er in seine höchste Lage gestiegen war. Aus dem Mischbehälter 1 wurde anschließend ein vollkommen trockenes Granulat ausgetragen.

Wie aus einem Vergleich von Beispiel 1 und Beispiel 2 hervorgeht, nahm die Kühlung im letzten Fall lediglich 3 Minuten in Anspruch, gegenüber 15 Minuten im ersten Fall. Dies bedeutet einen wesentlichen Vorteil im Hinblick auf die zeitliche Ausnutzung der Agglomeriervorrichtung, da die Gesamtzeit für die Erwärmungs- und Kühlungsperiode im Beispiel 1 15 -1- 15 = 30 Minuten und im Beispiel 2 nur 15 + 3 = 18 Minuten dauerte, also die Zeitersparnis 40 % betrug. Mit ihr war eine entsprechende Einsparung an elektrischer Energie verbunden. Ein anderer sehr wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen

ίο Verfahrens liegt darin, daß die einzelnen Granulatkörner sowohl in der äußeren Schicht als auch in ihrem Inneren offenbar besser verdichtet waren, was auf das Abschrecken der Granulatkörner von 105° C zurückgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das Granulat bei der direkten Kühlung mit einem flüssigen, verdampfenden Kühlmittel den empfindlichen Temperaturbereich von 105 bis 95° C wesentlich rascher als bei der bekannten Kühlung durcheilt, was sich darin äußert, daß das fertige Granulat praktisch keinerlei Bruchstücke aufweist.

Im vorgenannten Fall wurde der Mischer mit 50 kg Polyäthylenabfall mit einer spezifischen Wärme von 0,55 kcal/kg ° C beschickt. Beim Kühlen der granulierten Kunststoffmasse von 105 bis 85° C bedeutet dies, daß 20 X 50 X 0,55 = 550 kcal aus der Masse abzuführen sind. Zum direkten Kühlen wurde 1 kg Wasser (20° C) zugesetzt, das zuerst auf Siedetemperatur (entsprechend 80 kcal) erhitzt und anschließend verdampft wurde (Verdampfungswärme etwa 540 kcal). Die zur Erhitzung und Verdampfung des 1 kg Wassers erforderliche Wärme betrug somit etwa 620 kcal. Diese Wärmemenge ist zwar etwas größer als die berechnete abzuführende Wärmemenge. An sich wäre daher zu erwarten gewesen, daß die Kunststoffmasse sich auf eine Temperatur unter 85° C abgekühlt hätte. Dies war nicht der Fall. Es ist darauf zurückzuführen, daß durch das Weiterlaufen der Rührorgane trotz der relativ guten Schmierwirkung unter den Granulatkörnern, die während der Kühlperiode durch das zugesetzte und verdampfende Wasser gegeben war, noch Reibungswärme entwickelt wurde, die ebenfalls durch das Wasser abzuführen war.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Agglomerieren von feinen körnigen sowie schnitzel- oder flockenförmigen thermoplastischen Kunststoffen in einem Mischer mit schnellaufendem Rührwerkzeug, bei dem die Kunststoffteilchen durch Reibungswärme bis zum Agglomerieren erwärmt werden und anschließend ein Kühlmittel unmittelbar in das agglomerierte Gut eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem agglomerierten Gut eine gegenüber dem Gut inerte Kühlflüssigkeit, deren Siedepunkt unterhalb der Temperatur des Gutes liegt, in einer solchen Menge zugeführt wird, daß die Wärmekapazität des agglomerierten Gutes zu ihrer vollständigen Verdampfung ausreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlflüssigkeit Wasser verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser in einer Menge von 0,2 bis 5% des Gewichtes des Kunststoffmaterials zugesetzt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem mit

Propeller- und Schaufelrührern mit lotrechten Wellen versehenen heizbaren Mischbehälter, der vorzugsweise einen Doppelmantel mit einer Zu- und einer Abführleitung für eine Kühlflüssigkeit aufweist, sowie aus einem in die Kunststoffmasse eintauchenden Thermoelement, das mit einem Meßgerät verbunden ist, dessen Skalenplatte mit verstellbaren Grenzkontakten für einen wählbaren Temperaturbereich versehen ist, gekennzeichnet durch einen Kühlflüssigkeitsbehälter (19) mit einem in den Mischbehälter (1) einmündenden

Ablaß (20) und einem diesen verschließenden Bodenventil (21), ferner durch einen im Flüssigkeitsbehälter (19) angeordneten einstellbaren Schwimmer (23) und ein durch diesen mechanisch betätigtes Ventil (24) in der Einlaufleitung (25) des Flüssigkeitsbehälters (19) sowie durch ein in der Einlauf leitung (25) vorgesehenes Magnetventil (27), wobei das Bodenventil (21) durch einen Magnet (22) und das Magnetventil (27) durch ein Relais (26) von den Grenzkontakten des Meßgeräts (16) gesteuert sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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